光电倍增管知识.docx

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光电倍增管知识

用于阵列探测器的多阳极光电倍增管特性研究

1光电倍增管的基本特性

1）灵敏度和工作光谱区

光电倍增管的灵敏度和工作光谱区主要取决于光电倍增管阴极和打拿极的光电发射材料。

当入射到阴极表面的光子能量足以使电子脱离该表面时才发生电子的光电发射，即1/2mv2=h?

-ф,（

h?

为光子能量，ф为电子的表面功函数，1/2mv2为电子动能）。

当h?

<ф时，不会有表面光电发射，而当h?

=ф时，才有可能发生光电发射，这时所对应的光的波长λ=C/?

称为这种材料表面的阈波长。

随着入射光子波长的减小，产生光电子发射的效率将增大，但光电倍增管窗材料对光的吸收也随之增大。

显然，光电倍增管的短波响应的极限主要取决于窗材料，而长波响应的极限主要取决于阴极和打拿极材料的性能。

一般用于可见-红外光谱区的光电倍增管用玻璃窗，而用于紫外光谱区的用石英窗。

光阴极一般选用表面功函数低的碱金属材料，如红外谱区选用银-氧-铯阴极，可见光谱区用锑-铯阴极或铋-银-氧-铯阴极，而紫外谱区则采用多碱光电阴极或梯-碲阴极。

光电倍增管的灵敏度S是指在1lm的光通量照射下所输出的光电流强度，即

S=i/F，单位为µA/lm。

显然，灵敏度随入射光的波长而变化，这种灵敏度称为光谱灵敏度，而描述光谱灵敏度随波长而变化的曲线称为光谱响应曲线（见右图），由此可确定光电倍增管的工作光谱区和最灵敏波长。

例如我们常用的R427光电倍增管，其曲线偏码为250S，光谱响应范围为160-320nm，峰值波长200nm，光阴极材料Cs-Te，窗口材料为熔炼石英，典型电流放大率3.3×106。

2）暗电流与线性响应范围

光电倍增管在全暗条件下工作时，阳极所收集到的电流称为暗电流。

对某种波长的入射光，光电倍增管输出的光电流为：

i=KIi+i0

，式中，Ii对应于产生光电流i的入射光强度，k为比例系数，i0为暗电流。

由此可见，在一定的范围内，光电流与入射光强度呈线性关系，即为光电倍增管的线性响应范围。

当入射光强度过大时，输出的光电流随光强的增大而趋向于饱和（见右图）。

线性响应范围的大小与光阴极的材料有关。

暗电流的来源主要是由于极间的欧姆漏阻、阴极或其他部件的热电子发射以及残余气体的离子发射、场致发射和玻璃闪烁等引起。

当光电倍增管在很低电压下工作时，玻璃芯柱和管座绝缘不良引起的欧姆漏阻是暗电流的主要成分，暗电流随工作电压的升高成正比增加；当工作电压较高时，暗电流主要来源于热电子发射，由于光电阴极和倍增极材料的电子溢出功很低，甚至在室温也可能有热电子发射，这种热电子发射随电压升高暗电流成指数倍增；当工作电压较高时，光电倍增管内的残余气体可被光电离，产生带正电荷的分子离子，当与阴极或打拿极碰撞时可产生二次电子，引起很大的输出噪声脉冲，另外高压时在强电场作用下也可产生场致发射电子引起噪声，另外当电子偏离正常轨迹打到玻壳上会出现闪烁现象引起暗电流脉冲，这一些暗电流均随工作电压升高而急剧增加，使光电倍增管工作不稳定，因此为了减少暗电流，对光电倍增管的最高工作电压均加以限制。

3）噪声和信噪比

在入射光强度不变的情况下，暗电流和信号电流两者的统计起伏叫做噪声。

这是由光子和电子的量子性质而带来的统计起伏以及负载电阻在光电流经过时其电子的热骚动引起的。

输出光电流强度与噪声电流强度之比值，称为信噪比。

显然，降低噪声，提高信噪比，将能检测到更微弱的入射光强度，从而大大有利于降低相应元素的检出限。

4）工作电压和工作温度

光电倍增管的工作电压对光电流的强度有很大的影响，尤其是光阴极与第一打拿极间的电压差对增益（放大倍数）、噪声的影响更大。

因此，要求电压的波动不得超过0.05%，应采用高性能的稳压电源供电，但工作电压不许超过最大值（一般为-900v-1000v），否则会引起自发放电而损坏管子，工作环境要求恒温和低温，以减小噪声。

5）疲劳和老化

在入射光强度过大或照射时间过长时，光电倍增管会出现光电流衰减、灵敏度骤降的疲劳现象，这是由于过大的光电流使电极升温而使光电发射材料蒸发过多所引起。

在停歇一段时间后还可全部或部分得到恢复。

光电倍增管由于疲劳效应而灵敏度逐步下降，称为老化，最后不能工作而损坏。

过强的入射光会加速光电倍增管的老化损坏，因此，不能在工作状态下（光电倍增管加上高压时）打开光电直读光谱仪的外罩，在日光照射下，光电倍增管很快便损坏。

2光电测量原理

光电检测的原理一般是通过光电接受元件将待测谱线的光强转换为光电流，而光电流由积分电容累积，其电压与入射光的光强成正比，测量积分电容器上的电压，便获得相应的谱线强度的信息。

不同的仪器其检测装置具有不同的类型，但其测量原理是一样的。

其光电检测系统主要有以下四个部分组成：

1.光电转换装置，2.积分放大电路及其开关逻辑检测，3.A/D转换电路，4.计算机系统。

3.多阳极光电倍增管文献一篇

紫外多阳极（128×128）微通道阵列光电倍增管的研制

戴丽英　李慧蕊　黄敏　徐华盛

摘　要：

详细报道了新研制的紫外多阳极微通道阵列光电倍增管。

该器件采用了叠合式阵列阳极（128×128）、端窗式“日盲”紫外光电阴极（碲铷RbTe）、高增益的Z型微通道板组件、近贴聚焦结构等先进技术。

器件的主要性能参数为：

阴极发射灵敏度18mA/W,增益2×106，暗电流0.5nA，时间响应0.3ns,单光子计数率2×105s-1。

关键词：

光电倍增管　阵列阳极　微通道板　紫外阴极

DevelopmentofUltravioletMulti-anode（128×128）MicrochannelArraysPhotomultiplierTube

DaiLiying,LiHuirui,HuangMin,XuHuasheng

（NanjingElectronicDevicesInstitute,Nanjing,210016）

Abstract：

Theultravioletmulti-anodemicrochannelarray（MAMA）photomultiplierhasbeensuccessfullydeveloped.Variousadvancedtechnologies,includingananodearraywith128×128pixels,head-on“solarblind”ultravioletphotocathodemadeofRbTefilm,Z-typemicrochannelplatesandtheproximityfocusingtechnique,wereemployedintheMAMAdevice.Majorspecificationsofthedeviceareasfollows:

cathoderadiantsensitivityis18mA/W;currentgainis2×106;darkcurrentis0.5nA;pulserisetimeis0.3ns;singlephotoncountingrateis2×105s-1.

Keywords：

Photomultipliertube,Arrayanode,Microchannelplate,Ultravioletphotocathode▲

　　紫外微通道板光电倍增管是一种微弱紫外信号探测器件，它可广泛应用于高能物理研究、空间探测、激光雷达、光子计数、电子对抗等领域。

在军事上，它主要用于紫外线制导、报警、干扰及通讯等。

目前，它在军事上的应用意义更为重大。

由于军用飞机和火箭排放的尾烟中含有200～320nm范围的紫外光，因此可利用对此波段灵敏的探测器来进行空中目标的探测或制导。

据报道，在1991年的海湾战争中，投入战斗的美国军用飞机已装备了由新型光电倍增管制成的紫外线报警器［1］。

　　普通微通道板光电倍增管一般为单一阳极结构，仅能进行定向信号的探测。

为了能更精确并快速地定位或捕获空中目标，则需要具有成像功能的多阳极微通道阵列光电倍增管（即多阳极微通道阵列器件，multi-anodemicrochannelarray，简称MAMA器件）。

早期的MAMA器件采用的是分立式、电阻耦合式等类型的阳极［2］。

信号输出为一对一方式，即信号输出电极数与像素数相同，这严重限制了像素密度的提高。

为了获得高分辨率的MAMA器件，出现了叠合式阵列阳极结构［3］。

叠合式阵列阳极由于采用了特殊的电极编码技术，使得信号输出电极数量显著减少，比如，对像素为1024×1024的阵列阳极，它的输出电极仅为128个。

因此叠合式阵列阳极技术使得高分辨率MAMA器件成为可能。

　　80年代后期国外就已研制出了具有叠合式阵列阳极的微通道板光电倍增管，像素数达到1024×1024，像素尺寸最小为14μm×14μm。

多种MAMA探测器，如：

日盲紫外光谱测试仪、哥达德空间飞行中心的成像光谱仪（STIS）等已安装在探空火箭上［4］，进行星际图像等天体物理方面的测量研究工作，并投入军事应用。

　　国内90年代初才涉足微通道板光电倍增管的研制，近年开始了MAMA器件的研制。

分立式多阳极微通道板光电倍增管的工作已有报道［5］，但叠合式阵列阳极MAMA器件的研制尚属首次。

本文报道的MAMA器件采用了128×128阵列阳极、52个编码电极引出、PLCC接口输出、端窗式“日盲”紫外光电阴极、高增益的Z型微通道板组件，并且光电阴极、微通道板组件、阵列阳极之间呈近贴聚焦结构。

所有这些新技术的采用，使得该器件具有体积小、探测灵敏度高、增益高、暗电流小、时间响应快、空间分辨能力高、单光子计数能力强、抗磁场干扰能力强等优点。

1　器件结构和工作原理

　　如图1所示，多阳极微通道阵列光电倍增管主要有输入光窗、光电阴极、微通道板组件、阵列阳极及编码电极组成。

图1　多阳极微通道阵列光电倍增管工作示意图

Fig.1　Schematicsofmulti-anodemicrochannelarrayphotomultipliertubeconfiguration

　　光信号透过输入光窗入射至光电阴极表面，产生大量的光电子，这些光电子经微通道板组件（Z-MCP）倍增形成电子云，由阵列阳极收集，通过X方向、Y方向的二维编码电极将获取的信号输出。

　　输入光窗材料为石英玻璃，图2给出了几种材料的透射比曲线。

从图2可知，许多材料都具有透紫外能力，但石英玻璃在200～320nm范围内具有高且均匀的透射比。

另外输入光窗的材料决定了光电阴极的截止波长。

图2　几种材料的透射比曲线

Fig.2　spectraltransmissionofseveralwindowmaterials

　　光电阴极材料为碲铷薄膜。

光电阴极的长波阈值特性由光电阴极材料及其表面性质决定。

许多材料都具有较高的紫外光灵敏度，可仅对紫外光灵敏而对太阳辐射（λ＞320nm）没有反应的光电阴极，即“日盲”光电阴极，较实用的只有碲铯（CsTe）、碲铷（RbTe）两种阴极。

但碲铷光电阴极的禁带宽度和电子亲和势之和大于碲铯阴极，即碲铷阴极具有更短的阈值波长。

　　作为电子倍增器的微通道板组件是由三块单通道型微通道板（简称MCP）级联而成的。

MCP是由几十万根微通道组成的一个很薄的圆片，其微通道直径一般为10μm左右，厚度约0.5mm。

MCP的主要特点是体积小，响应速度快。

但是由于受离子反馈的影响，单块直通道型MCP的电流增益并不高，在正常工作电压下（约800V），通常为103～104［6］。

若将2块或3块MCP级联，并形成微通道弯曲，如图3所示，则离子反馈受到抑制，电流增益可达106以上。

图3　微通道板组件结构示意图

Fig.3　SchematicsoftandemtypeMCP

　　阵列阳极为三层叠合式结构［7］。

如图4所示，中间是介质层，上、下层分别为相互平行、分布均匀的金属像素条。

上、下层的金属条相互垂直。

图中1为无反馈MCP；2为上表面编码电极；3为不透明光阴极；4为输入面电极（约-2000V）；5为无反馈MCP（C型板）；6为输出面电极（0V）；7为SiO2绝缘层；8为上表面编码电极（-75V）；9为石英基底；10为下表面编码电极（-75V）；11为输出电荷群（约106电子/脉冲）；12为下表面编码电极；13为石英基底；14为叠合阳极阵列。

图4　阵列阳极结构示意图

Fig.4　Schematicsshowingdetailsofcoincidentanodearray

　　阵列阳极输出采用精细-精细电极编码方式［8］。

如图5所示，阳极像素被分成了两组，即上部分的奇数位组和下部分的偶数位组。

奇数位组中每个周期所包含的像素数与偶数位组不同，这样便形成了奇-偶周期错位排列，从而使每相邻的两个像素处于不同的数组中。

也就是说，相邻的奇-偶两个像素的组合是唯一的，引出电极数仅为奇数位每个周期的像素数与偶数位每个周期的像素数之和。

对128×128像素的阵列阳极而言，引出电极数为52个［9］。

图5　一维阳极信号阅读方式示意图

Fig.5　Constructionofone-axisoffine-fineanodearray

　　MCP与光电阴极及阵列阳极之间采用了近贴聚焦结构，这样可提高MCP光电倍增管的响应速度。

2　器件制作

　　器件制作工艺流程如下：

2.1　阵列阳极制作

（1）在石英基片上热蒸发NiCr-Au双层金属膜，NiCr和Au膜的厚度分别为50nm和200nm左右，经光刻形成下层电极条；

（2）磁控溅射SiO2隔离膜，膜厚约500nm，经光刻形成下层电极引出窗口；

　　（3）热蒸发NiCr-Au双层金属膜（膜厚同上），光刻形成上层电极条以及上、下层编码电极引出端。

2.2　微通道板级联

　　如图4所示，将三块微通道板叠合在一起，其间填充少量焊料，控制级联间隙在30μm左右。

在真空度为1×10-4Pa左右，温度为200℃的条件下，将它们压焊在一起，形成了Z型微通道板组件。

2.3　除气

　　将装有阵列阳极、微通道板组件的管壳及制作光电阴极用的输入光窗4等分别装入真空转移装置内相应位置，待真空度达到1×10-4Pa时，加温至350℃，烘烤2h，以充分去除吸附在管壳零部件表面以及真空转移装置内壁的气体分子。

但对微通道板来说，其内表面吸附的气体分子很难用常规的热烘烤去除。

因此在热烘烤之后，必须使微通道板处于工作状态，用强紫外光进行冲刷。

冲刷电流为1μA，累计冲刷时间为24h。

2.4　光电阴极制作

　　在石英输入光窗表面预先热蒸发Cr导电膜，膜的厚度以透射比损失10%～15%为限；采用Te-Rb层叠交替蒸发法制作RbTe光电阴极。

每次蒸Te后，需经Rb源充分激活，直到光电流不再增大为止。

这种方法与传统的一次蒸Te，一次激活的方法相比，灵敏度可从10mA/W以下增加到15mA/W以上。

2.5　热铟封

　　阴极制作完成之后，将输入光窗转移到预先填充好焊料铟的管壳上方，如图6所示。

在一定的温度下，将两者封接起来。

采用高频加热除气法炼制焊料，以提高其纯度，并预先在高温下将焊料烧制在管壳封接盘内。

封接前输入光窗内侧封接面处预先进行金属化。

图6　热铟封结构简图

Fig.6　Schematicsdrawingofthermalindiumseal

　　石英表面金属化所用材料与合金焊料的浸润能力要强，这样有利于提高封接质量。

RbTe光电阴极对真空度要求很高，在真空系统内采用热铟封技术较好地实现了器件的气密性封接，保证了器件内部真空度优于1×10-4Pa。

2.6　老炼工艺

　　从真空转移装置刚制出来的管子，其性能并不稳定。

不稳定性主要表现在阴极发射灵敏度、暗电流和电流增益等直流参数上。

其不稳定性主要由以下两个方面所致：

（1）RbTe光电阴极表面吸附着不稳定结构的Rb原子，这些Rb原子因管内少量气体产生的离子反馈或在电场作用下的迁移，使光电发射发生变化；

（2）微通道板内部和阳极表面吸附的气体分子，在光电子轰击下会出现解吸现象，使器件在初始工作阶段出现虚假增益及大的暗电流。

　　因此，器件正式使用之前必须进行老炼，以除去这些不稳定因素。

老炼分微通道板老炼和器件老炼。

　　微通道板老炼：

断开光电阴极，接通微通道板，使微通道板处于工作状态2h。

在此状态下，微通道板内部的气体分子受极间电场轰击而释放出来并被吸气丝吸收。

这样便稳定了MCP的暗电流和增益，并避免了光电阴极受到离子轰击。

　　器件老炼：

器件处于正常工作状态，在有光源和无光源这两种情况下，分别使器件工作2h，这样可使阴极表面结构趋于稳定。

　　试验证明，经过以上老炼处理后，MAMA器件有了非常稳定的工作状态。

3　研制结果与分析

　　图7为研制成的器件外形照片。

图8为阳极阵列照片。

图9为典型的器件光谱曲线图，光谱范围为200～320nm，峰值波长为240nm，谱线在320nm处响应小于1%，因而具有较好的日盲性能。

图10为典型的器件增益曲线，从增益曲线可知，在2200V电压时，器件增益已达1×106。

图11为器件的脉冲上升时间波形，上升时间为曲线峰值的10%到90%间的时间间隔。

从图中曲线上读得，上升时间为400ps，去掉电缆、光源及示波器本身的上升时间，则器件的实际上升时间约为300ps。

图12为器件整个阳极（曲线1）和单个输出电极（曲线2）的单光子计数曲线。

由于该器件的信号读出电路仍处于研制之中，因此尚不能进行图像演示。

但从整个阳极和单个输出电极的单光子计数结果看，该MAMA器件已具备了成像功能。

图7　器件外形图

Fig.7　Outsideviewofdevice

图8　阳极阵列

Fig.8　Anodearray

图9　典型的器件光谱曲线

Fig.9　Typicalspectralresponsecharacteristics

图10　典型的器件增益曲线

Fig.10　TypicalgaincharacteristiccurveoftandemMCP

图11　脉冲上升时间波形

Fig.11　Outputpulsewaveform

图12　单光子计数曲线

Fig.12　Single-photoncountingcurves

　　器件达到的主要性能参数如下：

光谱响应范围：

200～320nm;阴极发射灵敏度：

18mA/W；工作电压：

2400V；电流增益：

2×106；暗电流：

≤0.5nA;上升时间：

270ps；有效工作面积：

φ25mm；阵列阳极像素：

128×128；最大单光子计数率：

2×105s-1。

　　该器件在国内属首次研制，其型号为GDB-609型。

其主要性能参数与国内外同类产品的比较列于表1。

从表中可以看出，所研制器件的阴极灵敏度、暗电流、脉冲上升时间等参数已达到日本滨松产品水平，而电流增益、有效面积、器件尺寸等参数已优于日本滨松产品。

表1　不同MCP-PMT的主要参数比较

Tab.1　ComparisonofmainparametersfordifferentMCP-PMT

参数名称

GDB-609型（中国55所）

GDB-604型（中国55所）

R1712-04（日本滨松）［10］

阳极形式

128×128（叠合式）

4×4（分立式）

4×4（分立式）

像素尺寸

100μm×100μm

2.9mm×2.9mm

——

引出脚数/个

52

16

16

光谱响应/nm

200～320

185～320

140～320

窗口材料

石英玻璃

石英玻璃

白宝石石英

阴极类型

RbTe

RbTe

CsTe

阴极灵敏度/mAW-1

18

15

17

暗电流/nA

≤0.5

0.9

1

电流增益

2×106（Z-MCP）

1×105（V-MCP）

5×105

工作电压/V

2400

2000

3000

脉冲上升时间/ps

270

350

280

管直径/mm

47.2

36.2

54

管长/mm

21.5

29.5

23*

有效工作面直径/mm

25

18

18

　注：

*此尺寸不含引出脚长度

4　结论

　　叠合式阵列阳极MAMA器件的研制在国内尚属首次，并且性能参数均达到了设计指标。

这表明器件的结构设计和材料选取是合理的，器件的制作工艺也是可行的。

■

作者单位：

戴丽英（南京电子器件研究所　南京　210016）

　　　　　李慧蕊（南京电子器件研究所　南京　210016）

　　　　　黄敏（南京电子器件研究所　南京　210016）

　　　　　徐华盛（南京电子器件研究所　南京　210016）