09光電倍增管特性及微弱光信號(hào)探測(cè)實(shí)驗(yàn)

..10/10試驗(yàn)9光電倍增管特性與微弱光信號(hào)探測(cè)[試驗(yàn)?zāi)康腯法；2、把握光電倍增管高壓電源模塊的使用方法；3、學(xué)習(xí)光電倍增管輸出信號(hào)的檢測(cè)和變換處理方法。[根本原理]1．光電倍增管構(gòu)造及工作原理光電倍增管是一種真空管,它由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極五個(gè)主要局部組成。電子倍增系統(tǒng)KAKA步上升的正電壓,要在陰極〔KA500～3000V目的是吸引并加速從陰極飛出的光電子,并使他們飛向陽極。11Ib

Ib

可近似用工作電壓V除以分壓電阻之和的值來表示。光電倍增管的輸出電流主要是來自于最終幾級(jí),為了在探測(cè)脈沖光時(shí),不使陽極脈動(dòng)電流引起極間電壓發(fā)生大的變化,常在最終幾級(jí)的分壓電阻上并聯(lián)電容。圖中和電阻并聯(lián)的電容C

、C、C

、Cn-3

n-2

n撞擊到下一個(gè)倍增極,結(jié)果產(chǎn)生又一次的二次電子放射,連續(xù)地重復(fù)這一過程,直到最末倍增極的二次電子放射被陽極收集,光電子經(jīng)過從第119倍的電流倍增之后到達(dá)陽極。這時(shí)可以觀測(cè)到,光電倍增管的陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流,已經(jīng)被放大成較大的陽極輸出電RL總之,當(dāng)入射光經(jīng)過下述過程后,光電倍增管才能輸出電流。〔1入射光透過玻璃光窗；〔2鼓勵(lì)光電陰極的電子向真空中放出光電子〔外光電效應(yīng)；增極放射二次電子；2．光電倍增管的主要參量與特性1LED倍增管的光譜響應(yīng)特性,其中長波端的截止波長,對(duì)于雙堿陰極和Ag-O-Cs的光電倍增管定義為其靈敏度降至峰值靈敏度的1%點(diǎn),多堿陰極則定義為峰值靈0.1%。對(duì)于每一支光電倍增管來講,真實(shí)的數(shù)據(jù)可能會(huì)略有差異。22每一支光電倍增管的光譜響應(yīng)特性不現(xiàn)實(shí),所以一般用光照靈敏度來評(píng)價(jià)光電倍增管的靈敏度。陽極光照靈敏度表示的是對(duì)光電面上入射肯定光束時(shí),陽極輸1SA增管整體特性陽極靈敏度兩種。本測(cè)試儀系統(tǒng)如圖3LED片裝置〔有時(shí)在光源和光電倍增管之間使用視覺靈敏度補(bǔ)正濾光片,但是通常不10-10SA33光電倍增管的陽極輸出電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數(shù)關(guān)系,稱也就是說具有寬的動(dòng)態(tài)范圍。但是在接收較強(qiáng)的光入射時(shí),會(huì)產(chǎn)生偏離抱負(fù)線性對(duì)于模擬量測(cè)量,必需選取能保證陽極電流與光照在大范圍內(nèi)保持線性關(guān)系的那3%作為線性區(qū)的界限。4極輸出電流的變化。光電倍增管的輸出電流對(duì)工作電壓格外敏感,因此必需使用變化、負(fù)載變化等的綜合穩(wěn)定度優(yōu)于該光電倍增管穩(wěn)定度1個(gè)數(shù)量級(jí),并連續(xù)可調(diào)。5光電倍增管在完全黑暗的環(huán)境中仍會(huì)有微小的電流輸出,這個(gè)微小的電流叫陽極暗電流是打算光電倍增管對(duì)微弱光信號(hào)的檢出力量的重要因素,其產(chǎn)生的主要緣由有以下幾種：①由光電外表及倍增極外表的熱電子放射引起的電流；流；③因玻璃及電極支持材料發(fā)光產(chǎn)生的光電流；④場(chǎng)致放射電流；⑤因殘留氣體電離產(chǎn)生的電流〔離子反射；γ射線等導(dǎo)致玻璃發(fā)光引起的噪聲電流。一樣。6由一個(gè)具有初速能量EP

的一次電子,從倍增極放射出δ個(gè)二次電子〔稱δ為二δδnδδ=A·Eα這里的A,E,α為一由倍增極材料及其幾何構(gòu)造打算的0.8nμ3．光電倍增管的使用及連接回路1①負(fù)載電阻進(jìn)展電流、電壓轉(zhuǎn)換光電倍增管輸出是一個(gè)電流信號(hào),而與其相連的后續(xù)電路,一般是基于電壓信號(hào)而設(shè)計(jì)的,因此,常用一個(gè)負(fù)載電阻來完成電流-電壓的轉(zhuǎn)換。由于光電倍增管小電流輸出時(shí)可看成一個(gè)具有很高特性阻抗的抱負(fù)恒流源,為此,理論上負(fù)載電阻可以選取任意大的阻值,實(shí)現(xiàn)從一個(gè)很小的電流信號(hào)得到一個(gè)很大的電壓信號(hào)。但實(shí)際上,較大的負(fù)載電阻會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)和輸出線性的惡化。4光電倍增管的輸出回路4中,考慮到上述因素,本測(cè)試儀承受溫度系數(shù)小的金屬膜無電感負(fù)載電阻,并選取適當(dāng)阻值的電阻來完成光電倍增管特性的測(cè)試。②運(yùn)算放大器電流-電壓轉(zhuǎn)換使用運(yùn)算放大器進(jìn)展電流-電壓轉(zhuǎn)換的電路,在和數(shù)字電壓表組合起來用時(shí),就不需要使用昂貴的微小電流計(jì),也可準(zhǔn)確測(cè)試光電倍增管的輸出電流。圖5 用運(yùn)算放大器的電流、電壓變換回路用運(yùn)算放大器進(jìn)展電流-電壓轉(zhuǎn)換的根本電路如圖6所示,由于運(yùn)算放大器的輸5A相端子〔-。因此,絕大局部的電流流經(jīng)反響電阻Rf

,然后流出前置放大器的輸出端。一般運(yùn)算放大器有格外高的放大倍數(shù)為105,通常保持在反相輸入端子〔ARf

V0

一樣,理論上,可以得到開路放大倍數(shù)倒數(shù)大小的高精度,實(shí)現(xiàn)電流-電壓變換。這種狀況下,輸出電V0V=-I×R0 P f限制輸出電壓V的因素主要有：光電倍增管的陽極電流I、反響電阻R的0 P f大小以及運(yùn)算放大器的工作電壓等。③光電倍增管的快速輸出回路507輸出端子用和同軸電纜特性阻抗一樣的純電阻作為終端。由此,從光電倍增管看MCP看的阻抗特性因頻率數(shù)而異的,并且,該值還受同軸電纜長度的影響,因而可能產(chǎn)抗特性的不連續(xù)點(diǎn)。[試驗(yàn)儀器]本試驗(yàn)用PAT型光電倍增管特性及微弱光信號(hào)測(cè)試儀系統(tǒng),它包括以下3局部：各種負(fù)載電阻、電流/電壓變化模塊、光源光強(qiáng)調(diào)整裝置、信號(hào)頻率調(diào)整裝置等；③附件：檢流計(jì)〔選用；[試驗(yàn)步驟與試驗(yàn)內(nèi)容]試驗(yàn)步驟測(cè)量前,先了解一下光電倍增管主控箱面板上各鍵的功能及試驗(yàn)中需要用到的一些參考曲線。16圖6 主控箱前面板構(gòu)造〔1uA：顯示光電倍增管輸出的陽極電流；〔2電壓表〔V：顯示輸出電壓讀數(shù)；〔3檢流計(jì)：外接pA檢流計(jì),測(cè)量暗電流；〔4輸出〔Q9：外接示波器,觀看輸出電壓波形；〔5按鈕開關(guān)K1：“儀器總電源開關(guān)“；〔6按鈕開關(guān)K2：“高壓電源開關(guān)“作方式；出方式；輸出測(cè)試“轉(zhuǎn)換開關(guān),切換陽極微弱電流在后接電路的工作方式；〔103K6：“負(fù)載/IV試中選擇的電流-電壓轉(zhuǎn)換方式；轉(zhuǎn)換時(shí),選擇不同負(fù)載阻值；〔12K8：“I/V轉(zhuǎn)換時(shí),選擇不同反響電阻阻值；〔13增加?？枷旅娼o出的輸出高壓掌握曲線。3、試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量〔1K1〔POWERK2③依據(jù)輸出高壓掌握曲線查電壓670V左右時(shí)對(duì)應(yīng)的掌握電阻阻值,并調(diào)整S3壓表量程范圍。S2,使光源強(qiáng)度發(fā)生連續(xù)線性變化。0.2DIV光通量與陽極電流之間的關(guān)系曲線,本儀器所用的LED光源經(jīng)計(jì)量標(biāo)定1ulm,由此可得到該光電倍增管的陽極1,SA〔2光電特性測(cè)量K1〔POWERK2③依據(jù)輸出高壓掌握曲線查電壓670V左右時(shí)對(duì)應(yīng)的掌握電阻阻值,并調(diào)整S3表量程范圍。K3K4K5S2,使光源光強(qiáng)發(fā)生連續(xù)變化；⑧記錄電流表的實(shí)時(shí)讀數(shù)；⑨作出光源光強(qiáng)變化與光電倍增管陽極電流的關(guān)系曲線〔光電特性曲線。〔3伏安特性曲線測(cè)量K1〔POWER,接通電源；S3K1；K3K4K5S2,使光源光強(qiáng)為肯定值不變〔處于光強(qiáng)線性變化區(qū)間內(nèi)；S3,使高壓電源電壓連續(xù)變化〔參照輸出電壓掌握曲線；⑧記錄電流表的實(shí)時(shí)讀數(shù)〔此時(shí)無需記錄電壓表讀數(shù)；S2,使光強(qiáng)為另肯定值不變〔處于光強(qiáng)線性變化區(qū)間內(nèi),重3特性曲線。〔4a.直接負(fù)載變換K1〔POWER,接通電源；S3670V掌握曲線；K3S2,使光源光強(qiáng)為肯定值不變〔處于光強(qiáng)線性變化區(qū)間內(nèi)；K4K5K6K7,記錄此時(shí)電流表和電壓表的讀數(shù)；b.I/VK1〔POWER,接通電源；S3670V掌握曲線；K3S2,使光源光強(qiáng)為肯定值不變〔處于光強(qiáng)線性變化區(qū)間內(nèi)；K4K5K6I/VK8,記錄此時(shí)電流表和電壓表的讀數(shù)；⑨作出光電倍增管在某肯定光照時(shí),運(yùn)用前置放大器不同反響電阻條件下的關(guān)系曲線?！?脈沖光作用下的輸出電流演示K1〔POWER,接通電源；S3670V掌握曲線；K3K4⑤將波段開關(guān)K5置于輸出測(cè)試檔；K6I/V⑦將示波器探頭連接到前面板上的輸出〔Q9K8S2,使光源光強(qiáng)發(fā)生連續(xù)變化；K8,觀看兩種狀況下示波器顯示曲線的變化；〔6K1〔POWERK2670VS3S2于無光照條件下；K3K4⑦接入檢流計(jì),測(cè)量此時(shí)輸出的暗電流值；S3壓的輸出來觀測(cè)暗電流隨高壓變化的曲線關(guān)系〔選做。試驗(yàn)報(bào)告與要求性；性；探測(cè)的影響；4、分析一樣條件下直接負(fù)載輸出和運(yùn)用運(yùn)算放大器輸出的曲線關(guān)系；5、測(cè)量光電倍增管的陽極靈敏度；[留意事項(xiàng)]切勿對(duì)光電倍增管施加工