光电倍增管原理、特性与应用

1、p综述光电倍增管原理!特性与应用安徽阜阳药检所仪器室武兴建安徽阜阳制药厂仪器室吴金宏P r inci p l e,Characte r is tics and A pp l ica t ion of Photoe l e ctr icMa g nif ica t ion Tube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文中以北京滨松光子技术有限公司生产的系列产品为代表介绍光电倍增管的一般原理!使用特性及其应用并特别给出了在各种应用领域所适用的光电倍增管的型号关键词光子技术光电倍增管使用特性分类号文献标识码文章编号“过电压限制为防止功率管的集电极过电压击穿”专门设计了过

2、电压门限电路可通过外接分压电阻!来确定过电压的门限值“”停转断电保护当负载断电时”内部的停转断电保护电路立刻关断外接的功率管其阈值可通过分压电阻!来调整”小结电子点火系统在现代汽车电子系统中有着广泛的应用用”专用集成电路可构成高能电子点火器应当注意的是在使用中应合理选择工作点的参数以利提高电子点火系统乃至汽车发动机的可靠性收稿日期咨询编号”概述光电子应用技术是一门新兴的高新技术当前还处于发展阶段相信它在世纪必将有重大创新并迅速崛起光电子技术产业也必将发展成为一种新兴的知识经济从而在新兴技术领域形成巨大的生产力光电倍增管-是光子技术器件中的一个重要产品它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测

3、器件可广泛应用于光子计数!极微弱光探测!化学发光!生物发光研究!极低能量射线探测!分光光度计!旋光仪!色度计!照度计!尘埃计!浊度计!光密度计!热释光量仪!辐射量热计!扫描电镜!生化分析仪等仪器设备中光电倍增管的一般构造光电倍增管是一种真空器件它由光电发射阴极光阴极和聚焦电极!电子倍增极及电子收集极阳极等组成典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型图所示为端图 端窗型光电倍增管的剖面图窗型光电倍增管的剖面结构图其主要工作过程如下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倍增放大然后把放大后的电子用阳极收集作为信号

4、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“光电倍增管的类型“按接收入射光方式分类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侧窗型光电倍增管系列是从玻璃壳的侧面接收入射光而端窗型光电倍增管系列则从玻璃壳的顶部接收入射光图和图“分别是侧窗式光电倍增管和端窗式光电倍增管的外形图在通常情况下侧窗型光电倍增管系列的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大部分的侧窗型光电倍增管使用不透明光阴极反射式光阴极和环形聚焦型

5、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端窗型光电倍增管系列也称顶窗型光电倍增管其价格一般在千元以上它是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端窗型光电倍增管的特点是拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极另外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“按电子倍增系统分类光电倍增管之所以具有优异的灵敏度高电流放大和高信噪比主要得益于基于多个排列的二次电子发射系统的使用它可使电子在低噪声条件下得到倍增电子倍增系统包括*极的叫做打拿极或倍增极的电极现在使用的光电倍增管的电子倍增系统有以下类环形

6、聚焦型环型聚焦型结构主要应用于侧窗型光电倍增管中其主要特点是结构紧凑和响应快速盒栅型这种结构包括一系列的”圆柱形的倍增极并因其具有相对简单的倍增极结构和良好的一致性而被广泛应用于端窗型光电倍增管中但在某些应用场合它的时间响应略显缓慢直线聚焦型直线聚焦型光电倍增管以其极快的时间响应而被广泛应用于对时间分辨率和线性脉冲要求较高的研究领域以及端窗型光电倍增管中图“ 端窗型光电倍增管 图侧窗型光电倍增管图”端窗型双碱阴极光电倍增管典型光谱响应曲线百叶窗型百叶窗型结构的倍增极可以较大能够应用于大阴极的光电倍增管中这种结构的一致性比较好有大的脉冲输出电流多应用于对时间响应要求不高的场合细网型该结构有封闭的

7、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阳极结构输出的情况下还具有位置灵敏的特性微通道板-型-微通道板型光电倍增管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-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金属通道型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

8、要求比较高的探测方面混合型混合型是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”使用特性”光谱响应光电倍增管由阴极吸收入射光子的能量并将其转换为光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”给出了双碱光电倍增管其光阴极材料为和的典型光谱响应曲线一般情况下光谱响应特性的长波段取决于光阴极材料短波段则取决于入射窗材料光电倍增管的阴极一般都采用具有低逸出功能的碱金属材料所形成的光电发射面光电倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃!透紫玻璃玻璃!合成石英玻璃和氟化镁或镁氟化物玻璃制成硼硅玻璃窗材料可以透过近红外至“

9、的可见入射光而其它“种玻璃窗材料则可用于对紫外区不可见光的探测”光照灵敏度由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要精密的测试系统和很长的时间因此要为用户提供每一支光电倍增管的光谱响应特性曲线是不现实的所以一般是为用户提供阴极和阳极的光照灵敏度阴极光照灵敏度是指使用钨灯产生的色温光测试的每单位通量入射光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能量产生的阳极输出电流即经过二次发射极倍增的输出电流”“电流放大增益光阴极发射出来的光电子被电场加速后撞击到第一倍增极上将产生二次电子发射以便产生多于光电子数目的电子流这些二次发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极以产生又一次的二次电子发射连续地

10、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这样就达到了电流放大的目的这时光电倍增管阴极产生的很小的光电子电流即被放大成较大的阳极输出电流一般的光电倍增管有*个倍增极”阳极暗电流光电倍增管在完全黑暗的环境下仍有微小的电 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之一”磁场影响大多数光电倍增管会受到磁场的影响磁场会使光电倍增管中的发射电子脱离预定轨道而造成增益损失这种损失与光电倍增管的型号及其在磁场中的方向有关一般而言从阴极到第一倍增极的距离越长光电倍增管就越容易受到磁场的影响因此端窗型尤其是大口径的端窗型光电倍增管在使用中要特别注意这一点”温度特

11、点降低光电倍增管的使用环境温度可以减少热电子发射从而降低暗电流另外光电倍增管的灵敏度也会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由于在长波截止波长附近的温度系数很大所以在一些应用中应当严格控制光电倍增管的环境温度”滞后特性当工作电压或入射光发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出现一些微过脉冲或欠脉冲现象这种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架!玻壳等的静电荷引起的当工作电压或入射光改变时就会出现明显的滞后对此北京滨松公司侧窗型光电倍增管采用了/抗滞后设计0方案实际上已经很好地消除了这种滞后现象光电倍增管的应用表给出了在光吸收和光发射应用领域所适用 的光电倍增管的适用型号以及这些型号所具有的特性其它应用领域所适用的光电倍增管的适用型号和特点如表所列使用注意事项在使用光电倍增管时应特别注意以下几点光电倍增管的工作电压可能造成电击在仪器设计中应适当地设置保护装置由于光电倍增管的封装尾管易受外力或振动而损伤故应尽量保证其安全特别是对于带有过渡封装的合成石英外壳的光电倍增管应特别注意外力的冲击和机械振动等影响“不要用手接触光电倍增管面板上的尘土和手印会影响光信号的穿透率受到污染的管基会产生低压漏光光电倍增管受到污染后可用酒精擦试干净”当阳光或其他强