光电倍增管原理特性及其应用教学资料.docx

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光电倍增管原理特性及其应用教学资料

光电倍增管原理特性及其应用

1．概述………………………………………………………………………………1

2．结构………………………………………………………………………………1

3．电子倍增系统……………………………………………………………………2

4.光谱响应………………………………………………………………………2

5．使用材料…………………………………………………………………………3

5.1光阴极材料…………………………………………………………………3

5.2窗材料………………………………………………………………………3

6.使用特性…………………………………………………………………………4

6.1.辐射灵敏度………………………………………………………………4

6.2．光照灵敏度………………………………………………………………4

6.3．电流放大（增益）………………………………………………………4

6.4．阳极暗电流………………………………………………………………5

6.5温度特性…………………………………………………………………5

6.6．滞后特性…………………………………………………………………5

6.7．均匀性……………………………………………………………………5

6.8．时间特性…………………………………………………………………5

7.应用举例…………………………………………………………………………5

结束语………………………………………………………………………………………7

参考文献……………………………………………………………………………………7

光电倍增管原理特性及其应用

摘要：

光电倍增管是一种能将微弱的光信号转换成可测电信号的光电转换器件。

本文首先介绍光电倍增管的一般原理，对它的工作原理进行较详细的描述，然后介绍其组成结构，使用特性及其应用，并归纳总结了几种常用的光电倍增管光电阴极材料及窗材料，最后介绍了光电倍增管在一些领域的应用，如光电测光等。

关键词：

光电倍增管；端窗型；侧窗型；光谱响应；材料；特性，光电测光。

1.概述

光电倍增管（PMT）是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。

当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。

这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。

然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。

因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。

另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。

基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。

它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。

光电倍增管包括阴极室和由若干打拿极组成的二次发射倍增系统两部分（见图）。

图1光电倍增管工作原理图

阴极室的结构与光阴极K的尺寸和形状有关,它的作用是把阴极在光照下由外光电效应产生的电子聚焦在面积比光阴极小的第一打拿极D1的表面上。

二次发射倍增系统是最复杂的部分。

打拿极主要选择那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏度和二次发射系数的材料制成。

在各打拿极D1、D2、D3…和阳极A上依次加有逐渐增高的正电压,而且相邻两极之间的电压差应使二次发射系数大于1。

这样,光阴极发射的电子在D1电场的作用下以高速射向打拿极D1,产生更多的二次发射电子,于是这些电子又在D2电场的作用下向D2飞去。

如此继续下去，每个光电子将激发成倍增加的二次发射电子，最后被阳极收集。

输出电流和入射光子数成正比。

整个过程时间约10-8秒。

2．结构

光电倍增管按其接收入射光的方式一般可分成端窗型和侧窗型两大类。

一般，端窗型和侧窗型结构的光电倍增管都有一个光阴极。

侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。

大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。

端窗型（也称作顶窗型）光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极（透过式光阴极），使其具有优于侧窗型的均匀性。

图2端窗型光电倍增管图3侧窗型光电倍增管

3．电子倍增系统

现在使用的电子倍增系统主要有以下几类：

【1】环形聚焦型环形聚焦型结构主要应用于侧窗型光电倍增管。

其主要特点为紧凑的结构和快速时间响应特性。

【2】盒栅型这种结构包括了一系列的四分之一圆柱形的倍增极，并因其相对简单的倍增极结构和一致性的改良而被广泛地应用于端窗型光电倍增管，但在一些应用中，其时间响应可能略显缓慢。

【3】此外还有直线聚焦型，百叶窗型，细网型，微通道板（MCP）型等。

4.光谱响应

光电倍增管的阴极将入射光的能量转换为光电子。

其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的波长而变。

这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。

图4给出了双碱光电倍增管的典型光谱响应曲线。

光谱响应特性的长波端取决于光阴极材料，短波端则取决于入射窗材料。

在本书的附件里给出了不同型号的光电倍增管的光谱响应特性，其中长波端的截止波长，对于双碱阴极和Ag-O-Cs阴极的光电倍增管定义为其灵敏度降至峰值灵敏度的1%点，多碱阴极则定义为峰值灵敏度的0.1%。

图4端窗型双碱光电倍增管典型光谱响应曲线

5．使用材料

5.1光阴极材料

光电倍增管的阴极一般是具有低逸出功的碱金属材料形成的光电发射面。

常用的阴极材料有以下几种：

【1】Ag-O-Cs

用此材料的透过型阴极具有典型的S-1谱，即具有从可见到红外（300-1200nm）的谱响应。

因为Ag-O-Cs阴极有较高的热电子发射（请参考阳极暗电流章节），所以这种光电倍增管一般要在制冷器中工作，用于近红外区的光探测。

【2】GaAs（Cs）

掺入活性Cs的GaAs材料也可以用作光阴极。

这种光阴极比多碱光阴极复盖更宽的光谱范围，可以从近紫外到930nm，并且响应曲线在300-850nm范围内较为平直。

【3】此外还有InGaAs（Cs），Sb-Cs，双碱材料（Sb-Rb-Cs）（Sb-K-Cs）等。

5.2窗材料

【1】硼硅玻璃

这是一种常用的玻璃材料，可以透过从近红外至300nm的入射光，但不适合于紫外区的探测。

在一些应用中，常将双碱阴极与低本低硼硅玻璃（也称无钾玻璃）组合使用。

无钾玻璃中只有极低含量的钾，其中的K40会造成暗计数。

所以通常用于闪烁计数的光电倍增管不仅入射窗，而且玻璃侧管也使用无钾玻璃，就是为了降低暗计数。

【2】合成石英

合成石英可以将透过的紫外光波长延伸至160nm，并且在紫外区比熔融石英玻璃有更低的吸收。

合成石英材料的膨胀系数与芯柱用玻璃的膨胀系数有很大差别，所以，用热膨胀系数渐变的封接材料与合成石英逐渐过渡。

因此，此类光电倍增管的强度易受外界震动的破坏，使用中要采取足够的保护措施。

【3】氟化镁（镁氟化物）

  图5几种不同窗材料的典型透过率

该材料具有极好的紫外线透过性，但同时也有易潮解的不利因素。

尽管如此，氟化镁仍以其接近115nm的紫外透过能力而成为一种实用的光窗材料。

6.主要使用特性

6.1辐射灵敏度

QE=[s*1240/λ]*100%

  如图4所示，光谱响应经常以不同波长下的辐射灵敏度和量子效率来表示。

辐射灵敏度（S）即为某一波长下的光电倍增管阴极发射出的光电子电流与该波长的入射光能量的比值，单位为A/W（安培/瓦）。

量子效率（QE）为光阴极发射出来的光电子数量与入射光光子的数量之比。

一般用百分比来表示量子效率。

在给定波长下辐射灵敏度和量子效率有如下关系：

这里S为给定波长下的辐射灵敏度，单位为A/W，λ为波长，单位为nm（纳米）。

6.2．光照灵敏度

阴极光照灵敏度是使用钨灯产生的2856K色温光测试的每单位通量入射光（实际用10-5~10-2Lm）产生的阴极光电子电流。

阳极光照灵敏度是每单位阴极上的入射光通量（实际用10-10~10-5Lm）产生的阳极输出电流（经过二次发射极倍增后）。

虽然同样是用钨灯，测量时所加电压要作适当的调整。

当光电倍增管具有相同或相似的光谱响应范围时，这些参数显然很有用。

除了对钨灯产生的光没有响应的Cs-I和Cs-Te阴极的管子（这些管子将给出特定波长下的辐射灵敏度）。

  阴极和阳极的光照灵敏度都是以A/Lm（安培/流明）为单位，流明是在可见光区的光通量的单位，所以对于光电倍增管的可见光区以外的光照灵敏度数值可能是没有实际意义的（对于这些光电倍增管，常常使用蓝光灵敏度和红白比来表示）。

6.3．电流放大（增益）

光阴极发射出来的光电子被电场加速撞击到第一倍增极，以便发生二次电子发射，产生多于光电子数目的电子流。

这些二次电子发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极产生又一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集，从而达到了电流放大的作用。

这时可以观测到，光电倍增管的阴极产生的很小的光电子电流，已经被放大成较大的阳极输出电流。

电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比值。

在理想情况下，具有n个倍增极，每个倍增极的平均二次电子发射率为δ的光电倍增管的电流增益为δn。

二次电子发射率δ由下式给出：

δ=A·Eα

这里的A为一常数，E为极间电压，α为一由倍增极材料及其几何结构决定的系数，α的数值一般介于0.7和0.8之间。

一般的光电倍增管有9～12个倍增极，所以阳极灵敏度与所加电压可以有106～1010的变化。

光电倍增管的输出信号也特别地容易受到所加电压的波动的影响，所以供电电压一定要有很好的稳定性、较小的纹波、漂移和温度系数。

6.4．阳极暗电流

光电倍增管在完全黑暗的环境中仍会有微小的电流输出。

这个微小的电流叫做阳极暗电流。

它是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素。

阳极暗电流的主要来源有以下几种：

【1】电子热发射

因为光阴极和倍增极材料具有较低的逸出功，所以在室温下会发射出大量的热电子。

大部分的暗电流源于这种热电子发射，特别是那些来自光阴极的热电子，因为它们要经过倍增极的放大。

将光电倍增管冷却是降低热电子发射的有效手段，这一点对诸如光子计数等要求光电倍增管具有极低暗计数特性的应用显得及其重要。

【2】玻璃壳放电和玻璃荧光

当光电倍增管负高压使用时，金属屏蔽层与玻璃壳之间的电场强度，尤其是金属屏蔽层于处于负高压的阴极之间的电场最强。

在强电场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃荧光，放电和荧光都会引起暗电流，而且还将严重破坏信号。

【3】此外,还有残留气体电离（离子反馈）,漏电电流,场致发射等。

6.5温度特性

降低光电倍增管的环境温度，可以减少热电子发射，从而降低暗电流。

光电倍增管的灵敏度也受到温度的影响。

在紫外和可见光区，光电倍增管的温度系数为负值，到了长波截止波长附近则呈正值。

6.6．滞后特性

当工作电压或入射光产生变化之后，光电倍增管会有一个几秒钟到几十秒钟的不稳定输出过程。

在达到稳定状态之前，输出信号会有些微的过脉冲或欠脉冲现象这个不稳定的过程叫做滞后，滞后特性在分光光度测试中应予以重视。

滞后特性是由于二次电子偏离预定轨道和电极支撑物、玻壳等的静电荷引起的。

当工作电压或入射光产生改变时，就会出现明显的滞后。

6.7．均匀性

均匀性是指入射光照射光阴极的不同位置时的灵敏度变化。

尽管光电倍增管在结构、电子轨迹等的设计上考虑将阴极和倍增极产生的二次电子有效地收集到第一倍增极或下一倍增极上，但在聚焦和放大过程中仍然会有电子偏离预定轨道，造成收集效率的降低。

这种收集效率的降低，受光电子从阴极上发射出来的位置的影响，从而反应出了光电倍增管的均匀性。

当然，均匀性也取决于光阴极本身表面镀层的均匀特点。

6.8．时间特性

在测试脉冲光信号时，阳极输出信号必须真实地再现一个输入信号的波形。

这种再现能力受到电子渡越时间、阳极脉冲上升时间和电子渡越时间分散（TTS）的很大影响。

时间响应特性取决于倍增极结构和工作电压。

7.应用举例

1.PET扫描图像显示了许多疾病的早期征兆

在医学上，作为一种全身检查工具,PET正逐渐用于癌症,心脏病,甚至痴呆的早期普查和诊断.其测量原理如图所示，在患者的体内注入的是放射性物质，它将放射出正电子，这些射线由人体周围排列的光电倍增管PMT与闪烁体组合的探测器接收，可以确定患者体内淬灭电子的位置，得到一个CT像。

通过扫描可以将其中正电子发射放射性同位素检测出来，使得符合计数的数据发生不一样的变化，通过对比，在形成的PET全身扫描图像中有明显的不一样，则可以推断身体的对应部位发生病变，对广大群众的健康检测也提供了一个很好的检查途径。

最新技术发展水平的PMT应用在PET上,极大推进了PET的发展,使它灵敏度更高,响应速度更快，未来健康检查将会取得更加显著的效果.

2.光电测光因光电倍增管的线性响应和采用高精度的电子测试仪器，在天文中，光电测光是准确度和灵敏度最高的测光方法，一般精度达到0.01～0.005个星等之间，较差测量时，可达0.001个星等。

光电测光时，选择适当的光阑，让星像位于光阑中，记取仪器读数，此数减去光阑对准夜天背景（见夜天光）时的读数，即为星光产生的仪器响应。

这个响应同星光成正比，可由此响应按星等定义直接求观测系统的星等。

通常将此星等归算为大气外的星等并转化为标准系统。

光电测光所得到的星等称为光电星等。

近年制成能同时测量几个波带或同时测量变星和比较星的多通道光电光度计，同电子计算机直接联系起来，能迅速得到结果。

光电测光适宜于测定星等标准，测量恒星亮度的快速变化，进行多色测光。

这是目前应用最广泛的测光方法

对于一般的应用，大量光子进入光电倍增管并在阳极输出大量的的脉冲序列。

阳极输出是一个的带有波动的直流信号。

当入射光强逐渐降低，以至于入射的光子分散，这种状态称作单光子（或光电子）情况。

输出的脉冲数与入射光成正比例，并且对这些脉冲计数的方法在信噪比和稳定性等方面，优于采用平均脉冲的电流测定方法。

这个对脉冲计数的光量测量技术叫做光子计数法。

单光子计数法原理图

如图所示，在弱光下，光电倍增管的电流来源于光子碰撞光阴极产生的光电子发射，并经倍增后在阳极形成电脉冲输出。

光子检测装置的核心是光电倍增管，其各电极之间均加有规定值较高的直流电压。

当光子打到光阴极时，由于光电效应的作用，其表面可以产生能量微弱的游离电子，称为光电子；该电子在直流高压产生的电场作用下离开光阴极，同时被加速，再次打到打拿极上并产生出能量更大数量更多的光电子，就这样经过多个打拿极的反复放大，最后使阳极产生电脉冲信号，该信号经前置放大器放大，在经比较器去除噪声信号，最后由分频器换算出光子脉冲数。

结束语

光电倍增管集高增益，低干扰，对高频信号有高灵敏度的优点，因此被广泛应用于高能物理、冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文等领域的研究工作，与及流体流速计算、医学影像和连续镜头的剪辑。

未来电视电影的发射和图象传送也离不开光电倍增管。

可见，光电倍增管将在未来的科学技术上占有越来越中的分量。

[参考文献]

[1]王庆有.《光电技术》.电子工业出版社.2008.

[2]曾光宇.《光电检测技术》.清华大学出版社.北京交通大学出版社.2005

[3]雷玉堂.《光电信息技术》.电子工业出版社.2011.

[4]任明岩.胡海.孙金基.《光电倍增管的光子计数仪设计》.2007

[5]《中国大百科全书·电子学与计算机》