PMT基础知识 之七(光电倍增管的选择)

光电倍增管基础知识之七(光电倍增管的选择)由于光电倍增管应用的广泛性，一种型号的光电倍增管不可能对任一应用都是适用的。因此正确地选择管子的型号（甚至是选择管子）是很必要的。随着光电倍增管品种的增加和性能提高，也提供了广泛选择的可能性。选择管子一般应考虑下面几个方面。一 光电阴极光电阴极的初步选择要考虑窗材料，阴极材料、阴极大小和阴极形式这四个因素。进一步的选择还要考虑阴极的光电参数的情况。1 窗材料选择光电倍增管具有良好的光谱匹配是首要的。在所研究的光信号的波长或波长范围内，应该使被选择的阴极给出高的光电子（量子）产额。粗略地说，光电倍增管的光谱特性取决于窗材料和阴极材料的组同合。长波截止波长取决于阴极材料，短波截止波长取决于窗材料的光谱透过率。常用的窗材料主要有三种：硼硅玻璃、透紫玻璃和石英玻璃。它们的短波截止波长分别为300nm、190nm、160nm。2 阴极材料阴极材料除决定了光谱响应的长波截止波长外，一般说来，还决定量子效率和热电子发射的大小。各种阴极材料的光谱响应、量子效率和热电子发射有很大的不同。常用的阴极材料有锑绝（SbCS）、锑钾绝（SbKCs）、锑钾钠（SbKNa）锑钾钠绝（SbKNaCs）。下面给出粗略的数据，也给用户有一个数量的概念。表（）各种阴极材料的特性（硼硅玻璃窗材料） 特性阴极材料光谱响应（峰值（nm）线性电流（上限）（平均电流）Sb-Cs300-650（440）1ASb-Rb-Cs/Sb-K-Cs300-650（420）0.1A/0.01ASb-k-Na-Cs300-850（420）900红外延长10ASb-K-Na300-650（375）10AGa-As300-9000.1A（1） 对红外响应在800nm左右红外光谱测量而言，Ag-O-Cs阴极不是唯一的， 族化合物光电阴极（GaAsP）是候选者。由于（S-1）Ag-O-Cs阴极在室温下热电子发射高，大多数应用来说必须对（S-1）阴极进行冷却至干冰或更低温度。如果不需要红外响应则绝不选用（S-1）阴极，这不仅是因为在室温下它的热电子发射远远超过其它阴极，而且也因为在较短的波长它的量子效率低。（2） 在光度学应用方面，例如光谱学、天文学及生物学上应用需要在整个可见光谱有高的量子产额，那么（S-20）阴极是优选者。它的唯一对手是氧敏化的K2CsCs（o），因为它的热电子发射小，在可见光区域对光子计数而言，这种阴极无疑是合适的。（3） 谱特性与人的眼睛灵敏度配合最好的是Bi-Ag-O-Cs（SbRCs阴极可以取代它）对可见光敏度具有全色性（即均匀性）应用。（4） 对于探测紫外辐射阴极的选择取决于特定的要求。如果要求紫外可见区都灵敏，S-20阴极是最合适。就“日盲” 应用而言，则可用碘化铯（CSI）、碲化铯（Cs-Te）阴极。（5） 为了在火箭和人造卫星上研究宇宙中的太阴辐射，最合适的阴极是MgF2，其谱特性红限约为140nm，峰值波长55nm，其最大量子率超过0.43 阴极大小阴极大小的选择取决于光信号束的大小。光束大应选用阴极直径大的管子。但阴极面积大，热电子发射也多，对信噪比不利。光束小或能将宽光束聚焦在小面积上，可采用阴极直径小的管子。阴极面积小，热电子发射也少，但阴极均匀性和幅度分辨率往往变差。所以，对阴极大小的选择要全面考虑，要避免顾此失彼。4 阴极形式阴极形式分为端窗和侧窗两种。端窗管的特点是：阴极面积的变化范围大（直径从10-200mm），阴极均匀性好，与光信号耦合好，但阴极电阻率高，磁场效应大。侧窗管的特点是：阴极电阻率低，磁场应小，但阴极均匀差，与光信号耦合较差。二 倍增系统倍增系统的初步选择要考虑结构形式、倍增极材料和级数。进一步的选择还需光电参数的情况1 结构形式常用的结构形式有盒子式（BG）、百叶窗式（VB）、环形聚焦式（CF）和直线聚焦式（LF）。结构形式的选择一般从阴极直径、所要求的响应时间、单电子幅度分辨率和线性电流等方面来考虑。下面列出的粗略数据供用户参考。表（2）各种倍增极的特性-特性结构上升时间(ns)脉冲线性(mA)磁特性（mT）均习性收集效率特 征环形聚焦型0.9-3.01-100.1小型高速盒栅型6-201-10高收集效率直线聚焦型0.7-310-250高速线性好百叶窗型6-1810-40大面积PMT细网型1.5-5.5300-1000700-1200以上高磁场用线性好MCP0.1-0.370015-1200以上超高速2 倍增极的材料常用的倍增极材料有锑铯（或锑碱）、铜铍和磷化镓三种。铜铍与锑碱倍增极相比，在同一增益下其阳极电压高得多。这对时间响应和脉冲线性电流有利，因此绝大多数的快速管和高温管都采用铜铍倍增极，锑碱倍增极的阳极电压低，因此绝大多数非快速管都采用这材料。磷化镓和锑钾倍增极在600伏电压下具有高的二次发射系数，利用它做第一倍增极材料可获得优良的单电子幅度分辨率，用于光子计数、低能粒子探测和契仑科夫计数等方面。3 倍增极级数对同一倍增极材料来说，级数的多少一般就反映了管子的灵敏度的高低，即增益高低。选择增益的高低取决于输入信号的大小和输出电流的大小。一般管子的级数介于（9-13）级，少数管子级数介于（5-8）级。三 使用场合：根据使用来选择。如耐震管、高温管。四 使用要求根据使用要求来选择。如时间测量选适当快速的光电倍增管，能谱分析选用高分辨率的光电倍增管，低能或微弱光测量选用低暗电流或低噪声光电倍增管。五 光电参数光电倍增管的某些参数、特性不仅与结构、材料有关。而且与制造工艺有很大的关系。即使同一型号的管子，某些参数分散范围也往往很大。几个重要参数，如量子效率、光谱响应、单电子幅度分辨率、一定电压下的增益（阳极光照灵敏度）、暗电流和稳定性等都与制造工艺有很大的关系。因此对于使用要求苛刻的场合，不仅要选用管型，而且要按光电参数选择具体的管子。光电参数的一般选择，主要是考虑阴极灵敏度、暗电流或噪声和增益（阳极灵敏度）。对某些专门应用还可以对某些专门的应用参数进行选，如石油放射性测井按“坪特性”选择。选择管子有时还会迂到一些实际问题，如有些使用要求是相互矛盾的。这需要我们抓住主要因素或采取折哀的办法去解决。有时还需要采用测量技术。对性能能满足使用要求的情况下，还要考虑选用价格较低的管子。 下面举一些例子说明：1 首先要了解客户，了解市场行情，做到有的放矢，有的应用只对射线强度测量，就只要求管子有好的坪特性就足够。其他参数只是次要；有的同位素应用仪器和料位计，液位计，只控制通断，对光电倍增管要求比较低，只要在射线作用下给出一定的信号就足够了。2 进行摸索试验针对客户要求，一定要摸索清楚用户要求与管子性能的关系。根据用户某些特殊要求采用合适的工艺，例如有的用户要求使用光电倍增管工作电压比较低（过于偏低，实际上这是误区，在适当的时候应当纠正过来）那么工艺上是否可以适当再用多进一些铯（适当改变锑的厚度）提高管子灵敏度把管子暗电流和稳定性放在第二位，这并不是所有应用场合都可以采用这样的工艺，在强度测量同位素应用仪器方面可以试一试。3 对管子进行分类，做到物尽其用有的管子外观稍微有些缺陷，但其性能较好，我们就可以用这些管子作组合件和探头。有的管子阳极灵敏度比较低（电压偏高）可以改变阳极于末极的分压比的办法。相当于提高了阳极的灵敏度。可以用来做探头，或者用放大倍数为25