光的探测及PMT应用技术 演示文稿.ppt

1、光的探测及光电倍增管的应用技术,李 妙 堂 编 写 2009/11,光的探测及光电倍增管的应用技术, 前言 据统计人类所了解关于世界的信息， 超过7 0%是通过人的眼睛得到的。 眼睛是什么？就是： “光学”、“光子”学！,光的世界，五彩缤纷、灿烂夺目，令人神往。 “光是制造物质的粘合剂”。 “物质之光” “光是向电子提供能量并控制其轨道”。 “电子之光”,“光是控制着细胞新陈代谢，支配着细胞与细胞间的信息传递和功能调节”。 “生命之光” “光是探索人类、未知未踏领域的 “关键因素”,在当代，没有一个技术部门不与光学和光子学有联系。 “光无处不在” “光无所不能” 据最近报导科学家创造全球最亮的

2、光束，(电子在接近光速下沿着环形管道发射时产生的同步光)。它几乎比太阳光亮1000亿倍。它将幇助研究人员：, 画出原子结构图 研制挽救生命的药物 解释地球和其他行星诞生的过程 改进巧克力的味道,了解光的信息，探测光变得越来越重 要。隨着光探测器的迅速发展，品种 和性能提高使得我们能够探测到： 一个光电子信号 (相当于光的强度1018W) 亚皮秒甚至飞秒的光信号 (1皮秒=1012秒) 使光的探测进入一个新的领域“光子时代”,对于“光信号”的探测要得到比较滿意 的结果，首先要选择： 合适测量方法 正确选择光探测器光电倍增管 恰当地挑选它的工作状态 注意光电倍增管输出的传输方式 提高信噪比 注意环

3、境条件的影响。,光的探测及光电倍增管的应用技术, 第一部分光的探测 第二部分光电倍增管的选择 第三部分使用中几个问题 第四部分测光模块及其应用,第一部分 光 的 探 测, “电荷积分法” (即将各个光电子产生的阳极脉冲进积分，用阳极输出电流大小来表征光的辐射通量 ),“电荷积分法”, 直流法是将光电倍增管输出信号的直流成份，通过放大器低通带滤波器的检测方法(适用于光较强探测)。,“电荷积分法”, 交流法是将光电倍增管输出信号，通过电容只取交流成份，或将光信号调制成一定频率的调制光，再用交流放大器(锁相放大器)的检测方法(适用于光较弱探测),“电荷积分法”,对光电倍增管的要求是： 稳定性高 暗电

4、流小 伩噪比高 宽光谱(紫外红外) 滞后低 在光分析仪器常采用“电荷积分法”该应用里常采用的石英玻璃窗和多碱側窗型、端窗型光电倍增管。,光子计数法, 光子计数法是把光电倍增管的输出脉冲经过放大、幅度甄别，对幅度在某一甄别电压以上的脉冲进行计数的方法(适用于极微弱光探测)。,光子计数法,特点是： 有很高的信噪比。在极弱光测量时，比测量电流法高5-10倍。 可以探测极低的辐射通量，可探测到1x10-18w 或更低 有很高的稳定性。,光子计数法, 有很宽的动态范围 本底-计数可以很方便从二次测量之差方法扣除 消除了漏电流的影响 便于数据处理,光子计数法,对光电倍增管特性的要求是： 单光电子分辨率要高

5、 暗脉冲计数少 增益大(一般要求G1X106) 在生物、化学发光及生命科学等微弱中探测中常用“光子计数法”。,时间相关的单光子计数,激光器的驱动电路经延迟后，作为时幅变换器开始信号，光电倍增管的输出信号作为时-幅变换器停止信号，利用多道脉冲分析器而获得样品光的发射的波形。,“能谱分析法”,通过光电倍增管探测射线+闪烁体的“简接发光”确定样品中的射线及活度。如、康普顿谱仪。,第二部分光电倍增管的选择,选择光电倍增管的原则是： 入射光波长 光的强度 光束直径 光的速度,光 电 阴 极, 原则：选择的光阴极的光谱响应应与待测光的光谱相似。 光电阴极的初步选择要考虑 窗材料 阴极材料 阴极大小 阴极形

6、式 光电参数,窗 材 料,常用的窗材料有： 硼硅玻璃（300nm） 透紫玻璃（185nm） 合成（熔融）石英（160nm）, 蓝宝石(Al2O3)150nm MgF2（115nm） 光电倍增管的短波阈由窗材料决定,光 阴 极 材 料, SbCs 特点是： 阴极电阻低、允许强光下有大电流流过阴 极的场合下工作 双碱-BA(SbRbCs、SbKCs) 特点是： 灵敏度较高 暗电流小热电子发射小,光 阴 极 材 料, 高温双碱(Sb-K-Na) 特点是： 耐高温200 多碱(Sb-K-Na-Cs) 特点是： 宽光谱 灵敏度高,光 阴 极 材 料, Ag-O-Cs 特点是： 光谱可到近红外 灵敏度低

7、GaAs(砷化镓) 特点是： 高灵敏 光谱平坦 强光下容易引起灵敏度变坏,光 阴 极 材 料, Cs-I 特点是： 日盲 在115nm的短波也有高的灵敏度 Cs-Te 特点是： 日盲 阴极面透过型和反射型,光 阴 极 材 料,常用的阴极材料有： 锑绝（SbCs）650nm 锑钾绝（SbKCs）650nm 锑钾钠（SbKNa）650nm 锑钾钠绝（SbKCsNa）850nm 光电倍增管光谱长波阈由阴极材料决定。,阴 极 形 式, 半透明阴极(入射光方向与电子运动方向一致)端窗光电倍增管。, 端窗管特点： A 阴极面积变化范围大： (直径从10200mm)。 B 阴极均匀性好，与光信号耦 耦合好

8、C 阴极电阻率高。 D 磁场效应大。,阴 极 形 式, 不透明光电阴极(入射光方向与电子运动方向一致)侧窗光电倍增管, 侧窗管特点： A 阴极电阻率低 B 磁场效应小 C 阴极均匀性差 D 与光耦合较差 一般光度学、光谱仪应用的光电倍增管大多 数都选用不透明阴极的側窗光电倍增管,阴 极 大 小,阴极大小的选择取决于：光信号束的大小 。,光电阴极极选择举例： 对800nm左右红外光谱，Ag-O-CS不是唯一的，而GaAs、InGaAs是候选者 在光谱学应用：S-20(Sb-K-Na-Cs)是优选者 谱特性与人眼睛灵敏度配合最好的是Bi-Ag-O-Cs、Sb-Rb-Cs, 对探测紫外辐射，阴极的选

9、择取决于特定要求：如要求紫外可见区都灵敏度(S-20)阴极是最适合；就“日盲”而言要求光谱在300nm以下，则用CsI阴极。 为了在火箭和人造卫星上研究宇宙中的太阳辐射最合适的窗材料是MgF2，可到115nm。,倍 增 系 统,光电倍增管的增益、线性、时间特性由倍增系统决定。一个倍增系统通常包括三个部分： 结构形式 倍增极级数 倍增极材料。,结 构 形 式, 环形聚焦型（C.C） 特点： 小型紧凑 时间响应特性也 代表管型：侧窗型和小型的部分端窗管如R105 1P21 R212 CR131 R5610 R1705 R980。,结 构 形 式,盒栅型（BG） 特点： 光电子收集效率高 均匀性好。

10、 代表管型：R228 R550 CR110 CR119（R1307） CR105,结 构 形 式, 直线聚焦型（L） 特点： 时间响应好（快速） 时间分辨率好 脉冲均匀性好 代表管型：（端窗管型） R329 R331 R580 CR166 CR115,结 构 形 式,百叶窗型（VB） 特点 第一倍增极的有效面积大，易制成较大阴极的PMT 耐磁牲好、 输出电流大、 增益高 代表管型：R1513 R887 EMI9635QB等,结 构 形 式, 细网型（FM） 特点： 耐磁性能好（强磁场下工作） 均匀性好 倍增极短、平行电场、具有位置探测功能。 代表管型： R3432-01 R2490-05 R5

11、064 R4721及细网型的多阳极的PMT（H4139 4140-01）等,结 构 形 式, MCP（Microchannel微通道板） 特点是： 好的时间响应（0.1-0.3ns） 小型高增益、 强磁场下工作、 二维高空间图像分辨率、 对带电粒子、紫外线、X射线、r射线、中子都很灵敏。 低电耗、小型、重量轻 代表管型： R2809U R2024 R2566等。,倍 增 极 材 料,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 热电子发射小 工作稳定性好 对高温光电倍增管中，还要求倍增极高温性能好。,倍 增 极 材 料,目前常用的倍增极的倍增极材料有： 锑-碱（Sb-Cs Sb

12、-K-Cs） 铜铍合金（Cu-Be） 磷化镓（GaP） 磷砷化镓（GaAsP）等,一次电子电压与二次发射系数的关系曲线,表（2）各种倍增极的特性,表（2）各种倍增极的特性,不同结构的单电子谱,不同结构的线性电流,使用场合 根据使用来选择，如耐震管、高温管 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的光电倍增管。, 光电参数 光电参数一般选择主要是考虑： 阴极灵敏度 阳极灵敏度 暗电流 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。,对光分析应用光电倍增管的要求： 稳定

13、性高(光度重复性) 暗电流低(光分析仪器的基线平直度基线漂移) 信噪比高 宽光谱(紫外红外) 滞后低 偏光特性,在挑选管子及应用时还需要注意的问题： 不能片面追求某一方面(如阳极光照灵敏度Sp)根据仪器特点选择适当Sp，主要选择R/W和信噪比。 根据不同厂家仪器特点提供适合的管子。 暗电流漂移往往影响管子使用效率，要把管子进行老化和暗电流漂移测试。,使用中几个问题, 线性 稳定性 滞后效应 均匀性, 光敏效应 磁场效应 电场屏蔽 信噪比,杂散光 工作条件确定,线 性,线性是表示阳极输出电流与入射到光阴极的光通量之间的关系,线性电流与管子结构的关系,线性电流与工作电压的关系,线性电流与负载电阻的

14、关系,破坏线性耒自两端： 高端(空间电荷)、低端(暗电流),造成非线性的可能原因:,内部因素： (1) 空间电荷的限制 (递增型分压器克服) (2) 阴极电阻率的限制 (在平板上蒸锰提高导电率）,(3) 暗电流的限制 (4) 增益漂移,外部因素 (5)分压器电流的限制 （ 稳压器分压器克服，或要求I分.IA 20-100倍） (6) 负载电阻效应限制,(7) 供电电源 (8) 储能电容 (9) 阻尼电阻,扩大线性范围的方法, 电流法(电流法与计数法并用), 比例调节器(分频法),PMT,前放,主放,脉冲成型,分频器,计数电路, 光衰减法(中性滤光片),光,中性滤光片,光子计数探头,稳定性,在光

15、度学测量中，光电倍增管具有良好的稳定性是特别重要的。光电倍增管的稳定性是比较复什的问题，它涉及到内部因素和外部因素： 管子的工作电压 阳极与末极电压 阳极输出电工流大小, 工作时间与休息时间 工作前管子的经历 倍增极的材料及制造工艺,实验表明，光电倍增管输出信号随工作时间的变化表现为两个过程：所不同的是过程的“建立时间”不同而巳，而以后都表现为稳定的平稳的工作状态（图),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进行： A “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。,B “预热”处理（亚工作状态，即小信号下工作） C “达到建

16、立时间后”（一般30分钟）再获取数据 D“自稳技术” 或“稳峰技术”,闪烁计数的稳定电路, 峰位漂移问题 能谱测量中由于光电倍增管的增益、闪烁体的发光效率、高压电源、放大器的放大倍数等变化，引起谱线峰位漂移，使计数率发生变化。,闪烁计数的稳定电路, 解决办法： 一方面要求探测器工个作必须十分稳定，另一方面要求采用稳峰技术把峰位拉回来。,稳定装置的工作原理图,稳 峰 技 术,调整高压电源的输出高压 (把积分器输出电压去调整有外 控输入的高压电源),稳 峰 技 术,调整阈值和道宽,稳 峰 技 术,调整光电倍增管的工作电压,线 性,所谓线性就是指阳极输出电流与入射光通量之间的正比关系。一般说来，线性

17、电流的大小与（1）管子结构类型， （2）工作电压（3）分压器设计等有关。,破坏这种线性关系来自两个方面： (A) 线性特性的低端，即输入信号很弱时受到光电倍增管噪声（或暗电流）的干扰。它决定了光电倍增管所能探测的最弱信号。 (B) 线性特性高端，即输入信号很强时受到多种因素的作用而影响线性。,一般说来造成非线性的可能原因有： (1) 空间电荷的限制（递增型分压器克服） (2) 阴极电阻率的限制（在平板上蒸锰提高导电率） (3) 分压器电流的限制（稳压器分压器克服、或要求I1.IA 20-100倍） (4) 负载电阻效应限制,滞 后 效 应,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

18、静电引起的。在侧窗管内，滞后效应的大小与阴极受照部位、激发光波长和电流大小等有关。,为此滨松公司的侧窗型光电倍增管采用的“抗滞后设计”（有的管子制造时在支持电极的绝缘板上的空隙处蒸上一层导电层，并将它连接到阴极上，这样可抑制散逸电子打到绝缘板上。使用管子时在玻壳上涂上一层石墨并将它连接到阴极电位上，这样也有利于消除滞后现象）。,均 匀 性,均匀性是指入射光射到光阴极不同位置时的灵敏度变化。阴极本身光电面金属层的均匀程度有关。 一般来说，端窗型光电倍增管因阴极与第一倍增极的几何结构特点，在均匀性优于侧窗型光电倍增管如图所示。( 要注意侧窗管灵敏高不在阴极面中央),光 敏 效 应,光电阴极曝光时俘

19、获光子能量，这些能量将以电子发射的形式逐渐释放出来。当能量尚未完全释放完时，加上高压则过大的暗电流。实验表明，曝光引起的暗电流增大，与曝光接收的辐射通量、波长和曝光时间有关。辐射通量愈大、波长愈短和曝光时间愈长则暗电流的增加愈大。实验表明，俘获的光子能量完全释放出来约需24-48小时,磁 场 效 应,光电倍增管对于外界磁场的影响比较敏感。（图 ）给出了光电倍增磁特性曲线,在磁场中使用的管子，以及用于精密测量的管子，应该有磁屏筒屏蔽。磁屏蔽效果由屏蔽系数表示，它等于筒外与筒内磁场强度之比： 式中： 为相对磁导率；t为壁厚；D为筒的外径，以外径51mm管子为例，我们取D=60 mm，t=0.8mm

20、，=104, 则=100。这就是说，筒内外磁场相差100倍，屏蔽效果不错。下面给出了一些管子的屏蔽的曲线。,电 场 屏 蔽,(1) 外壳与光电倍增管管壳保持一定距离(4mm) 因为光屏蔽的探头是用金属材料做成的。如保持外壳接地，则可屏蔽外部电场。如接地电位靠近光电倍增管管壳将会使暗电流或噪声增大(负高压使用)，见（图 ）。所以探头外壳内径与光电倍增极的管壳要有一定的距离（一般要有4mm以上）,(2) HA涂层 采用负高压，阴极处在高电位，最好采用HA涂层。如图 所示那样，使用在侧管玻璃外壁涂覆导电层并加上阴极电位的方 还有入射窗上有地电位物质时，不仅噪声增加，而且光电面的灵敏度变坏。并且通常一

21、旦变坏，就不能恢复。因此，光电倍增管的固定方法必须特别注意。 为此，如果可能的话（特别是要求噪声比较低的场合）最好使用正高压，即阴极处在地电位,注意杂散光的影响,由于各种原因(光学元件的反射、沾污、单色器内壁黑化处理不当、双光路中另一个光电器件光的反射等)，总是存在着杂散光的影响。为此我们对测窗光电倍增管采用光屏蔽措施，即用黑色胶带(或热缩胶带)把管子其他部分包住，只留出光阴极面，这样可以起到一定消除杂散光的影响。,提高信噪比途径, 管子性能 光收集系数(Ns)要高 光电阴极的量子效率()要高, 第一倍增极的收集效率(K)要高 减少暗噪声(Nd) 测量时间要长()要长 减少本底光,使用上(屏蔽

22、、清洁、干躁、光的收集、 防止光的全反射损失), 探测技术 暗电流补偿技术 在微弱光探测领域里，暗电流和信号电流是可以比较的，采用暗电流补偿技术是可取的。,暗电流补偿前后能量分布图,光 调 制,直流或者慢变化的光信号，由频率几十到几百Hz的斩光器斩成矩形脉冲光，此脉冲光照射到管子的阴极上。管子的阳极输出连接到谐振频率为调制频率的窄带谐振放大器。（除信号可以通过外，末被调制的杂散光的光电流和管子的暗电流均被消除。调制法还克服了直流测量中弱电流放大器零点漂移的困难）。,磁 散 焦 技 术,“磁散焦镜”在光电倍增管阴极区加上一磁场，利用电子在磁场中受罗伦茨力的作用，使不接受光信号的那部分阴极面上的热

23、电子发射偏离正常轨道，而不进入倍增系统来降低暗电流的一个方法。产生磁场有两种方法：,A线圈磁场：,B永久磁铁 其外径、内径视管壳大小及管子结构而定。 用透明纸或其他绝缘材料贴在管子窗玻璃上, 波形甄别技术 波形甄别技术是利用信号和噪声波 形不同的特点把所需要的信号从噪 声中分离出来的技术，从而大大地 降低噪声。,零交叉甄别噪声抑制电路,Damerell噪声抑制电路,噪声抑制效果图,工 作 条 件 确 定, 光学系统要仔细设计，使光损失最小。 选择合适的输出(阳极)电路时间常数。 (过小，对输出脉冲幅度影响增大，过大会使高计数下造成脉冲堆积) 高压和前置放大器必须具有低噪声(低 纹波)，最好使用正高压。, 最佳工作点的选择 最佳工作点的选择一直围绕着最 佳信噪比和获得光电倍增管最佳 性能而展开。, 直流法测光 工作点应选择在暗电流等效输入曲线 的平坦区，例如“M”点, 光子计数测量 工作点的选择包括两个方面： 甄别阈 下阈通常选在脉冲分布谱的谷、上阈选在脉冲分布谱峰