光电倍增管的原理、发展及应用

光电倍增管的原理、发展及应用摘要：光电倍增管是真空光电探测器，它把弱光信号发展成电信号。它具有极高灵敏度，频率响应，低噪声，超快时间响应和大信号接收区域等特性，并结合了高增益和高增益，基于外部光电效应、二次电子发射和电子光学理论。可在可见光，紫外和近红外光谱区域工作。它是许多精密测量仪器的核心设备，也是近年来的技术。在发展和产业竞争中，它始终占据首要地位。

关键词:二次发射倍增系统信号放大弱光探测光度测量正文:一、原理、结构和特性光电倍增管是把微弱光信号转变成电信号的真空光电发射器件。它由一个入射窗，一个光电子学系统，一个阴极，一个阳极和一个打拿极组成。光子入射到光电阴极的表面上，当光子的能量大于光子发射的阈值时，光电阴极就会激发出真空中的光电子，第一打拿极发出的电子处于高动能的作用下。将发射出比入射电子数目更多的二次电子,并通过第二倍增极进行进一步的二次发射,倍增得以放大,放大的电子被光电阳极吸收以产生阳极电流，这导致负载电阻器两端的电压降，这又形成电压信号输出。光电倍增管通常有侧窗式和端窗式两种形式:端窗式是光通过管壳的端面,入射到端面内侧的光电阴极面上,通常采用半透明材料光电阴极,光电阴极沉积在入射窗内侧面,一般半透明光电阴极灵敏度均匀性比反射式阴极的要好,而且阴极面可以制成大小不同的光敏面,为使其阴极面受光均匀,灵敏度均匀,阴极面经常做成半球形状;另外，从球形表面的球形表面发射的电子通过电子光学系统，并且当第一打拿极集中时的时间分散被最小化，使得光电子可以被第一打拿极有效地吸收;侧窗式是光通过玻璃管壳的侧面入射到安装在管壳内部的光电阴极面上,侧窗式光电倍增管的阴极为反射性的,并且独立的光子入射在光电阴极表面上，并且所产生的光电子在聚焦电场的作用下会聚到第一打拿极，因此其收集效率接近1。光电倍增管的倍增极首要由在较小电子能量下拥有高灵敏度和二次发射系数的材料制成。常用的打拿极材料是氧化银镁合金，碲化锑和氧化铜。铌合金等有两种类型的加倍和非聚焦和聚焦。前者的双极点使前一级的电子倍增，并聚焦于下一级。电子束的轨迹发生在极之间;仅非聚焦电场电子可以加速，电子的轨迹是平行的。光窗的材料一般由硼硅酸盐，合成的石英和氟化镁等材料的玻璃制成。波长越短，光窗吸收的光越多，因此光谱特性的短波段取决于光窗材料。阴极通常采用具有低逸出功能的碱金属材料的光发射，其接收入射光并向外发射电子，使得长波段的光谱特性取决于阴极的材料。由于光电倍增管采用二次发射的倍增系统，光阴极形成较小的光电子电流，放大到较大的阳极输出电流，所以灵敏度远大于光电管的灵敏度，并且可以测量小的光信号（电流增益M=IA/IK=SA/SK，阳极灵敏度SA（λ）=IAλ/Фλ，阴极灵敏度SK（λ）=IKλ/Фλ）。光电倍增管阴极伏安特性是指,在发射到光电倍增管阴极面上的光通量一定时,阴极电流和阴极电压的关系曲线,称作阴极伏安特性,经研究在阴极电压较小情况下,阴极电流随阴极电压的增大而增大,直到阴极电压大于某一值,阴极电流才趋向于饱和,且和入射光通量成现线性关系;阳极的伏安特性意味着当光通量入射到光电倍增管的阳极表面时电流和电压之间的关系称为阳极伏安特性，其性质与阴极伏安特性。对时间分辨率要求较高的试验,光电倍增管时间特性一定要好。通常上升时间定义为:输出脉冲的高度值从10%到90%的时间;下降时间则相反,是输出从90%到10%的时间。在响应时间测试的过程中,上升时间和下降时间测试条件十分苛刻,冲输出信号会发生波形失真现象,易引起误差;而渡越时间是指,从入射光入射到光阴极面开始,到输出脉冲出现为止的时间。当在完全黑暗条件下施加工作电压时，光电倍增管将输出弱电流，这是暗电流。限制最小可测量DC通量通常是噪声的主要原因。它主要是由阴极热电子发射引起的。温度越高，暗电流越大，残余气体放电，欧姆泄漏，玻璃光亮放电和场发射。因子。光电倍增管电阻链式分压型供电电路是由8个以上电阻构成的电阻链式分压器,分别向每一级倍增板提供电压VDD,通过末极并联的三个电容使电压的输出稳定,当各级的电子电流以放大率分布时，阳极电流最大。

二、发展过程和现状1902年美国物理学家路易斯奥斯汀与同事在研究高温气体的性质时,发现了二次电子发射的现象：当具有一定速度或能量的电子轰击金属表面时，电子从轰击的金属表面发射。二次电子发射原理与光电效应电子发射原理基本相同,都是原子外层电子受到激发后获得足够的、动能,从而脱离金属表面势垒,成为自由电子,无论事件是电子还是光子，其能量必须高于金属功函数;但又有着极大不同:一般光电发射,大约10个光子就能激发一个电子,而二次电子发射,则有可能是,一个电子激发出2~10个电子,具备放大电流的功能,这就是所谓的光电倍增效应,正是这个倍增效应能使极微弱的光探测成为可能,在基础研究和日常生活中具有极广泛的应用需求。1930年,列昂尼德库别茨基利用了光阴极和连续设置的打拿极制成能成百上千倍地增强弱光电流的器件,称为"库别茨基管",这就是世界上的第一个光电倍增管;1936年,美国无线电公司的物理学家弗拉基米尔兹沃雷金发明光电倍增管第一次成为商用产品,他们使用有多个打拿极和银氧(Ag-O-Cs)光电阴极的实验用光电倍增管。从30年代首只光电倍增管问世至今,其作为弱光探测器件有80多年的发展历史,初始阶段用于光度测量;闪烁计数器的存在进一步扩大了光电倍增管的应用范围，并随后经历了时间测量阶段。激光检测仪器的发展与光电倍增管作为有效接收器的使用密切相关。图像传输和电视电影的传输不能离开光电倍增管。从1970年，已进入快速发展的新阶段，并在三个方面取得明显的进展：首先，基本的流程和基础设施的不断完善，持续改进;二是光电倍增管性能参数不断的提高;三是许多的特种功能和特种的结构使光电倍增管在此阶段应用而生。2013年,杨昆提到,多阳极倍增管是一钟新型的光电输出元器件,因具有紧密空间构造、高增益以及低噪声等独特的性能,其在阵列探测器和位置探测器中拥有极广泛的使用,特别是采取了金属通道结构的倍增极结构之后,多阳极倍增管具有的性能获得极大的改善。日本HAMAMATSU研制成功的R5900系列金属通道形式的倍增极结构,是最为典型的器件,它已被国际上广泛应用。目前，世界上最大的光电倍增管是20英寸。它的开发和滨松光子公司，日本的公司生产。它在长郡钗的超级神冈探测器最初使用，安装11200。该MCP-PMT，已被广泛应用在最近几年，是一个金属封装的PMT。多通道PMT代表的光电倍增管的最新研究进展：1.量子的效率高，响应速度快，灵敏度高。有些型号的PMT光谱响应范畴能够扩展到1200nm;2.多阳极技术，平板，可小型化，拥有二维高分辨率，现有10×10阳极，其厚度为44的MCP-PMT仅为14.8mm;3.多通道结构，金属封装，提高光电面积，现有扁平型PMT，其有效光电面积可达89％;4.将管式真空技术与微加工技术，半导体技术，电路技术和电子轨道技术相结合。HPD是一种将半导体技术与管道真空技术相结合的复合设备。光电转换后，电子被电场加速并直接照射在APD或CCD上，得到电子入射倍增效应;5.努力降低自噪声和暗电流，减少放射性物质，暗电流可小至0.5nA，自噪声可降至5暗计数/秒;

三、应用及前景展望光电倍增管用于光学测量仪器和光谱仪器。在光谱学领域中，使用光吸收原理通过分光光度计进行定量分析。为了确定样品中物质的量，通常使用连续光谱扫描物质，并使用光电倍增管检测通过待测物质之前和之后的光强度。获得待测物质的吸收程度，并计算物质的量;原子吸收分光光度计广泛用于痕量金属元素的分析。在发光分光光度计中，光电倍增管检测特征谱线的存在及其强度。可以快速，定性和定量检查样品。在荧光分光光度计中,用光电倍增管检测光谱特性及荧光的强度,可以定性或定量的分析出样品的成分。在工业领域,由于光电倍增管的高能量辨率,宽动态范围,可用于工业计测仪器中,其中厚度计可用于检测塑料、纸张、钢铁等材料的厚度,通过包括放射源、闪烁体和光电倍增管的设备来实现,对于低密度物质,采用β射线源,高密度物质则使用γ射线。光电倍增管广泛应用在半导体芯片的缺陷检查及掩膜错位等芯片缺陷的检查半导体检查系统装置中,检测芯片被激光照射后,污染、尘埃、缺陷等产生的散乱光。在天文字段，电倍增管采用了二次发射乘法系统，因此具有极低的噪声和在检测所述可见，紫外和近红外区域的光电检测器灵敏度极其高;由于光电倍增管增益高，响应时间短和比例入射光子正比于输出电流。它被广泛应用于天体分光光度法和天体光度测量。它的测量精度高，可以测量暗淡的天体，并且能够测量天体亮度的快速变化。在天文测光，比氖光电倍增管，如RCA1P21的应用，量子效率大约为20200埃，约20％。为了测量的近红外区域，常用砷化镓阴极和光电倍增管光电阴极的碱，后者拥有高达50％的量子效率在医学领域中,可用于液体闪烁计数,γ相机,正电子CT,血液、尿液检查,用同位素、荧光、酶、化学发光、生物发光物质等的标定抗原体的定量测定。光电倍增管通过大面积NaI和光导组合成探测器,用于γ相机,将放射性同位素的标定试剂注入病人的体内,通过γ相机可得到断层图像,来判断病灶;此外,生物体所发出的超微弱光光强都是恒定不变的,如果光强发生变化,说明生物体发生了病变。研究通过利用光电倍增管制作成的探测光强的仪器,并利用生物体的特性来测试生物体是否发生病变。所制作出的这种仪器通常都会将设备前端制成暗室的形式,主要是因为生物体发出的光较微弱。在资源调查方面,如石油测井中,用以确定石油沉积位及储量等,内藏放射源、闪烁体和光电倍增管的探头伸入井中,分析放射源被散射以及地质结构中的自然射线,来判断油井周围地层类型及密度。光电倍增管还普遍用于光子计数，化学发光，极其微弱的光检测，生物发光研究和极低能量射线检