光電倍增管綜述

1、光電倍增管綜述 光電倍增管綜述摘要：光電倍增管是一種能將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成可測電信號的光電轉(zhuǎn)換器件。本文將從結(jié)構(gòu)，特性，應(yīng)用及發(fā)展前景幾方面做闡述。一結(jié)構(gòu)光電倍增管是一種真空器件。它由光電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極及電子收集極（陽極）等組成。典型的光電倍增管按入射光接收方式可分為端窗式和側(cè)窗式兩種類型。下圖所示為端窗型光電倍增管的剖面結(jié)構(gòu)圖。其主要工作過程如下：當(dāng)光照射到光陰極時，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。因為采用了二次發(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見

2、和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點。二 特性一 光譜響應(yīng) 光電倍增管由陰極收入射光子的能量并將其轉(zhuǎn)換為光子，其轉(zhuǎn)換效率（陰極靈敏度）隨入射光的波長而變。這種光陰極靈敏度與入射光波長之間的關(guān)系叫做光譜響應(yīng)特性。 一般情況下，光譜響應(yīng)特性的長波段取決于光陰極材料，短波段則取決于入射窗材料。 光電倍增管的陰極一般都采用具有低逸出功能的堿金屬材料所形成的光電發(fā)射面。 光電倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化鎂（或鎂氟化物）玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透過近紅外至300nm垢可見入射

3、光，而其它3種玻璃材料則可用于對紫外區(qū)不可見光的探測。 二 光照靈敏度 由于測量光電倍增管的光譜響應(yīng)特性需要精密的測試系統(tǒng)和很長的時間，因此，要為用戶提供每一支光電倍增管的光譜響應(yīng)特性曲線是不現(xiàn)實的，所以，一般是為用戶提供陰極和陽極的光照靈敏度。 陰極光照靈敏度，是指使用鎢燈產(chǎn)生的2856K色溫光測試的每單位通量入射光產(chǎn)生的陰極光電子電流。陽極光照靈敏度是每單位陰極上的入射光能量產(chǎn)生的陽極輸出電流（即經(jīng)過二次發(fā)射極倍增的輸出電流）。三增益 光陰極發(fā)射出來的光電子被電場加速后撞擊到第一倍增極上將產(chǎn)生二次電子發(fā)射，以便產(chǎn)生多于光電子數(shù)目的電子流，這些二次發(fā)射的電子流又被加速撞擊到下一個倍增極，以產(chǎn)

4、生又一次的二次電子發(fā)射，連續(xù)地重復(fù)這一過程，直到最末倍增極的二次電子發(fā)射被陽極收集，這樣就達(dá)到了電流放大的目的。這時光電倍增管陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流即被放大成較大的陽極輸出電流。一般的光電倍增管有912個倍增極。 三 應(yīng)用 光電倍增管應(yīng)用用下表簡單表示。光電倍增管的應(yīng)用領(lǐng)域光譜學(xué) - 利用光吸收原理應(yīng)用領(lǐng)域光電倍增管特性適用管型紫外/可見/近紅外分光光度計 光通過物質(zhì)時使物質(zhì)的電子狀態(tài)發(fā)生變化，而失去部分能量，叫做吸收。利用吸收進(jìn)行定量分析。為確定樣品物質(zhì)的量，采用連續(xù)的光譜對物質(zhì)進(jìn)行掃描，并利用光電倍增管檢測光通過被測物質(zhì)前后的強(qiáng)度，即可得到被測物質(zhì)程度，計算出物質(zhì)的量。1.

5、寬光譜響應(yīng)2. 高穩(wěn)定性3. 低暗電流4. 高量子效率5. 低滯后效應(yīng)6. 較好偏光特性R212 R6356,R6357 R928,R955,R1477,R3896 R1463 R374,R376 CR114,CR131原子吸收分光光度計廣泛地應(yīng)用于微量金屬元素的分析。對應(yīng)于分析的各種元素，需要專用的元素?zé)?，照射燃燒并霧化分離成原子狀態(tài)的被測物質(zhì)上，用光電倍增管檢測光被吸收的強(qiáng)度，并與預(yù)先得到的標(biāo)準(zhǔn)樣品比較。R928,R955 CR131生物技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域光電倍增管特性適用管型細(xì)胞分類 細(xì)胞分類儀是利用熒光物質(zhì)對細(xì)胞標(biāo)定后，用激光照射，細(xì)胞的熒光、散亂光用光電倍增管進(jìn)行觀察，對特定的細(xì)

6、胞進(jìn)行選別的裝置。1. 高量子效率2. 高穩(wěn)定性3. 低暗電流4. 高電流增益5. 好的偏振特性R6353,R6357,R6358 R928,R1477,R3788,R3896 R2368 CR131熒光計細(xì)胞分類的最終目的是分離細(xì)胞，為此，有一種用于對細(xì)胞、化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行解析的裝置，它稱為熒光計。它對細(xì)胞、染色體發(fā)出的熒光、散亂光的熒光光譜、量子效率、偏光、壽命等進(jìn)行測定。醫(yī)療應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域光電倍增管特性適用管型正電子CT 放射線同位素（C11、O15、N18、F18等）標(biāo)識的試劑投入病人體內(nèi)，發(fā)射出的正電子同體內(nèi)結(jié)合時，放出淬滅線，用光電倍增管進(jìn)行計數(shù)，用計算機(jī)作成體內(nèi)正電子同位素分

7、布的斷層畫面，這種裝置稱為正電子CT。1. 高能量分辨率2. 高穩(wěn)定性3. 快速時間響應(yīng)4. 緊湊的結(jié)構(gòu)R1635,R5900U-00-C8 R1450,R5800 R1548 R6427液體閃爍計數(shù)液體閃爍計數(shù)應(yīng)用于年代分析和生物化學(xué)等領(lǐng)域。將含有放射性同位素物質(zhì)溶于有機(jī)閃爍體內(nèi)，并置于兩個光電倍增管之間，兩個光電倍增管同時檢測有機(jī)閃爍體的發(fā)光。1. 高量子效率2. 低熱發(fā)射噪聲3. 無鉀面板和側(cè)管4. 快速時間響應(yīng)5. 高脈沖線性R331,R331-05 CR120臨床檢查1. 高量子效率2. 高穩(wěn)定性3. 低暗電流R647,R1166 R5611-01,R1924 CR105通過對血液、

8、尿液中微量的胰島素、激素、殘留藥物及病毒等對于抗原、抗體的作用特性，進(jìn)行臨床身體檢查、診斷治療效果等。光電倍增管對被同位素、酶、熒光、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光物質(zhì)等標(biāo)識的抗原體的量進(jìn)行化學(xué)測定。放射免疫檢查（RIA） 利用放射性同位素標(biāo)定酶標(biāo)免疫檢查（EIA） 利用酶來標(biāo)定和檢查化學(xué)發(fā)光和生物發(fā)光熒光化學(xué)發(fā)光免疫檢測 用熒光或化學(xué)發(fā)光物質(zhì)標(biāo)定R6350,R6352,R6353 R6356,R6357,R4220,R928 R3788,R647,R1463,R1925 R6095,R374 CR120,R212,1P28,1P21工業(yè)計測應(yīng)用領(lǐng)域光電倍增管特性適用管型厚度計 工業(yè)生產(chǎn)中的諸如

9、紙張、塑料、鋼材等的厚度檢測，可以通過包括放射源、光電倍增管和閃爍體的設(shè)備來實現(xiàn)。對于低密度物質(zhì)，比如橡膠、塑料、紙張等，采用射線源；諸如鋼板等的高密度物質(zhì)則使用射線。（在電鍍、蒸發(fā)控制等處，鍍膜的厚度可使用X射線熒光光度計）1. 寬動態(tài)范圍2. 較高的能量分辨率R647-01,R5800 R6095,CR R580 R1306,R6231,R329-02半導(dǎo)體檢查系統(tǒng) 廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片的缺陷檢查、掩膜錯位等。芯片的缺陷檢查裝置中用光電倍增管檢測芯片被激光照射后，塵埃、污染、缺陷等產(chǎn)生的散亂光。1. 高量子效率2. 良好的均勻性3. 較低峰值噪聲R928,R1477,R3896

10、 CR131 R647,R1463攝影印刷 應(yīng)用領(lǐng)域光電倍增管特性適用管型彩色掃描 彩色圖片或照片進(jìn)行印刷時，需要將其顏色進(jìn)行分色掃描。分色是用光電倍增管和濾光片，把彩色分解成三原色（紅、綠、蘭）和黑色，作為圖象數(shù)據(jù)讀出。1. RGB點高量子效率2. 低暗噪聲3. 低滯后4. 高穩(wěn)定性5. 較好的可重復(fù)性R3788 R3810,R3811 R647,R1463 R1924,R1925 CR115,CR110高能物理 - 加速器實驗應(yīng)用領(lǐng)域光電倍增管特性適用管型輻射計數(shù)器 在2層正交排列的細(xì)長塑料晶體的端部，配置光電倍增管，測量帶電粒子通過的位置和時間。1. 時間響

11、應(yīng)特性好2. 小型化3. 抗磁場性好R1635(H3164-10) R647-01(H3165-10) R1450(H6524) R1166(H6520),CR115TOF計數(shù)器 在電荷粒子通道中，配置2組光電倍增管與閃爍體的組合件，測定粒子通過閃爍體的時間差，來測定粒子的速度。R5800,R1635(H3164-10) R1450(H6524),R4998(H6533) R5505(H6152-01),R2083(H2431-50) R1828-01(H1949-51),R5924(H6614-01)契倫柯夫計數(shù)器 這是用于粒子撞擊反應(yīng)時產(chǎn)生的二次粒子識別的裝置。二次粒子

12、通過諸如氣體這種介質(zhì)時，具有一定能量的電荷粒子會發(fā)出契倫柯夫光，測定這種光的發(fā)射角度，可以識別電荷粒子。1. 高量子效率2. 高單光子分辨能力3. 高電流增益4. 時間響應(yīng)好5. 抗磁場特性好R2256-02(H6521) R5113-02(H6522) R2059(H3177-51) R1584(H6528) R5924(H6614-01)熱量計 可以準(zhǔn)確地測定粒子撞擊反應(yīng)產(chǎn)生的二次粒子能量。1. 脈沖線性好2. 高能量分辯力3. 高穩(wěn)定性4. 抗磁場特性好R580(H3178-51) R329-02(H6410) R5924(H6614-01) R6091(H6559)四 光電倍

13、增管的現(xiàn)狀及展望 正因為 PMT 如上所述，其應(yīng)用十分廣闊，已滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，據(jù)市場調(diào)研統(tǒng)計，全球PMT 的產(chǎn)量在 100 萬只左右，其中日本 Hamamatus 本部共生產(chǎn) 40 萬只，銷售額 15 億人民幣，北京Hamamatus（合資）年生產(chǎn) 20 萬只（中低檔），銷售額 2 億人民幣；法國 PHOTONIS 年生產(chǎn) 10 萬只，銷售額 5 億人民幣；英國 ETL 公司年生產(chǎn) 5 萬只（中高檔），銷售額 3 億人民幣；美國 Burle 公司年生產(chǎn)5 萬只（中高檔），銷售額 3 億人民幣。近年來隨著高能物理、反恐軍事科技、生命科學(xué)、生物技術(shù)革命的興起， PMT 在全球的銷售額有較

14、大的上升勢頭，展現(xiàn)蓬勃生機(jī)， PMT 光電倍增管的年生產(chǎn)量有望突。 一 國外PMT的發(fā)展方向及目前所達(dá)到的水平目前國外 PMT 向如下三個方面發(fā)展：1. 針對 PMT 制造工藝復(fù)雜、品種多、小批量、手工操作的特點，目前國外采用微機(jī)對基礎(chǔ)工藝、基礎(chǔ)建設(shè)、質(zhì)量檢驗進(jìn)行控制， PMT 產(chǎn)業(yè)基本實現(xiàn)半自動化研發(fā)與生產(chǎn)，從而大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。2. 光電倍增管的性能參數(shù)不斷提高，如光電陰極光照靈敏度高達(dá) 500 A/lm、增益高達(dá) 6x107。3. 不斷研發(fā)特殊結(jié)構(gòu)、特殊功能的光電倍增管。 目前日本 Hamamatus 公司生產(chǎn) PMT 產(chǎn)品共有 15 個系列 234 個品種。而法國 PHOT

15、ONIS 公司不生產(chǎn)側(cè)窗管，僅生產(chǎn)端窗管，其性能與日本 Hamamatus 公司產(chǎn)品基本相當(dāng)，但 PHOTONIS 公司還生產(chǎn)兩種比較高端的產(chǎn)品，其中 XP2242B 系列管，在工作電壓 1800V 時其脈沖線性電流高達(dá) 200mA；另一種三英寸大面積的 PMT 在工作電壓為 1400V 時增益可達(dá) 5x106，脈沖上升時間小于 3ns。英國 ETL 公司規(guī)模相對較小，其產(chǎn)品性能稍遜于日本 Hamamatus 公司的產(chǎn)品性能。美國 BURLE 公司主要研發(fā)美國急需的 PMT，以研發(fā) GPS 銫原子鐘用 105 電子倍增器而聞名于世。俄羅斯莫斯科電子管廠生產(chǎn)的 PMT 產(chǎn)品自成體系，與英美等國的產(chǎn)品不能互換。二 國內(nèi)PMT的發(fā)展及措施 目前我國PMT的發(fā)展還遠(yuǎn)不及國外，從投入資金，成品精度以及應(yīng)用市場方面都有較大差距，要全面趕超是不現(xiàn)實的。為此我們應(yīng)采取措施，除了迅速擴(kuò)大生