基于光电倍增管的弱光检测

1、基于光电倍增管的弱光检测 摘要：本文基于光电倍增管设计了一种弱光检测电路。文章首先介绍了光电倍增管的结构、原理及应用方法，然后给出了微弱电流转换与放大电路的设计。关键词：光电倍增管；分压电路；I/V转换 Low-light-level detection based on Photomultiplier tubeAbstract：This paper presents the design of a system for low-light-level detection.The structure and principle of PMT are briefly introduced ,an

2、d the application method on PMT is discussed. The design of low current transformation and amplification circuit is also performed.Keywords：Photomultiplier tube(PMT)；voltage divider；I/V transformation 1. 引言光电倍增管（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

3、。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1）。 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

4、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. 光电倍增管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

5、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

6、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

7、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%。 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，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

8、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

9、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）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/*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

10、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，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10-510-2Lm）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10-1010-5Lm）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

11、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

12、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的光电倍增管的电流增益为n。二次电子发射率由下式给出：=AE这里的A为一常数，E为极间电压，为一由倍增极材料及其几何结构决定的系数，的数值一般介于0.7和0.8之间。一般的光电倍增管有912个倍增极，所以阳极灵敏度与所加电压可以有1061010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

13、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)

14、 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

15、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. 光电倍增管分

16、压器回路设计本文设计的弱光检测电路包括光电倍增管的分压器回路和光电倍增管阳极微弱电流转换放大电路两部分。光电倍增管采用北京滨松公司的谱响应为300nm-650nm的R105型光电倍增管，R105型倍增管为九级倍增、侧窗型，采用特殊设计的抗滞后结构，具有极好的输出稳定性，能广泛适用于分光度设计、照度计、光密度计等技术领域。九级倍增的R105型光电倍增管的分压器回路采用阳极接地，阴极加负高压的方法，使电流计、电流电压转换、用运算放大器回路等外部回路和光电倍增管阳极在无电位差情况下易于连接。具体分压回路如图7所示，图中K为光阴极，DY1-DY9为九级电子倍增极，P为阳极。串联电阻R1-R10将高压V

17、h分割成所需要的梯度递增的倍增电压。光电倍增管的增益可通过调节各倍增极的极间电压来实现。此外，为了遮蔽杂光，提高对外部电磁场的抗干扰能力，需把光电倍增管放置在金属屏蔽罩里。回路中Ib是分压器电流，它是流过分压器回路的电流，和输出线性有很大的关系。若R1-R10均相等，在没有任何光照并且PMT的暗电流为零的理想条件下，分压器回路可以提供线性递增的均分偏压供给各个倍增极。此时 图7 光电倍增管分压器回路实际情况是，即使在均相等并且高压电源Vh稳定的条件下，只要阳极电流不为零，得到的偏压也不是线性线性均分的。因为，各个倍增极的电流要流过分压电阻链，而且越靠近阴极的电阻上流过的电流越大，电阻上的压降也

18、就越大。由于总电压是稳定的，靠近阴极侧的电阻上压降增加必然导致靠近阳极侧的电阻上压降减少，这称为电压再分配效应。这样，一方面导致各个倍增极的偏置电压会随阳极电流的变化而波动，从而使PMT的总增益发生波动。另一方面导致偏置电压的线性均分性受到影响。无论是线性均分的偏置电压还是非线性的偏置电压应用场合，均希望各倍增极上的偏压等于设计值而不要随阳极电流的变化而发生波动。因此采用图7的电压分配回路，又要保证电压再分配效应引起的倍增极偏置电压偏离线性增益的程度在1%以内，根据经验，阳极电流Ip的最大值必须在分压器电流Ib的1%以内。8. 微弱电流转换与放大电路的设计由于光电倍增管阳极输出的电流比较小，特

19、别是检测光很微弱的时候，可能是nA级别的微弱电流。本设计中微弱电流转换与放大电路如图8所示，由三级运放组成：第一级U1为I/V转换电路，反馈电阻Rf和反馈电容Cf可以通过JP1的跳线进行选择，根据需要选择R12和C4、R15和C5或R16和C8三组中的一组；U2和U3为两级电压放大级，各放大10倍左右。由于光电倍增管出来的是负极性电流，因此放大后的电压Vout为正极性电压。下面对电路的I/V转换电路和减小干扰的关键点加以说明。 图8 微弱电流转换与放大电路8.1 I/V转换电路I/V转换电路的作用是将被测的微弱电流信号转换为电压信号，如图8所示。输入电流Iin即光电倍增管阳极输出电流，加至运算

20、放大器的反相输入端，输出端与反相输入端之间接高阻值的反馈电阻Rf和反馈电容Cf，运算放大器同相端接地。这样，第一级运放的输出V01为：V01=-IinRf=-IpRf(1) 运算放大器的选择 运算放大器应该近似为理想的运算放大器，才能满足前面的假设条件，这就要求其开环放大倍数和输入电阻应为无穷大，这才能保证输入端工作电流为零，也要求输出电阻无穷小，这才能保证输出电压不随下级负载而变；同时还要选择零点偏移小、温度漂移小、噪声电压小的运算放大器件。(2) 反馈电阻Rf的选择 输出电压既不能太小也不能太大，应根据器件情况选一个合适的值。如果输出电压太小，一是容易受到噪声的干扰，二是会增加下级放大器的

21、负担。通常要求输出电压应比运算放大器的噪声电压至少大两个数量级。如果输出电压太大，一是必然要增大反馈电阻Rf，二是增大对运算放大器性能的要求。反馈电阻Rf过大其稳定性变差，容易造成干扰，测量时间也变长，同时反馈电阻的选取和测量也变得十分困难。综上所述，可将I/V转换电路的输出电压设定在50-100mV之间是比较合适的，然后选择相应的反馈电阻Rf。(3) 反馈电容Cf的选择对于并联负反馈放大器，反馈电阻Rf折算到输入端的等效输入电阻Rsf为Rf(1+|k|)-1,反馈电容Cf等效到输入端时相当于(1+|k|)Cf。设输入端的分布电容为C0，Rf两端的分布电容为Cf0，由于Cf0较小约为1pF左右

22、，C0约为10pF左右，而反馈电容Cf取值通常为几十到几百pF，以及|k|1，输入端总的等效输入电容Csf=(1+|k|)(Cf+Cf0)+C0(1+|k|)Cf，输入端的时间常数=RsfCsf=RfCf。由于输入端输入电阻和电容的积分作用，当有信号输入或变化时，输出信号要经过5倍时间常数才能达到稳定，即为测量时间。如果Rf=1M，Cf=10pF，则达到稳定输出所需的时间0.05ms。反馈电容Cf起积分作用，可抑制或平滑噪声的干扰。Cf越大，抑制噪声的能力就越强，但要降低响应速度，要权衡考虑取其值。8.2 减小干扰的措施减小干扰对微弱电流的放大很有必要，其干扰源来自多方面，有点来自器件本身，有的来自外部。除了选择稳定性好、噪声小的器件外，在电路上和工艺上采取以下措施。(1) 电源退耦滤波 在每个运算放大器的正负电源端都串加一个RC退耦滤波节，其作用