PMT基础知识(内部培训资料 演示文稿

1、光电倍增管(有关知识培训) 一 光电倍增管基础知识(工作原理与结构、性能参数、特点与应用) 二 光电倍增管的选择(五项原则、实用例子) 三 光电倍增管的应用技术(分压器设计、输出电路考虑、信噪比提高、工作条件选择等) 四 光的探测(电荷积分法、计数法、能谱分析法、飞行时间法等)光电倍增管基础知识(内部培训资料) 李妙堂编写 2010/11光电倍增管基础知识 1 工作原理与结构 2 性能参数 3 特点与应用 光电倍增管的工作原理光电倍增管的工作原理 光电倍增管是一种真空光电器件（真空管）光电倍增管是一种真空光电器件（真空管）它具有光电转换并具有放大作用的器件。它具有光电转换并具有放大作用的器件。

2、它的工作原理是建立在：它的工作原理是建立在： 1 光电效应（光电发射）光电效应（光电发射） 2 二次电子发射二次电子发射 3 电子光学理论基础电子光学理论基础 它的工作过程是：它的工作过程是：光子通过光子通过光窗光窗入入射到光电阴极上产生光电子，射到光电阴极上产生光电子，光电子通过电子光电子通过电子光学输入系统光学输入系统进入进入倍增系统倍增系统，电子得到倍增，电子得到倍增，最后最后阳极阳极把电子收集起来，形把电子收集起来，形成阳极电流或电压成阳极电流或电压 1 光电效应光电效应 在光线作用下能使电子从物体表面逸出的称外光电效应或者光电发射 。 对于光电发射(外光电效应)它是遵从以下二个基本定

3、律： 斯托夫定律斯托夫定律 当入射光的频谱成份不变时(同一波长的单色光或者相同频谱的光线)，光电阴极的饱和光电发射电流IK与被阴极吸收的入射光的光通量成正比： SK是表征光电发射灵敏度的系数(光电阴极的光照灵敏度)。KKSI 从这一定律出发只要测出光电发射的阴极的电流IK，又知道入射到光阴极的光通量，就能求出光电阴极光照灵敏度。 爱因坦定律爱因坦定律 它阐明了发射光电子的最大动能它阐明了发射光电子的最大动能E与入与入射光频率射光频率(或波长或波长)和光电发射材料逸和光电发射材料逸出功出功(W)之间的关系。发射光电子最大之间的关系。发射光电子最大动能与光的强度无关，随入射光频率动能与光的强度无关

4、，随入射光频率的提高而线性增加，即：的提高而线性增加，即：WhmVEmax22V表示光电子的速度、表示入射光的频率，W表示光电阴极的逸出功(W=EA+EG)。 从以上的理论出发可以得出存在一个临界波长。当光波波长等于这临界波长时，光电子刚刚能从阴极逸出。这个波长通常称为“红限波长”(0)。很明显，在红限时，光电子的初速应该为零，因此：Wh0WWchc/124000 2 二次电子发射的基本原理二次电子发射的基本原理 当足够能量的电子轰击固体表面时，当足够能量的电子轰击固体表面时，就有一定数量的电子从固体表面发就有一定数量的电子从固体表面发射出来。如图所示。射出来。如图所示。二次电子发射面二次电子

5、一次电子基 板 电 极 二次发射过程可以分为三个阶段： (1) 入射电子与发射体中的电子相互作用，一部分电子被激发到较高能级； (2) 一部分受激电子向发射体真空界面运动； (3) 到达表面的电子中，能量大于表面势垒的那些电子发射到真空中 我们称入射的电子为一次电子，发射的我们称入射的电子为一次电子，发射的电子为二次电子。二次电子发射系数电子为二次电子。二次电子发射系数定义为发射的二次电子数定义为发射的二次电子数NS和入射的和入射的一次电子数一次电子数Ne之比：之比：eSNN 光电倍增管结构如图所示。光电倍增管结构如图所示。 一个光电倍增管可以分为几个部分：一个光电倍增管可以分为几个部分： （

6、1）入射光窗、）入射光窗、 （2）光电阴极、）光电阴极、 （3）电子光学输入系统、）电子光学输入系统、 （4）二次倍增系统、）二次倍增系统、 （5）阳极。）阳极。 入入 射射 光光 窗窗 入射光窗是让光通过的部分。是由具有一入射光窗是让光通过的部分。是由具有一定形状、不同透过率的玻璃材料组成。定形状、不同透过率的玻璃材料组成。 端窗光电倍增管的光窗形状根据要求有各端窗光电倍增管的光窗形状根据要求有各种形式：种形式：(a) 球面窗 (b) 凹面窗(c) 多梭镜窗 半球窗(牛眼) 六角形 四角形 让光通过的光窗让光通过的光窗(窗材料窗材料)一般有：一般有： 硼硅玻璃（硼硅玻璃（300nm） 透紫玻

7、璃（透紫玻璃（185nm） 合成（熔融）石（合成（熔融）石（160nm） 蓝宝石(Al2O3)150nm MgF2(115nm) 光电倍增管光谱短波阈由入射光电倍增管光谱短波阈由入射 光窗决定。光窗决定。光窗材料透过率曲线光光 电电 阴阴 极极 光电阴极是接收光子而放出光光电阴极是接收光子而放出光电子的电极。一般分为半透明电子的电极。一般分为半透明（入射光和光电子同一方问）（入射光和光电子同一方问）的端面或四面窗阴极和不透明的端面或四面窗阴极和不透明（入射光的方向与光电子方向（入射光的方向与光电子方向相反）。见图（相反）。见图（2）电子轨迹图。）电子轨迹图。电 子 轨 迹 图 (1) 单碱单碱

8、 Sb-Cs 特点是：特点是： 阴极电阻低，允许强光下有大电流流过阴阴极电阻低，允许强光下有大电流流过阴极的场合下工作）极的场合下工作） ( 2) 双碱（双碱（Sb-RbCs、Sb-K-Cs） 特点是：特点是： 灵敏度较高灵敏度较高 暗电流小暗电流小-热电子发射小）热电子发射小） (3) 高温双碱（高温双碱（Sb-K-Na） 特点是：特点是： 耐高温耐高温-200 (4) 多碱（多碱（Sb-K-Na-Cs）. 特点是：特点是： 宽光谱宽光谱 灵敏度高灵敏度高 (5) Ag-O-Cs多碱多碱 特点是：特点是： 光谱可到近红外、灵敏度低光谱可到近红外、灵敏度低 (6) GaAs（Cs） 特点是：特

9、点是： 高灵敏高灵敏 光谱平坦光谱平坦 强光下容易引起灵敏度变坏）。强光下容易引起灵敏度变坏）。 (7) Cs-I 特点是特点是 日盲，光谱范围是日盲，光谱范围是115200nm，在，在115nm的短波也有高的灵敏度的短波也有高的灵敏度 (8) Cs-Te 特点是：特点是： 日盲、日盲、 阴极面透过型和反射型）阴极面透过型和反射型） 光电倍增管光谱短波阈由入射光电倍增管光谱短波阈由入射 光窗决定。光窗决定。 (9) GaAsP(Cs) 用铯激活的 GaAsP（Cs）晶体主要用于透射型光阴极面。这种光电面在紫外区域几乎不灵敏而在可见光区域具有非常高的量子效率。和其它光阴极面相比，对于强入射光容易

10、引起灵敏度变坏，这点必须注意。 (10) InGaAs(Cs) 这种结构在灵敏度上比GaAs(Cs)更向红外方向延伸，而且在900 nm1000 nm附近的量子效率比Ag-O-Cs好得多 (11) InP/InGaAsP(Cs), InP/InGaAs(Cs) 电场辅助型光阴极面(Field-assisted photocathode)使用了PN结，这种PN结是通过使用InP基板生长InP/InGaAsP,或InP/InGaAs层形成的。电场辅助性光阴极面在研发中采用了我们独有的半导体微细加工技术。在光阴极面上加偏置电压，降低导带壁垒。使得这种结构在到1.4m或到1.7m长波方向的大范围内具有

11、高灵敏度，而目前为止光电倍增管还无法实现如此大范围波长探测。不过，由于在常温下暗电流大，这种光阴极面工作时必须冷却到-60 -80 。电压 (V) 温度 ()光阴极电流与所加电压的关系曲线 阴极电阻与温度关系曲线 我公司生产的我公司生产的PMT的阴极材料主要是：的阴极材料主要是： (1) Sb-Cs (2) 双碱（双碱（Sb-RbCs、Sb-K-Cs） (3) 高温双碱（高温双碱（Sb-K-Na） (4) 多碱（多碱（Sb-K-Na-Cs）电子光学输输入系统电子光学输输入系统 电子光学输入系统由光电阴极和第电子光学输入系统由光电阴极和第一倍增极之间的电极结构一倍增极之间的电极结构(加速极、聚焦

12、极)以及所加的电位构成，它使以及所加的电位构成，它使光电子尽可能多地聚焦在第一倍增光电子尽可能多地聚焦在第一倍增极上。在快速光电倍增管中，还要极上。在快速光电倍增管中，还要求电子光学输入系统使光电子渡越求电子光学输入系统使光电子渡越时间分散最小。时间分散最小。电子光学输输入系统电子光学输输入系统 根据管子使用目的、阴极的形状和尺寸、倍增系统结构，目前有下面几种类型的电子光学输入系统 图(B)所示的这种结构是与百叶窗或盒栅型倍增系统结构配合使用的结构。这里电子光学系统由四部分组成：阴极表面1、与阴极同电位的侧壁金属铝膜2、膜片3和第一倍增极4。膜片上通常有一个方孔或园孔，称为膜孔。 二次电子倍增

13、系统二次电子倍增系统 二次电子发射倍增系统由若干二次电子发射倍增系统由若干倍增极组成（图）。工作时各倍增极组成（图）。工作时各电极依次加上递增的电位。从电极依次加上递增的电位。从光电阴极发射的光电子，经过光电阴极发射的光电子，经过电子光学输入系统入射到第一电子光学输入系统入射到第一倍增极上，产生一定数量的二倍增极上，产生一定数量的二次电子，次电子， 这些二次电子在电场作用下入这些二次电子在电场作用下入射到下一个倍增极，二次电子射到下一个倍增极，二次电子又得到倍增，如此不断进行，又得到倍增，如此不断进行，一直到电子流被阳极收集。一直到电子流被阳极收集。倍 增 极 种 类 倍增极有许多种类，由于它

14、的倍增极有许多种类，由于它的结构、级数等不同而使电流增结构、级数等不同而使电流增益、时间响应特性、线性电流、益、时间响应特性、线性电流、均匀性、二次电子收集效率等均匀性、二次电子收集效率等不同，要根据使用的目的作相不同，要根据使用的目的作相应的选择。下面介绍各种倍增应的选择。下面介绍各种倍增极的特点。极的特点。 一一 环形聚焦型（环形聚焦型（C.C） 1 小型紧凑小型紧凑 2 时间响应特性也好。时间响应特性也好。 代表管型：侧窗型和小型的部分端窗管如代表管型：侧窗型和小型的部分端窗管如R105、 1P21、 R212、 R928、 CR131、 R5610、 R1705、 R980。 二二 盒

15、栅型（盒栅型（BG） 特点：特点： 1 光电子收集效率高光电子收集效率高 2 均匀性好。均匀性好。 代表管型：代表管型：R228 R550 CR110 CR119（R1307） CR105 三三 直线聚焦型（直线聚焦型（L） 特点：特点： 1 时间响应好（快速）时间响应好（快速） 2 时间分辨率好时间分辨率好 3 脉冲均匀性好脉冲均匀性好 代表管型：（端窗管型）代表管型：（端窗管型） R329 R331 R580 CR166 CR115 补偿电极设计补偿电极设计 在直线聚焦结构中，由于电极形状和相对位置的设计，使得电极表面不同点发射的电子几乎具有相等的渡越时间补偿设计，如图所示，从倍增极1上不

16、同点例如A1、B1、C1、D2发射电子到达2时的轨迹是不等长的(A1A2最长，D1D2最短)， 但是从2上这些对应点A1、B1、C1、D2 进一步发射的电子，到达3正好相反 A2A3最短， D2D3最长。这种较长和较短的轨迹交替结果，使得总的渡越时间差减小。 加速杆的直线聚焦结构加速杆的直线聚焦结构 带加速杆的直线聚焦结构如下图。是一般直线聚焦结构的改进，在倍增系统中插入的加速杆有很高的电位。 例如倍增极4前的加速杆连接到6上，而与6同电位，因而增强了4的表面电场。而且，电极有效工作区只限于弧面部分，因此，加速杆实际上几乎不截获电子，也不会对于下一个电极发射电子产生不良影响 四四 百叶窗型（百

17、叶窗型（VB） 特点特点 1第一倍增极的有效面积大，易制成较大阴第一倍增极的有效面积大，易制成较大阴极的极的PMT 2 耐磁牲好、耐磁牲好、 3 输出电流大、输出电流大、 4 增益高增益高 代表管型：代表管型：R1513 R887 EMI9635QB等等 五五 细网型（细网型（FM） 特点：特点： 1 耐磁性能好（强磁场下工作）耐磁性能好（强磁场下工作） 2 均匀性好均匀性好 3 倍增极短、平行电场、具有位置探测功倍增极短、平行电场、具有位置探测功能。能。 代表管型：代表管型： R3432-01 R2490-05 R5064 R4721及细网型的多阳极的及细网型的多阳极的PMT（H4139 4

18、140-01）等）等 六六 MCP（Microchannel微通道板）微通道板） 特点是：特点是： 好的时间响应（好的时间响应（0.1-0.3ns） 小型高增益、小型高增益、 强磁场下工作、强磁场下工作、 二维高空间图像分辨率二维高空间图像分辨率 对带电粒子、紫外线、对带电粒子、紫外线、X射线、射线、 r射线、中子都很灵敏、射线、中子都很灵敏、 低电耗、小型、重量轻低电耗、小型、重量轻 代表管型：代表管型： R2809U R2024 R2566等等 七 金屬通道型金屬通道型Metal Channel type(Mc) 金屬通道型是用机械加工的技术制造出紧凑阳极结构，各个倍增极间狭窄通道空间，使

19、其比任何常规结构的光电倍增管可以达到更快的时间响应速度(0.61.4ns)。并可适应于位置灵敏探测。 代表管型有：R5900U-01、R5900U-00L-16。 总结：总结： A 从时间响应看从时间响应看：倍增系统通常可分为慢响应(上升时间约为1020ns)、快响应(上升时间约为14ns)、和超快速响应(上升时间1ns)等三类。盒栅型(BG)和百叶窗型(VB)等均屬于第一类；环形聚焦(CF)和直线聚焦(LF)一般屬于第二类；微通道板型(MCP) 屬于第三类。 B 从线性电流看从线性电流看：细网型结构的输出线性电流大(3001000mA)、其次是微通道板型结构(700mA)、直线聚焦型结构(1

20、0250mA)、输出线性电流最小的是盒栅型和环形聚焦结构。 C 从收集效率看：从收集效率看：收集效率最高的是盒栅型结构，其次百叶窗型结构。 D 从增益看：从增益看：百叶窗型结构级数可以任意改变，以适应不同增益的要求。不同结构的电子运动轨迹不同结构的电子运动轨迹( a)百叶窗型(VB)；(b)盒栅型(BG)；(c)线性聚焦型(LF)；(d)环形聚焦(CF)；(e)细网型(FM)；(F)金属薄片型 道数 不同倍增极结构的单电子谱每道计数率mA 不同倍增极结构的线性电流变化率% 电场(Tesla)x10-4不同倍增极结构管子的磁场效应 X轴 Y轴. Z轴倍增极类型：BG盒栅型 、LF线性聚焦型、VB

21、百叶窗型、 CF环形聚焦型倍增极材料要求 对倍增极（二次电子发射）材料的要求是：对倍增极（二次电子发射）材料的要求是： 足够大的二次发射系数足够大的二次发射系数 热电子发射小热电子发射小 工作稳定性好工作稳定性好 对高温光电倍增管中，还要求倍增对高温光电倍增管中，还要求倍增极高温性能好。极高温性能好。倍增极材料 目前常用的倍增极的倍增极材料有：目前常用的倍增极的倍增极材料有： 锑锑-碱（碱（Sb-Cs Sb-K-Cs） 多碱化合物多碱化合物(NaKSbCs) 铜铍合金（铜铍合金（Cu-Be） 磷化镓（磷化镓（GaP） 磷砷化镓（磷砷化镓（GaAsP）等。）等。一次电子的加速电压(V)二次发射系

22、数与一次电子加速电压的关系曲线二次电子发射系数 锑碱化合物用作二次发射体是成功的。但是在制作光电阴极和倍增极工艺条件不可能相同，因而对阴极合适的化学成分的组成，未必就完全适合二次发射体的化学成分的组成。 锑碱化合物存在一些缺点：必须在较高的真空中生成和保存，一旦暴露在空气中，锑碱化合物立即遭到破坏；工作或存放温度太高时(如100以上)，化合物会出现分解现象；电流密度超过100mA/cm2时，稳定性会变差。 多碱阴极(S-20)的典型化学组成是Na2KSb-Cs。这种化合物的二次发射系数很大。但是在光电倍增管制造过程中，要使每个倍增极上的发射体表面同时具有严格的化学组分是比较困难的。所以工艺要严

23、格控制 。 多碱阴极(S-20)的典型化学组成是Na2KSb-Cs。这种化合物的二次发射系数很大。但是在光电倍增管制造过程中，要使每个倍增极上的发射体表面同时具有严格的化学组分是比较困难的。所以工艺要严格控制。 合金材料(如Mg-Ag、Cu-Be) 合金材料在未经铯敏化时，其发射层在空气中是比较稳定的，在大电流轰击下，合金表面比锑碱化合物也有更好的稳定性，另外，温度稳定性好。因此对于较大脉冲电流的的快速光电倍增管和高温光电倍增管，往往都采用合金倍增极。 阳 极 阳极是最后收集电子，并给出电阳极是最后收集电子，并给出电信号的电极。信号的电极。 其要求是：其要求是： 与未级倍增极之间有最小的极与未

24、级倍增极之间有最小的极间电容间电容 允许有较大电流密度允许有较大电流密度 其结构有：其结构有： 栅网状栅网状 窄缝部窄缝部(棒状棒状)阳极结构阳极结构 (b) 棒状阳极结构 (a)栅网状的阳极结构 最简单又最常用的栅网状阳极，优点是： (1)恒流源特性。 阳极可以尽量靠末级倍增极，因此，在很低的阳极（对末级倍增极而言）电压下，阳极就能把末级倍增极发射出的二次电子收集过来。从很低的阳极电压开始，阳极电流就不随阳极电压而变化。 (2) 减少空间电荷效应，增大输出线性电流。 (3) 减小阳极和其他电极之间的电磁耦合 但是栅网状阳极也存在二个基本缺点： 第一，阳极截获一部分来自末前级倍增极的电子(约1

25、0%20%)使最后一个倍增极的电子收集效率降低； 第二，末级发射的电子与一次电子逆向飞行，其中一部分二次电子不是立即为阳极所接收，而是穿过网孔，在拒斥场中减速飞行。当电子的动能减小到零以后，再折回来到达阳极，或穿过阳极缝隙重复上述过程，这就所谓产生“电子振荡电子振荡”。 棒状阳极结构是由一个圆柱和一块平板组成，中间有一个窄缝，允许末前级的一次电子穿过(见图)。圆柱可以做得很大，它不载获一次电子而又能有效地收集来自末级的电子。这种结构基本上消除了栅网状阳极的截获电子和振荡等缺点。这种结构还很容易设计成同轴输出结构，以保证与负载有好的阻抗匹配。性 能 参 数 光电倍增管的参数和特性是评价管子性能的

26、主要标志。 光电倍增管的工作过程是一个光电转换、电子倍增和信号输出在内的复杂物理过程，需要用多种参数表征其工作的特性。 光电倍增管品种繁多，应用广泛，需要用许多参数来表征其品种和使用要求。 例如： 为了鉴别光电倍增管的弱光探测能力，常常用暗电流和“信噪比”作为挑选管子的主要参数；在直流法测光时，又常常用暗电流等效输入表征管子“灵敏阈灵敏阈”；在光子计数测光应用中单光子谱和噪声谱是一个关键特性；在各类能谱仪中，幅度分辨率、等效噪声能当量更具有实际意义；在低本底液闪计数中，符合本底计数引起人们的关注。在这些参数之间，本质上有一定对应关系， 例如： 137Cs+NaI(Tl)组合件的能量分辨率就与光

27、电倍增管的蓝光灵敏度有一定关系，但有些则互不相关。总之，由于我们不能用一类参数来表征几种不同的物理过程，也不能用一种参数来表征诸方面的使用要求，因此，适当将光电倍增管的参数进行分类是必要的，也是有益的。 光电倍增管的参数和特性可分为三类： 基本参数 应用参数和特性 运行特性（有时候，人们根据光电倍增管测试时的状态不同，分为直流参数、脉冲参数和特性及例行特性）。 基本参数是光电倍增管质量最本质的反映，它们常常与管子的工作机理、结构特征、材料性貭和制造工艺等紧密相关。 阴极光照灵敏度、 辐射灵敏度、 量子效率、 阳极灵敏度、 电流放大倍数（增益）、 暗电流 光谱响应等 应用参数和特性与光电倍增管的

28、应用方法和探测对象有关。它通常反映某种应用的特殊要求 。 脉冲幅度分辨率 噪声能当量 计数坪特性 光子计数中的暗噪声计数 单电子分辨率和峰谷比 运行特性与光电倍增管的工作条件、工作环境有关，它通常表征光电倍增管所能承受的外部条件的限制和管子本身的使用极限 。 温度特性 稳定性、 最大线性电流、 抗磁干扰特性和抗冲击振动特性 一一 灵敏度灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管的重要参数。灵敏度一般分为辐射灵敏度和光照灵敏度。辐射灵敏度定义为：光电倍增管的输出的光电流除以入射辐射功率所得的商，通常用mA/W 或A/W表示。 光照灵敏度定义为：光电倍增管输出光电流除以入射光通量所得的商，通常以A/1m或A/

29、1m表示。 光电阴极的灵敏度一般用光照灵敏度表示，有些运用场合（如闪烁计数）更需要用蓝光灵敏度表示，因为它与闪烁计数使用的闪烁体发射光谱非常相近， 在分光光度计应用中需要探测近红外的光谱，常采用红光灵敏度或“红白比”表示 阴极光照灵敏度测试系统如图 阴 极 灵 敏 度 的 测 试 系 统 阳极光照灵敏度同样可按下面测试系统进行测量 。阳 极 灵 敏 度 测 试 系 统测量阳极光照灵敏度有两种方法： 一种是固定阳极输出电流，测阳极电压； 一种是固定阳极电压，测阳极电流。 二二 量子效率量子效率 量子效率定义为：量子效率定义为：(在给定辐射波长下在给定辐射波长下)阴极阴极发射的光电子数与入射光子数

30、的比值。这发射的光电子数与入射光子数的比值。这个值通常以百分数表示，可按下式进行计个值通常以百分数表示，可按下式进行计算：算： QE=SK1240/100%. 这里SK是给定波长下的辐射灵敏度，单位为mA/W，为波长,单位为nm. 例如：R1307光电倍电管，其峰值波长为420nm，阴极辐射灵敏度为95mA/W，那么量子效率为： QE=9510-31240/420=28% 三三 光谱响应光谱响应 光电阴极的光电发射是选择性的光电效应，长波响应截止波长由光电阴极材料的性质决定，而短波阈主要决定于窗材料。不同的窗材料和光电发射层有不同的光谱响应曲线，见图。就是同一类型的管子，其光谱响应曲线也因制造

31、工艺不同而在极大范围内变化。波长(nm)透射式光阴极反射式光阴极波长(nm) 四四 电流放大倍数（增益）电流放大倍数（增益） 光电倍增管的电流增益是光电倍增管的阳极输出电流与光阴极的光电流的比值。在理想情况下，假定每个倍增极的平均二次发射倍数为，具有n个倍增极光电倍增管的电流增益为n。一般说来，二次发射系数要由下式给出： =A.(VD) 这里A为一常数，VD为极间电压，为倍增极材料及其n个结构决定的系数，的值一般介于0.70.8之间。 这样，具有n个倍增极，当阴极与阳极间加入电压为V，光电倍增管的电流增益表示为： G=n=A(VD)n=A.(V/ n+1) n =An/(n+1)n Vn=KV

32、n 这里K=An/(n+1)an，由上式可知，电流增益与工作电压的an次方成正比。工作电压(V) 增益与工作电压的关系曲线 增益阳极光照灵敏度A/lm增益的测试方法 方法一方法一 首先，在足够弱的光通量下测定某一规定电首先，在足够弱的光通量下测定某一规定电压下的阳极电流压下的阳极电流IA，然后使光通量增强，然后使光通量增强M倍倍(一般是去掉一些中性减光片和改变光源与一般是去掉一些中性减光片和改变光源与光电倍增管的距离，但不改变光源的光谱光电倍增管的距离，但不改变光源的光谱分布分布)，测定阴极电流，测定阴极电流IK；于是电流增益可；于是电流增益可按下式进行计算：按下式进行计算： MIIGKA 方

33、法二方法二 首先，选择入射光通量并降低工作电压，使得刚好能测出阴极电流IK1；与此同时，测定阳极电流IA1，该阳极电流是阴极电流某一倍数(例如1000倍)。其次减弱光通量某一适当的倍数(加适当的中性滤光片)，并测定较小的阳极电流IA2。然后，在入射光通量不变情况下，把高压升高到正常值，再一次测定阳极电流IA3。这样，电流增益可按下式计算： 式中： IK1、IA1分别为低工作电压下的阴极电流与阳极电流； IA2同一工作电压下，光通量减弱到正常值时的阳极电流； IA3同一弱光通量下工作电压升高至正常值时的阳极电流。 注意：阴极电流和阳极电流互成比例。1321KAAAIIXIIG 方法三方法三 也是

34、最复杂的方法。调节光通量和电压分别测出每一个倍增极的二次发射系数：1、 2、.N，那么增益： G=12.n 方法四方法四 最方便简单的方法就是分别测出阳极光照灵敏度SA与阴极光照灵敏度SK，然后利用下式计算出来，即： KASSG/ 方法五方法五 电子枪法。此方法适用于合金材料(Cu-Be)。 利用电子枪产生原电子流，垂直轰击待测材料制作的靶面，由此得到二次电子，并被收集极收集，其工作原理如图所示。收集极所收集到的电流值与入射靶面的原电流值之比，即为材料的二次电子发射系数。 K电子枪阴极； M调制极； A1、A2阳极 D靶； C收集极电子枪法测量二次电子发射系数的电路 五五 暗电流暗电流 当光电

35、倍增管无光照射时（严格说来完全隔离辐射时）所产生的电流称为暗电流。工作电压 (V) 暗电流与工作电压的关系曲线 如图可见，暗电流随工作电压的关系可分为三个部分：a区(低压区)主要是漏电流；b区(中压区)主要是热电子发射；c区(高压区)主要是场致发射，玻璃及电极支撑材料的发光。 一般说来，引起暗电流有如下几个原因：一般说来，引起暗电流有如下几个原因： 欧姆漏电欧姆漏电 欧姆漏电主要是指管内漏电和管外漏电。欧姆漏电主要是指管内漏电和管外漏电。管壁玻璃表面（包括芯柱）管座、管基上管壁玻璃表面（包括芯柱）管座、管基上的电阻漏电，即所谓的电阻漏电，即所谓“管外漏电管外漏电”。而管。而管子在制造过程中还有

36、一些碱金属蒸汽附凝子在制造过程中还有一些碱金属蒸汽附凝在绝缘支架上，形成在绝缘支架上，形成“管内漏电管内漏电”。欧姆。欧姆漏电通常比较稳定，因而它对暗电流噪声漏电通常比较稳定，因而它对暗电流噪声的贡献是小的。管子在低电压工作时欧姆的贡献是小的。管子在低电压工作时欧姆漏电为暗电流的主要成分。漏电为暗电流的主要成分。 热电子发射热电子发射 由于光电阴极和倍增极的材料具有较低的逸出功，即使在室温下也有一定的热电子发射，与阴极光电子一样被倍增。在管子正常工作条件下，阴极的热发射是暗电流的最主要成分。这种热发射的电流对非常弱的光信号探测显得极为重要。 热电子发射的效应可由理查(W.Richardson)

37、公式表示：kTeSeATi/4/5 式中，：功函数 、T：绝对温度，e：电子电荷、 A：常数、：玻耳兹曼常数 热发射电子和光电子一样经过倍增系统倍增。因为增益通常随电压增加而指数增加，热发射电流也隨电压增加而指数地增加，或者说，热发射电流的对数值正比于工作电压。 目前，好的双碱阴极，室温的热发射可以达到几个电子/cm2S。各种阴极材料的热发射密度典型值和各种光电倍增管的阳极暗电流与温度的关系可见图。温度 ()光电倍增管阳极暗电流与温度关系曲线 冷却光电倍增管是减小热电子发射效应的有效方法，如锑铯阴极的管子从室温25冷却到0时，能使暗电流的热发射成分减到1/10。常用阴极除Ag-O-Cs以外所有

38、阴极，其暗电流的热发射成份在冷却到-20，实际上已消除，再往下冷却，已没有显著效果。 另外，在无需大面积阴极的情况下，可采用“磁散焦技术磁散焦技术”控制管子有效面积，对减小热发射造成的暗电流是有效的。 残余气体电离（离子反馈）残余气体电离（离子反馈） 场致发射场致发射 玻璃发光玻璃发光 当电子脱离预定轨道飞出，打在玻璃壳时当电子脱离预定轨道飞出，打在玻璃壳时会产生辉光（玻璃荧光）并导致暗电流增会产生辉光（玻璃荧光）并导致暗电流增加。当金属屏蔽与玻璃壳接触时（负高压加。当金属屏蔽与玻璃壳接触时（负高压使用），金属屏蔽与管壳表面之间会产生使用），金属屏蔽与管壳表面之间会产生放电，引起暗电流增加和工

39、作不稳定。解放电，引起暗电流增加和工作不稳定。解决的方法，可以使用正高压，或者采用滨决的方法，可以使用正高压，或者采用滨松公司在光电倍增管玻壳上涂敷导电层并松公司在光电倍增管玻壳上涂敷导电层并与阴极同电位的所谓与阴极同电位的所谓“”涂层加以解涂层加以解决决 契伦柯夫光子契伦柯夫光子 光电倍增管的窗材料可能含有少量钾（也有少量的镭和钍），它衰变时产生粒子；另外宇宙射线中的介子它们穿过窗时，产生契伦柯夫光子，从而引起暗电流。暗脉冲的大幅度闪烁脉冲就是由于这个效应引起的。虽然用石英窗的管子可以大大克服这个效应，由于外来宇宙射线和辐射的影响，这个效应仍然不能完全消除。 暗电流表示方法：暗电流表示方法：

40、 直流表示直流表示 暗电流等效光输入暗电流等效光输入 有时为了方便选择工作点和便于了解所选择的光有时为了方便选择工作点和便于了解所选择的光电倍增管能探测到最弱的光强电倍增管能探测到最弱的光强(光通量光通量)，又常用，又常用等效阳极暗电流光输入等效阳极暗电流光输入EADCI(Equivaient Anode Dark Current Input)来表示。把暗电流转来表示。把暗电流转换成与阳极暗电流相等的阳极电流所必须的入射换成与阳极暗电流相等的阳极电流所必须的入射光通量，用流明光通量，用流明(lm)或瓦特或瓦特(W)来表示，所以可以来表示，所以可以用下面式子计算出来用下面式子计算出来 EADCA

41、I(lm)=暗电流暗电流(A)/阳极光照灵敏度阳极光照灵敏度(A/lm) 暗电流等效噪声暗电流等效噪声 暗电流等效噪声一般用暗电流等效噪声一般用相关的均方根散粒相关的均方根散粒噪声表示。噪声表示。 e是电子电荷；f是测量仪器的带宽 ； G管子的增益；Id是暗电流2/1)2(feiGIDr 六六 时间特性时间特性 为了表征光电倍增管的时间特性，一般采为了表征光电倍增管的时间特性，一般采用：用： 脉冲上升时间、脉冲上升时间、 脉冲响应宽度、脉冲响应宽度、 渡越时间渡越时间 渡越时间分散（渡越时间分散（TTS）时间分辨率等时间分辨率等参数表示。参数表示。 对于光电倍增管时间特性测量必须建立合适的测试

42、装置。需要解决三大问题： 1 光源获得光源获得(光脉冲的持续时间比待测光电倍增管输出脉冲的持续时间窄得多最大为1/3的光源。而可用光源有： 发光二极管发光二极管(LED)光源光源。典型的上升时间可达500ps。T1.T2采用2SC1254可达100MHz 火花光源火花光源(水银浸湿开关火花光源水银浸湿开关火花光源)其上升时间约为500ps。但常带有指数型尾巴 气体放电光源气体放电光源(氢灯、氮气灯氢灯、氮气灯)。 锁模激光光源锁模激光光源。HeNe激光器(633nm)的脉冲宽度约为1ns，Ar激光器(588nm和514nm)的脉冲宽度约为250ps；而Nd：YAG激光器的脉冲宽度约为1ps50

43、ps)。而Nd：YAG激光器是快速PMT的时间测量最为有用的光源 快闪烁光源快闪烁光源由核辐射源和快的塑料闪烁体组成的光源，典型的上升时间为400ps，下降时间约为1.5ns 2 分压器设计分压器设计 3 信号输出的连接方式信号输出的连接方式 阳极脉冲上升时间是当管子由非常短闪光（函数光源）照射时，从输出脉冲前沿峰值的10%上升到90%所需的时间。上升时间测试原理方框图如图所示。上升、下降、渡越时间示意图上 升 时 间 测 试 原 理 方 框 图 渡越时间是指光脉冲闪光到达阴极的瞬间与管子输出脉冲上升到一定数值的瞬间（例如输出脉冲前沿半幅度处的时刻）两者之间的时间间隔 。渡越时间测试原理方框图

44、 倍增极结构 渡越时间(ns) 上升时间(ns) 渡越时间分散(ns) 百叶窗型(VB) 40110 815 2.25.7 盒栅型(BG) 5080 1218 4.26.4 环形聚焦(CF) 2035 1.52.5 0.51.0 直线聚焦(LF) 2055 1.82.7 0.51.2 5(ns)/格 工作电压 (V) 时间响应特性与电压关系曲线 R943输出波形 七七 线性电流线性电流 线性电流是表征光电倍增管的阳极输出电流与入射光通量的关系。一般定义为偏离10%时的电流为线性电流 输出电流与入射光通量的线性曲线 脉冲输出电流 线性电流的大小： 与管子结构类型 工作电压 分压器设计等有关。 破

45、坏线性关系的来自两个方面： 在线性低端：即输入信号很弱时受到光电倍增管的暗电流干扰；这决定了光电倍增管所能探测的最低信号。 在线性高端：即输入信号很强时受到各种因素的影响 通常由下面的几个因素引起： A光电阴极的电阻效应。 B 分压效应，即分压器网络不能提供足够的电流来维持管子的倍增极和其它电极处于恒定的工作电压。 C空间电荷效应 光电倍增管的线性电流测量有： 直流法(采用直流光源，一般用 LED或钨丝灯泡) 脉冲法(脉冲光源) (1) 直流法直流法 通过快门选择求出不同快门开启状态下与阳极电流的关系，如图所示。 在光源和光电倍增管之间安装有4个带快门的缝隙，按1，2，3，4的顺序开启缝隙及将

46、4个全部开启。分别测出打开各个快门及4个快门同时打开时相应的光电倍增管的输出电流I1， I2， I3，I4，I0。然后求出(I1+ I2+ I3 +I4)和I0的比。%1001/43210IIIII该值表示偏离线性的大小，如果是线性，则I0= I1+ I2+ I3 +I4，该值为零，即没有偏离 线性。 (2) 脉冲法脉冲法(偏振片法偏振片法) 测试方框图如图所示。测试时旋转偏振片测试方框图如图所示。测试时旋转偏振片组的角度调节入射到光阴极的光通量，并组的角度调节入射到光阴极的光通量，并且测出相应的输出脉冲电流，然后作出输且测出相应的输出脉冲电流，然后作出输出电流与相应光通量的关系曲线，脉冲输出

47、电流与相应光通量的关系曲线，脉冲输出电流偏离该曲线的外推直线达出电流偏离该曲线的外推直线达10%时的时的电流即为最大线性电流。电流即为最大线性电流。 (3) XY示波器法示波器法 测试方框图如图所示。工作在低光通量的的光电倍增管应选用快速管，使在低光通量下输出波形不会畸变。此外，要将示波器的X轴和Y轴的灵敏度分别调节到合适的值。 (3) XY示波器法示波器法 测试方框图如图所示。工作在低光通量的的光电倍增管应选用快速管，使在低光通量下输出波形不会畸变。此外，要将示波器的X轴和Y轴的灵敏度分别调节到合适的值。 线性电流测试方框图(XY示波器法) 当两个光电倍增管的脉冲幅度完全成比例时，在示波器上

48、观察到一条直线，当脉冲输出电流偏离外推直线达10%时的电流值即为最大线性电流。 八八 稳定性稳定性 在闪烁计数和光度学测量中，光电倍增管的稳定性是非常重要的。尤其是甄别接近于相等能量的核衰变所产生的全吸收峰，光电倍增管的稳定性是必须认真考虑的一个参数。它与管子的工作电压、阳极与末极电压、阳极输出电流大小、工作时间、休息时间、工作前管子的经历、倍增极的材料及制造工艺有关。 实验证明：光电倍增管输出信号随工作时间变化表现为两个过程，所不同的只是过程的“建立时间”不同而已，而以后都表现为稳定而平衡的工作状态。光电倍增管阳极电流隨时间变化曲线 要使光电倍增管处于比较稳定的工作状态，必须对光电倍增管进行

49、“老化老化”。老化可以改善光电倍增管的稳定性。但是，稳定性的改善程度与老化电流、老化时间及制造工艺有关。同时也可以进行“预热处预热处理理”(亚工作状态，即小信号下工作)，这也能达到提高稳定性的目的，见图。建议最好在光电倍增管工作30分钟后再取数据，并也可以采用稳定技术，例如“稳峰技稳峰技术术”。老化前后的稳定性比较图 预热前后的稳定性比较图相对阳极电流相对阳极电流 第一过程是“快变化”过程。其建立时间一般有几十分钟到几小时。 第二过程是“慢变化”过程。它与倍增极的二次发射系数随时间很慢变化相联系。 在强调稳定性工作的场合，建议平均阳极电流最好在1A或更低。 九九 脉冲参数脉冲参数(应用参数应用

50、参数) 1 脉冲幅度分辨率脉冲幅度分辨率 脉冲幅度分辨率是表示光电倍增管在光(脉冲光或闪烁光)照射下，其输出的脉冲幅度谱上所研究的峰的半宽度P与峰值脉冲幅度P的比值，见图。即：PPRPP 幅度分辨率一般有下面几种表示方法： (A) 闪烁探测器NaI(Tl)对辐射源(137CS)的幅度分辨率 这种分辨率主要是光阴极的量子效率、光电子的收集效率和空间均匀性以及闪烁体分辨率的函数。即： 这里RS表示闪烁体固有分辨率、RP是光电倍增管的固有分辨率，两者均与射线能量有关。222)(SPRRER 测试方框图如图所示。137CS辐射源直接置于闪烁体入射窗中心，用硅油将它与待测光电倍增管进行光耦合。NaI(T

51、l)闪烁体的直径和厚度最好与光阴极直径近似相等。 闪烁探测器幅度(能量)分辨率测试方框图 (B) 固有幅度分辨率 固有幅度分辨率测试方框图如图所示。采用合适的脉冲光源，例如LED光源。其入射到光阴极的光子数可通过减光器和偏振片组调节，使其输出脉冲分布的峰值与137CS- NaI(Tl)产生的全能峰的峰位一致(在相同道数上) 。光电倍增管固有幅度分辨率测试方框图 (2) 坪特性坪特性 坪特性是光电倍增管在光子计数和闪烁计数测量中的一个应用参数。它是表征在光子数一定时，在一定甄别阈电压下，在计数电路中测得的计数率随光电倍增管的高压变化的特性。在某一区域内，其计数率基本上不随高压的变化而改变，如继续

52、增加高压时，计数率就迅速增加，我们把这一特性称之为光子计数器的坪特性（闪烁计数器的坪特性）如图所示。 电压 (V) A点为坪的起点，B点为坪的结束，AB区被称作坪区。 为了表征光子计数器的坪特性，通常采用坪长、坪斜二个参数。如图(3-216)所示，以VB和VA分别表示坪两端电压，以NB和NA分别表示坪两端处的计数率，则： VBVA 表示坪长 表示坪斜ABABVVNNN1 很显然这个坪特性与 光电倍增管的阳极灵敏度(增益)、 与暗电流相关的噪声有关。如图所示。一般说来，光电倍增管增益低、噪声小坪就长。 不同阳极光照灵敏度(增益)的坪曲线 不同噪声能当量的坪曲线不同温度的坪曲线 十十 滞后效应滞后

53、效应 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输出不稳定过程。在达到稳定状态之前，输出信号会有些微小的过脉冲或欠脉冲现象。是光滞后、电压滞后的波形图。光 滞 后电 压 滞 后 十一十一 均匀性均匀性 均匀性是指入射光射到光阴极不同位置时均匀性是指入射光射到光阴极不同位置时的输出灵敏度变化。的输出灵敏度变化。 均匀性测试是用小光点(1mm)在光阴极面上二维方向扫描时输出电流变化，一般用坐标(X、Y)图来表示。测试系统如图所示。 均 匀 性 测 试 系 统 均 匀 性 与 波 长 的 关 系 光 电 倍 增 管 均 匀 性 曲 线光电倍增管的特点 高灵敏度(增益可达10

54、6107)，可进行单光子测量。 能输出大的信号电流(脉冲电流可达几百mA) 快速响应(脉冲上升时间可达1ns，甚至可达几十ps。目前最快的光探测器。 既可以探测光，又可以探测射线 波长范围宽(真空紫外110nm近红外) 大的受光面积(对于不同使用目的，可选 择1075mm的受光面，最大直径20”。 可在高温下工作(最高工作温度可达200)。 内部高内阻，分布电容小，是理想的恒流源。一光电倍增管的应用 光电倍增管是将光转变为电信号并具有放大作用(增益为104107)的电真空器件。它具有低噪声、高增益、快速响应。可以说光电倍增管是一种理想的低噪声、宽频带、高增益的放大器。由于光电倍增管具有这些特性

55、，使其在天文、地理、地质、物理、化学、生物、医学、考古学等领城中获得越来越广泛的应用；在科学研究、军事技术和工农业生产中起着日益重要的作用。 光电倍增管应用非常广泛，可以说凡是有光的地方，大多数探测射线的场合，或者说同位素应用的场合，都会用到光电倍增管，利用光子技术要做的事是无穷无尽的。光电倍增管在光分析仪器、医疗仪器、环境监测、微弱光检查、工业检查(射线探测仪器-同位素应用仪器)、高能物理等领城中得到广泛应用。 下面从光的测量和射线深测方面简略的介绍光电倍增管的应用。 一一 光度测量和光谱分析光度测量和光谱分析(光分析仪器光分析仪器) 光密度计和采色密度计光密度计和采色密度计 采色扫描仪的结

56、构示意图 荧光分光光度计荧光分光光度计 利用可见和紫外光照射物质，使其发出比照射光的波长更长的光。该发光机理如下图(3-289)所示，把这种光称为荧光。测出发光的强度、光谱、就可对物质进行定量定性分析。 光吸收分光光度计光吸收分光光度计(紫外、可见、红紫外、可见、红外分光光度计外分光光度计) 釆用两种光源：钨丝灯釆用两种光源：钨丝灯(可见光和红外光可见光和红外光)、氢灯氢灯(提供紫外区光辐射提供紫外区光辐射)与光密度计一样测与光密度计一样测出消光值：出消光值：logp0/pt。根据下式求得所测。根据下式求得所测物质的浓度物质的浓度C。 式中：式中：为消光系数，由标准溶液标定。为消光系数，由标准

57、溶液标定。l为为光穿过样品池的厚度。光穿过样品池的厚度。tpplc0log(a) 吸收光度法原理图 (b) 分光光度计的构成图 原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计 原子吸收分光光度计工作原理与分子吸收分光光度计相似。只不过一个是分子吸收光谱，一个是原子吸收光谱。光源采用相应的空心阴极元素灯，采用两种加热方法：“火焰化”、“石墨炉加热法”。原子吸收分光光度计装置光学系统图 一体化原子吸收光谱仪外形图 二二 微弱光测量微弱光测量 发光免疫法发光免疫法 使用化学发光物质和生物发光物质作为标使用化学发光物质和生物发光物质作为标记物，用各种方法使最后剩余的抗原体复记物，用各种方法使最后剩余的抗原体复合物里含有这些标记物发光，再用光电倍合物里含有这些标记物发光，再用光电倍增管来探测这些光。化学发光发应式见图。增管来探测这些光。化学发光发应式见图。 化学发光反应式光子计数原理方框图 光子计数法和电流法(扩大线性)原理方框图 内置微处理器线性校正光子计数电路原理图 三三 生命科学生命科学 DNA分析分析 这是对从细胞分离出来的这是对从细胞分离出来的DNA进行译读的仪器。进行译读的仪器。图图(3-3044)是是DNA定序分析原理图。分离出来的定序分析原理图。