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1 光电探测与信号处理 第三章光电探测器 华中科技大学 2 第三章光电探测器 3 光电发射器件是基于外光电效应的器件 3 1光电子发射探测器 PE PhotoEmission 4 dynode Microchannelplates 光电管 光电倍增管 像增强管 5 优点 灵敏度高 稳定性好 响应速度快和噪声小 缺点 结构复杂 工作电压高 体积大 光电发射器件的特点 许多应用领域被性价比更高 体积小巧便于集成的半导体光电器件所替代 但在微弱光信号探测 快速光脉冲探测等方面仍占优势 6 3 1 1光电阴极3 1 2光电管 像增强管3 1 3光电倍增管 一 光电倍增管组成及工作原理二 光电倍增管的主要特性参数三 光电倍增管的供电电路四 光电倍增管的应用五 小结 7 3 1 1光电阴极 将不同波长的各种辐射信号转化为电信号 均依赖光电阴极 光电阴极关系到光电器件的各项光电性能 8 一 光电阴极的主要参数 1 灵敏度2 量子效率3 光谱响应4 暗电流 9 1 灵敏度 包括光谱灵敏度与积分灵敏度 1 光谱灵敏度定义在单色 单一波长 辐射作用于光电阴极时 光电阴极输出电流Ik与单色辐射通量 e 之比为光电阴极的光谱灵敏度Se A W或A W 10 2 积分灵敏度定义 在某波长范围内的积分辐射作用于光电阴极时 光电阴极输出电流Ik与入射辐射通量 e之比 在可见光波长范围内的 白光 作用于光电阴极时 光电阴极电流Ik与入射光通量 v之比为光电阴极的白光灵敏度Sv mA W或A W mA lm 11 量子效率 定义在单色辐射作用于光电阴极时 光电阴极发射单位时间发射出去的光电子数Ne 与入射的光子数之比为光电阴极的量子效率 或称量子产额 即 量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法 它们之间的关系为 12 3 光谱响应曲线 光电发射阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关系曲线称为光谱响应 4 暗电流光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在室温下获得了热能产生热电子发射 形成暗电流 光电发射阴极的暗电流与材料的光电发射阈值有关 一般光电发射阴极的暗电流极低 其强度相当于10 16 10 18A cm2的电流密度 13 二 光电阴极材料 1 单碱与多碱锑化物光阴极 单碱 金属锑 Sb 与碱金属锂 Li 钠 Na 钾 K 铷 Rb 铯 Cs 中的一种化合 能形成具有稳定光电发射的发射体 最常用的是锑化铯 Cs3Sb 其阴极灵敏度最高 长波限约为650nm 对红外不灵敏 广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中 锑化铯阴极的峰值量子效率较高 一般高达20 30 比银氧铯光电阴极高30多倍 多碱 两种或三种碱金属与锑化合形成多碱锑化物光阴极 其量子效率峰值可高达30 暗电流低 光谱响应范围宽 双碱阴极锑钾钠 Na2KSb 锑铯钾 K2CsSb 三碱阴极锑钾钠铯 NaKSbCs 14 2 银氧铯与铋银氧铯光电阴极银氧铯 Ag O Cs 阴极是最早使用的实用光阴极 它的特点是对近红外辐射灵敏 制作过程是先在真空玻璃壳壁上涂上一层银膜再通入氧气 通过辉光放电使银表面氧化 对于半透明银膜由于基层电阻太高 不能用放电方法而用射频加热法形成氧化银膜 再引入铯蒸汽进行敏化处理 形成Ag O Cs薄膜 银氧铯光电阴极的光谱响应有两个峰值 一个在350nm处 一个在800nm处 光谱范围在300nm到1200nm之间 量子效率不高 峰值处约0 5 1 左右 银氧铯使用温度可达100 但暗电流较大 且随温度变化较快 15 将近红外区具有高灵敏度的Ag O Cs阴极和蓝光区具有高灵敏度的Bi Cs O阴极相结合 可以获得在整个可见光谱内有较均匀响应和高灵敏度的铋银氧铯光电阴极 铋银氧铯光电阴极制作方法很多 四种元素可以有不同的结合次序 如Bi Ag O Cs Bi O Ag Cs Ag Bi O Cs等 量子效率可达10 约为Cs3Sb光电阴极的一半 其优点是光谱响应与人眼相匹配 16 17 暗电流比较 Ag O Cs Bi Ag O Cs Cs3Sb量子效率比较 Ag O Cs Bi Ag O Cs Cs3Sb 多碱灵敏度比较 Ag O Cs Bi Ag O Cs Cs3Sb 多碱 18 3 紫外光电阴极 通常来说 对可见光灵敏的光电阴极对紫外光也有较高的量子效率 有时 为了消除背景辐射的影响 要求光电阴极只对所探测的紫外辐射信号灵敏 而对可见光无响应 这种阴极通常称为 日盲 solarblind 型光电阴极 目前 比较实用的 日盲 型光电阴极有碲化铯 CsTe c 320nm 和碘化铯 CsI c 200nm 日盲型光电倍增管是一种装置于空间卫星上进行紫外辐射探测 以及应用在原子分光光度计和核酸蛋白检测仪上进行紫外光谱检测的光电转换器件 19 4 负电子亲和势 NEA NegativeElectro affinity 光电阴极 常规的光电阴极属于正电子亲和势 PEA 类型 即表面的真空能级位于导带之上 如果给半导体 族 的表面作特殊处理 使表面区域能带弯曲 真空能级降低到导带之下 从而使有效的电子亲和势为负值 这种能带弯曲势必影响导带中电子逸出所需的能量 也就改变了光电逸出功 经过特殊处理的阴极称作负电子亲和势 NEA 光电阴极 20 采用特殊工艺 例如在重掺杂P型硅表面涂一薄层CsO2 可形成NEA材料 NEA发射体和常规光电发射体的表面 电子状态是类似的 导带底上的电子能量都低于真空能级 其差值为Ea 但是 两者体内电子能量则不同 NEA发射体导带底的电子能量高于真空能级 而常规发射体电子亲和势仍是正的 NEA阴极的量子效率高于正电子亲和势阴极 可从其光电发射过程进行分析 价带中的电子吸收光子能量 跃迁到导带底以上 成为热电子 受激电子能量超过导带底的电子 在向表面运动的过程中 由于碰撞散射而发生能量损失 故很快就落到导带底而变成冷电子 能量恰好等于导带底的电子 热电子的平均寿命非常短 约10 14 10 12s 如果在这么短的时间内能够运动到真空界面 自然能逸出 但是热电子的逸出深度只有几十纳米 绝大部分电子来不及到达真空界面 就已经落到导带底变成冷电子了 冷电子的平均寿命比较长 约10 9 10 8s 其逸出深度可达1000纳米 因为体内冷电子能量仍高于真空能级 所以它们运动到真空界面时 可以很容易地逸出 因此NEA量子效率比常规发射体高得多 21 特点 1 高吸收 低反射性质 2 高量子效率 50 60 长波到达9 3 光谱响应可以达到1 m以上 4 冷电子发射光谱能量分布较集中 比较平坦5 暗电流小 6 在可见 红外区 能获得高响应度 7 工艺复杂 售价昂贵 乔建良 常本康 钱芸生等 负电子亲和势GaN光电阴极光谱响应特性研究 物理学报2010年05期 22 23 3 1 2光电管 像增强管 24 一 光电管 光电管分为真空光电管和充气光电管 真空光电管主要由光电阴极和阳极两部分组成 因管内常被抽成真空而称为真空光电管 然而 有时为了使某种性能提高 在管壳内也充入某些低气压惰性气体形成充气型的光电管 无论真空型还是充气型均属于光电发射型器件 称为光电管 25 1 光电管的工作原理 充气型光电管光生电子在电场的作用下运动 途中与惰性气体原子碰撞而电离 电离又产生新的电子 它与光电子一起都被阳极收集 形成数倍于真空型光电管的光电流 或充气 真空型光电管 当入射光透过光窗照射到光电阴极面上时 光电子从阴极发射出去 在阴极和阳极之间的电场作用下作加速运动 被高电位的阳极收集 其光电流的大小主要由阴极灵敏度和入射辐射的强度决定 26 2 结构 光电管由光窗 光电阴极和阳极三部分组成 阴极为半导体光电发射材料 涂于玻壳内壁 受光照时 可向外发射光电子 阳极是金属环或金属网 置于光电阴极的对面 加正的高电压 用来收集从阴极发射出来的电子 27 优点 光电阴极面积大 灵敏度较高 一般积分灵敏度可达20 200 A lm 暗电流小 最低可达10 14A 光电发射弛豫过程极短 缺点 体积都比较大 工作电压高达百伏到数百伏 玻壳容易破碎等 3 光电管的特点 28 二 像增强管 像管 由安装在高真空管壳内的光电阴极 电子透镜 有静电聚焦和磁聚焦两种 和荧光屏三部分组成 它的工作原理是将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像 电子透镜将电子像聚焦并加速投射到荧光屏上产生增强的像 然后用照相方法记录下来 主要用作夜视仪 目前已发展到第四代 防止离子反馈损坏精致的光电阴极而镀的一层离子障膜 29 黑夜中专业警用海上巡逻緝私 搜捕犯人 軍事战争 渔船走私夜间工地装备 黑暗中想看什么都清楚可見 完全黑暗伸手不見五指中使用比肉眼还清晰 30 采用像增强管的夜视仪的发展历史 第一代微光夜视仪 1962年 光学纤维面板 一种由大量光导纤维组成的薄板阵列 每根纤维传导一个像素减少了光的散射 传导效果好 由于可以将纤维的末端排列成曲面 天然的避免了像差 大大提高了成像质量 级联像增强技术 将多个上述结构的像增强管串联起来 将光线逐级放大 第二代微光夜视仪 20世纪60年代 微通道MCP 连续型通道像增强器的原理是一根内壁涂有电子发射材料的细管子 在管子两端的电极上加上直流电压 当电子从管子一头射入时 便在管内来回碰撞 激发出越来越多的电子 这些电子被管壁的电压加速 并且碰撞出的几何级数增加的电子 使得管子末端出射的电子获得很高的增益 通道电子倍增器的电子增益与管壁内的电子发射材料有关 与通道的长径比有关 与电压有关 但与通道的大小无关 所以可以做的极小 将其并列起来组成阵列 就可以用来传递显示图象了 单根通道的直径一般为10 12微米 长500微米 一块通道板包含数百万根通道管 既数百万像素 可以使图象的亮度增加几千乃至上万倍 第三代微光夜视仪 20世纪80年代 负电子亲和势光电阴极 采用负电子亲和势砷化镓光电阴极 由于高灵敏度负电子亲和势光电阴极制作难度大 所以目前该技术掌握在少数发达国家手中 一些国家只能依赖进口 第三代管为了防止离子反馈损坏精致的光电阴极 都镀有一层离子障膜 第四代微光夜视仪 1998年 美国利顿公司LittonIndustriesInc 无膜微通道板像增强器 新式的夜视仪还采用了自动门控电源和无晕成像技术 可以自动控制光电阴极电压 改善在环境光线过强或有照明的情况下的夜视效果 无晕成像可以极大的减少由电子在像增强管的光电阴极到板的空隙中散射而引起的光晕 31 3 1 3光电倍增管 32 一 光电倍增管组成及工作原理 光电倍增管 PMT Photo multipliertube 是一种真空光电发射器件 主要由光窗 光电阴极 电子光学系统 倍增系统和阳极五个主要部分组成 33 1 工作原理 1 光子透过入射窗口入射在光电阴极上 2 光电阴极上的电子受光子激发 离开表面发射到真空中 3 光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增级上 倍增级将发射出比入射电子数目更多的二次电子 入射电子经N级倍增极倍增后 光电子就放大N次 4 经过倍增后的二次电子由阳极收集 形成阳极光电流 34 2 光电倍增管的基本组成 1 光窗侧窗型 side on 从侧面接收入射光 使用不透明光阴极 反射式光阴极 和环形聚焦型电子倍增极结构 这种结构能够使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度 单价比较便宜 一般数百元 只 在分光光度计 旋光仪和常规光度测定方面具有广泛的应用 端窗型 head on 也称顶窗型 从顶部接收入射光 在其入射窗的内表面上沉积了半透明的光阴极 透过式光阴极 这使其具有优于侧窗型的均匀性 其价格一般在千元以上 现在还出现了针对高能物理实验用的可以广角度捕获入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管 结构分类 35 光窗是入射光的通道 同时也是对光吸收较多的部分 因为玻璃对光的吸收与波长有关 波长越短吸收的越多 所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料 设计时根据透过波长的要求来选用 常采用的窗口材料有钠钙玻璃 硼硅玻璃 紫外玻璃 熔石英玻璃和氟化镁玻璃 材料分类 硼硅玻璃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 紫外玻璃 UV玻璃 这种玻璃材料可以很好地透过紫外光 和硼硅玻璃一样被广泛使用 分光应用领域一般都要求用紫外玻璃 其截止波长可接近185nm 氟化镁MgF2 镁氟化物 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 36 37 2 光电阴极主要决定倍增管光谱特性的长波阈值 W为逸出功 量子效率较高 两种工作模式下量子效率相差较大的主要影响因素是后界面复合速率和材料厚度 38 3 电子光学系统通过适当设计的电极结构 使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上 也就是使下一级的收集率接近于1 使前一级各部分发射出来的电子 落到后一级上所经历的时间尽可能相同 即渡越时间离散最小 39 4 倍增系统 二次电子发射 具有一定能量的电子入射到倍增极后 将激发二次电子 一般产生的二次电子数N2大于入射电子数N1 这种现象称为二次电子发射 通常用二次发射系数 倍增系数 定义 N2 N1 a 倍增极材料 一般 光电发射性能良好的阴极材料也是良好的二次发射体 40 锑化铯 CsSb 材料具有很好的二次电子发射功能 它可以在较低的电压下产生较高的发射系数 电压高于400V时的 值可高达10倍 氧化的银镁合金材料也具有二次电子发射功能 它与锑化铯相比二次电子发射能力稍差些 但它可以工作在较强电流和较高的温度 150 铜 铍合金 铍的含量为2 材料的发射系数 比银镁合金更低些 负电子亲和势材料GaP Cs 具有更高的二次电子发射功能 在电压为1000V时 倍增系数可大于50或高达200 41 b 倍增极结构非聚焦型 倍增极间的电子束是平行的 百叶窗型 图a 盒栅式 图b 聚焦型 倍增极间电子束轨迹在两电极间有交叉 瓦片静电 直列 聚焦型 图c 圆形鼠笼式 图d 42 a 百叶窗型 每一级倍增极均由一组倾斜的平行叶片组成 下一级叶片倾斜方向相反 叶片上接金属网以屏蔽前级电场 提高收集率 特点为倍增极大 其输出一致性较好 宜作微弱光信号探测 b 盒栅型 倍增极由1 4圆弧盒组成 前面接有金属网 特点是体积小 均匀性 稳定性较好 对电源要求不严格 但不宜于快速探测或要求线性电流大的探测 c 瓦片 直列 聚焦型 倍增极的形状类似瓦片 其曲度能提供聚焦电场 提高次级电子利用率 特点是时间响应快 d 圆形鼠笼型 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 43 e 细网型 该结构有封闭的精密组合网状倍增级 因而具有极强的抗磁性 一致性和脉冲线性输出特性 另外 在使用交叠阳极或多极结构输出的情况下 还具有位置灵敏的特性 f 微通道板 MCP 型 是将上百万的微小玻璃管 通道 彼此平行地集成为薄形盘片状而形成的 这种结构的每个通道都是一个独立的电子倍增器 MCP比任何分离电极的倍增极结构都具有超快的时间响应 并且当采用多阳极输出结构时 这种结构的光电倍增管在磁场中仍具有良好的一致性和极强的二维探测能力 g 金属通道型 是滨松公司采用独有的机械加工技术所创造的紧凑型阳极结构 其各个倍增极之间的狭窄通道空间特性使其比任何常规结构的光电倍增管都具有更快的时间响应速度 金属通道型光电倍增管适用于位置灵敏度要求比较高的探测方面 h 混合型 将上述结构中的两种结构相互混合而形成的复合型结构 混合结构的倍增极一般都可以发挥各自的优势 44 聚焦 响应快 高速 但均匀性较差非聚焦 响应不及聚焦型 但均匀性好 收集效率高 45 5 阳极 阳极作用是接收从末级倍增极发射出的二次电子 通过引线向外输出倍增后的电流 要求 具有较高的电子收集率 多采用栅网状结构 能承受较大的电流密度 并且在阳极附近的空间不至于产生空间电荷效应 空间电荷限制电流 46 二 光电倍增管的主要特性参数 1 阴极灵敏度 阴极光谱灵敏度 阴极电流IK与入射单色辐射通量之比 阴极积分灵敏度 IK与光谱辐射总通量的积分之比 47 10 5 10 2lm 阴极积分灵敏度的测量 测试积分灵敏度所用的光源 多为标准A光源 色温2856K的白炽钨丝灯 测量时以光电阴极为一极 K和地之间接检流计 阳极与其它各电极连在一起为另一级 在其间加100 300V的电压 照在阴极上的光通量大致选在10 5 10 2lm量级 A 48 2 阳极灵敏度 阳极光谱灵敏度 阳极输出电流IA与入射单色辐射通量之比 阳极积分灵敏度 阳极输出电流IA与入射辐射通量之比 49 10 10 10 6lm 阳极积分灵敏度的测量 A 测量时光电阴极K与 HV短路 阳极A和地之间接检流计 50 3 电流放大倍数 增益 在一定工作电压下 电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流IA与阴极电流IK的比值 1 2020 3 15 51 可编辑 52 当考虑到光电阴极发射出的电子被第1倍增极所收集 其收集系数为f 且每个倍增极都存在收集系数g 则增益G修正为 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 的电流增益为 2 3 对于非聚焦型光电倍增管 f近似为90 g要高于f 但小于1 对于聚焦型的 尤其是在阴极与第1倍增极之间具有电子限束电极F的倍增管 其f g 1 可以用式 2 计算增益G 53 倍增极的二次电子发射系数 可用经验公式计算 对于锑化铯 Cs3Sb 倍增极材料有经验公式 4 对氧化的银镁合金 AgMgO Cs 材料有经验公式 代入 2 式 得 5 对于锑化铯倍增极材料 对银镁合金材料 6 7 54 4 暗电流 暗电流组成 热电子发射 极间漏电流 欧姆漏电 残余气体放电 玻璃壳放电和玻璃荧光 场致发射 光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流 记为ID 光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是很小的 一般为10 16 10 10A 是所有光电探测器件中暗电流最低的器件 影响暗电流的主要因素 55 1 欧姆漏电欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电 管座漏电和灰尘漏电等 欧姆漏电通常比较稳定 对噪声的贡献小 在低电压工作时 欧姆漏电成为暗电流的主要部分 2 热发射由于光电阴极材料的光电发射阈值较低 容易产生热电子发射 即使在室温下也会有一定的热电子发射 并被电子倍增系统倍增 正常工作时 它是暗电流的主要成份 降低光电倍增管的温度是减小热发射暗电流的有效方法 56 3 残余气体放电光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离 产生正离子和光子 它们也将被倍增 形成暗电流 这种效应在工作电压高时特别严重 使倍增管工作不稳定 4 场致发射光电倍增管的工作电压高时还会引起管内电极尖端或棱角的场强太高产生的场致发射暗电流 显然降低工作电压场致发射暗电流也将下降 5 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很强 尤其是金属屏蔽层与处于负高压的阴极电场最强 在强电场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃荧光 放电和荧光都要引起暗电流 而且还将严重破坏信号 因此 在阴极为负高压应用时屏蔽壳与玻璃管壁之间的距离至少为10 20mm 57 58 减小暗电流的方法 直流补偿 在倍增管阳极输出回路中加上与暗电流方向相反的直流成份 致冷 电磁屏蔽法 磁场散焦法 选频和锁相放大 入射光调制 信号输出选频滤掉直流 锁相放大提高信噪比 将倍增管装在高导磁率的金属圆筒中 防止周围磁场干扰 合理利用磁场将阴极边缘暗电流的电子散射掉 降低热发射电子 59 5 噪声及最小可探测功率ENI 散粒噪声 闪烁噪声 电阻热噪声 光电倍增管的噪声主要由器件本身的散粒噪声 闪烁噪声和负载电阻的热噪声组成 散粒噪声主要由暗电流Id 背景辐射电流Ib以及信号电流Is的散粒效应所引起 由光电阴极发射的偶然起伏和倍增极材料的变化引起 是一种1 f噪声 低频噪声 60 总噪声电流为 在设计光电倍增管电路时 总是力图使负载电阻的热噪声远小于散粒噪声 设光电倍增管的增益G 104 暗电流Ia 10 14A 在室温300K情况下 只要阳极负载电阻Ra满足 即可达到 实际应用中 阳极电流常为微安级 为使阳极得到适当的输出电压 阳极电阻总要大于52k 61 由 62 6 伏安特性 阴极伏安特性 当入射光通量一定时 阴极光电流Ik与阴极和第一倍增极之间的电压Uk 阴极电压 的关系 2 阳极伏安特性 当入射光通量一定时 阳极电流Ia与阳极和末级倍增极之间电压 阳极电压Ua 的关系 图为3组不同强度的光通量的伏安特性 当阳极电压增大到一定程度后 被增大的电子流已经能够完全被阳极所收集 阳极电流Ia与入射到阴极面上的光通量 成线性关系而与阳极电压的变化无关 63 7 线性 造成非线性的原因 内因 空间电荷 光电阴极的电阻率 聚集或收集率的变化 外因 光电倍增管输出信号电流在负载电阻上的压降对末级倍增极电压产生负反馈和电压的再分配都可能破坏输出信号的线性 分压器效应 光电倍增管的线性一般由它的阳极伏安特性表示 它是光电测量系统中的一个重要指标 线性不仅与光电倍增管的内部结构有关 还与供电电路及信号输出电路等因素有关 参考文献 刘君红 刘俊勇 管兴胤 光电倍增管线性特性 时间特性参数调试 核电子学与探测技术2005 06 64 8 稳定性 稳定性是指阳极电流随工作时间的变化 它在闪烁记数和光度测量中显得很重要 灵敏度的慢漂移 不稳定性主要表现在 慢漂移主要是由于最后几级倍增极在大量电子轰击下受损 引起二次发射系数变化 65 2 滞后效应 Hysteresis 在光电倍增管加上高压或开始光照的短时间内 几秒或几十秒 阳极输出电流存在短暂的不稳定 这种现象称为滞后效应 主要由于电子偏离设计的轨迹及倍增极的陶瓷支架和玻壳等静电作用引起的 Ii Imin Imax 滞后系数 无光照持续1分钟 重新光照后1分钟内的最大值 重新光照后1分钟内的最小值 阳极正常输出电流 66 灵敏度的两种变化 1 老化 不可逆 光电倍增管的残余气体与光电阴极作用 玻璃中的Na离子掺入光电阴极而使灵敏度下降 长期使用过程中二次发射材料的过载也产生同样的结果 2 疲劳 可逆 同阳极电流 倍增极材料以及使用前的存放条件有关 如将使用一段时间后 灵敏度有所下降的倍增管在黑暗中放置几小时 灵敏度又可恢复到原来状态 减小阳极电流会显著减弱疲劳现象 67 9 响应时间 1 上升时间 2 渡越时间 定义 整个光电阴极在 函数的光脉冲照射下 阳极电流从脉冲峰值的10 上升到90 所需的时间 该 函数的光脉冲宽度一般小于50ps 一个 函数的光脉冲 宽度一般小于1ns 到达光电阴极和阳极输出脉冲电流达到最大值的时间间隔 3 渡越时间离散 指渡越时间的不一致 脉冲展宽 68 10 磁场特性 大部分光电倍增管都会受到周围磁场环境的影响 光电子在磁场作用下将会产生运动轨迹的偏移 引起光电灵敏度下降 噪声增加 一般在管外套一个磁屏蔽筒 69 三 光电倍增管的供电电路和信号输出 光电倍增管的供电电路种类很多 可根据应用情况设计出各具特色的供电电路 这里介绍最常用的电阻链分压式供电电路 如图所示为光电倍增管的典型电阻分压式供电电路 电路由11个电阻构成电阻链分压器 分别向10级倍增极提供电压Ubb 70 1 电阻链的设计 考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应 各级的电子流按放大倍率分布 其中 阳极电流IA最大 因此 电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等 但是 当流过分压电阻的电流IR远远大于IA时 即IR IA时 流过各分压电阻Ri的电流近似相等 工程上常设计IR大于等于10倍的IA电流 IR 10IA 选择的太大将使分压电阻功率损耗加大 倍增管温度升高导致性能的降低 以至于温升太高而无法工作 71 选定电流后 可以计算出电阻链分压器的总阻值R 从而可以算出各分压电阻Ri 考虑到阴极到第一级倍增极之间的距离 72 2 电源电压和极间电压 极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数 或管子的增益G 因此 根据增益G的要求可以设计出极间供电电压UDD 由 可以计算出UDD 锑化铯倍增极 银镁合金倍增极 73 供电电压的极性 阳极接地负高压供电 阳极信号输出方便 可以交直流输出 但由于阴极处于负高压 因屏蔽罩都是与机壳相连接地的 所以光 磁 电的屏蔽罩不能跟阴极靠的很近 至少间隔1 2cm 使倍增管尺寸变大 同时阳极输出暗电流和噪声较大 阴极接地的正高压供电 光 磁 电的屏蔽罩能跟阴极靠的很近 屏蔽效果好 可以得到较低的暗电流和噪声 但阳极处于正高压会导致寄生电容增大 匹配电缆连接复杂 阳极信号输出必须通过耐高压 噪声小的隔直流电容器 因此只能输出交流信号 74 负高压DC输出电路 负高压脉冲输出电路 75 3 极间电压的稳定度 对上两式进行微分 并用增量形式表示 可得到光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度的关系 对锑化铯倍增极 对银镁合金倍增极 由于光电倍增管的输出信号Uo GSk vRL 因此 输出信号的稳定度与增益的稳定度有关 76 4 末极的并联电容 当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时 末3级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化 引起光电倍增管增益的起伏 将破坏信息的变换 在末3极并联3个电容C1 C2与C3 通过电容的充放电过程使末3级电压稳定 电容C1 C2与C3的计算公式为 式中N为倍增极数 Iam为阳极峰值电流 为脉冲的持续时间 UDD为极间电压 L为增益稳定度的百分数 或 锑化铯 银镁合金 77 5 信号输出 光电倍增管输出一个电流信号 而与其相联的后续电路 一般是基于电压信号而设计的 因此 常用一个负载电阻来完成电流 电压的转换 在此 我们来研究一下负载电阻的选取 由于光电倍增管输出电流很小 而且实际上常常将其看作一个恒流源 因此 一般认为负载电阻可以任意大地选取 从而从一个较低的电流信号 得到一个很高的电压信号 但是实际上 较大的负载电阻会导致频率响应和输出线性的恶化 78 若负载电阻为RL 光电倍增管阳极和其它电极之间的静电电容量以及由于布线等引起的杂散电容量的总和为Cs 则截止频率fc 上式可以看到 尽管光电倍增管和放大器有极快的响应时间 输出线路响应也将受到截止频率fc的限制 如果负载电阻RL值较高 在较高输出电流情况下 负载电阻将导致阳极电位电压降增大 造成阳极 末倍增极电压降低 从而降低了输出线性 输出电流与入射光的比例关系 79 实例1 80 实例2 Themulti anodepositionsensitivephotomultipliertube PSPMT 参考文献 赵翠兰等 多阳极位置灵敏光电倍增管位置读出电路的设计实现 原子核物理评论 2010年01期 81 四 光电倍增管的应用 光电倍增管不但具有极高的光电灵敏度 极快的响应速度 极低的暗电流低和噪声 还能够在很大范围内调整内增益 因此 它在微光探测 快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用 82 2 原子吸收分光光度计 广泛地应用于微量金属元素的分析 对应于分析的各种元素 需要专用的元素灯 照射燃烧并雾化分离成原子状态的被测物质上 用光电倍增管检测光被吸收的强度 并与预先得到的标准样品比较 1 光谱学 1 紫外 可见 近红外分光光度计 光吸收原理 光通过物质时使物质的电子状态发生变化 而失去部分能量 称为吸收 利用吸收进行定量分析 为确定样品物质的量 采用连续的光谱对物质进行扫描 并利用光电倍增管检测光通过被测物质前后的强度 即可得到被测物质吸收程度 计算出物质的量 83 3 发光分光光度计 利用发光原理样品接受外部照射光的能量会产生发光 利用单色器将这种光的特征光谱线显示出来 用光电倍增管探测出特征光谱线是否存在及其强度 这种方法可以迅速地定性或定量地检查出样品中的元素 84 4 荧光分光光度计荧光分光光度计依据生物化学 特别是分子生物学原理 物质受到光照射 发射长波的发光 这种光称为荧光 用光电倍增管检测荧光的强度及光谱特性 可以定性或定量地分析样品成份 5 拉曼分光光度计用单色光照射物质后被散射 这种散射光中 只有物质特有量的不同波长光混合在里面 这种散乱光 拉曼光 进行分光测定 对物质进行定性定量的分析 由于拉曼发光极其微弱 因此检测工作需要复杂的光路系统 并且采用单光子计数法 85 2 质量光谱学与固体表面分析 固体表面分析固体表面的成分和结构 可以用极细的电子 离子 光或X射线的束流 入射到物质表面 对表面发出的电子 离子 X射线等进行测定来分析 这种技术在半导体工业领域被用于半导体的检查中 如缺陷 表面分析 吸附等 电子 离子 X射线一般采用电子倍增器或MCP来测定 86 3 环境监测 1 尘埃粒子计数器尘埃粒子计数器检测大气或室内环境中悬浮的粉尘或粒子的密度 它利用了尘埃粒子对光的散乱或 射线的吸收原理 2 浊度计当液体中有悬浮粒子时 入射光会粒子被吸收 折射 对人的眼睛来看是模糊的 而浊度计正是利用了光的透过折射和散射原理 并用数据来表示的装置 87 4 生物技术 1 细胞分类细胞分类仪是利用荧光物质对细胞标定后 用激光照射 细胞的荧光 散乱光用光电倍增管进行观察 对特定的细胞进行选别的装置 2 荧光计细胞分类的最终目的是分离细胞 为此 有一种用于对细胞 化学物质进行解析的装置 它称为荧光计 它对细胞 染色体发出的荧光 散乱光的荧光光谱 量子效率 偏光 寿命等进行测定 88 5 医疗应用 1 相机将放射性同位素标定试剂注入病人体内 通过 相机可以得到断层图象 来判别病灶 从闪烁扫描器开始 经逐步改良 相机的性能得到快速的发展 光电倍增管通过光导和大面积NaI Tl 组合成探测器 2 正电子CT放射线同位素 C11 O15 N18 F18等 标识的试剂投入病人体内 发射出的正电子同体内结合时 放出淬灭 线 用光电倍增管进行计数 用计算机作成体内正电子同位素分布的断层画面 这种装置称为正电子CT 89 3 液体闪烁计数液体闪烁计数应用于年代分析和生物化学等领域 将含有放射性同位素物质溶于有机闪烁体内 并置于两个光电倍增管之间 两个光电倍增管同时检测有机闪烁体的发光 4 临床检查 通过对血液 尿液中微量的胰岛素 激素 残留药物及病毒等对于抗原 抗体的作用特性 进行临床身体检查 诊断治疗效果等 光电倍增管对被同位素 酶 荧光 化学发光 生物发光物质等标识的抗原体的量进行化学测定 90 6 射线测定 1 区域检测仪可以连续地检测环境辐射水平 它采用光电倍增管与闪烁体组合的方式 完成对低水平的 射线和 射线的检测 2 射线测量仪射线测量仪采用光电倍增管与闪烁体组合的方式完成对低水平的 射线和 射线的检测 91 7 资源调查 石油测井应用石油测井中用以确定石油沉积位置以及储量等 内藏放射源 光电倍增管和闪烁体的探头进入井中 分析放射源被散射的以及地质结构中的自然射线 判断油井周围的地层类型及密度 92 8 工业计测 1 厚度计工业生产中的诸如纸张 塑料 钢材等的厚度检测 可以通过包括放射源 光电倍增管和闪烁体的设备来实现 对于低密度物质 比如橡胶 塑料 纸张等 采用 射线源 诸如钢板等的高密度物质则使用 射线 在电镀 蒸发控制等处 镀膜的厚度可使用X射线荧光光度计 2 半导体检查系统广泛地应用于半导体芯片的缺陷检查 掩膜错位等 芯片的缺陷检查装置中用光电倍增管检测芯片被激光照射后 尘埃 污染 缺陷等产生的散乱光 93 9 摄影印刷 彩色扫描彩色图片或照片进行印刷时 需要将其颜色进行分色扫描 分色是用光电倍增管和滤光片 把彩色分解成三原色 红 绿 兰 和黑色 作为图象数据读出 94 10 高能物理 加速器实验 1 辐射计数器在2层正交排列的细长塑料晶体的端部 配置光电倍增管 测量带电粒子通过的位置和时间 2 契伦柯夫计数器用于粒子撞