光电倍增管性能和应用的研究

哈 睿 北京工业大学耿丹学院 北京 101301

【文章摘要】

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21 世纪必将有重大创新并迅速崛起。本文介绍了光电倍增管的基本结构，分析了光电倍增管的特性及应用，以供参考。

【关键词】

光电倍增管；特性；应用

光电倍增管就是能把微弱的光信号转换为可测电信号的一种光电转换器件。在光探测领域，光电倍增管具有独特的高灵敏度，还具有诸如高速响应等很多优势。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。

1 光电倍增管的基本结构

光电倍增管模块基本上由光电倍增管、高压电源和分压器电路三部分组成。光电倍增管将光信号转化为电信号，而分压器电路为每个倍增级分配最优电压。三者被集成组装到同一个外壳中。除了这些基本的光电倍增管模块外，滨松光子学株式会社还提供一系列包含其他功能的模块，比如信号处理、制冷和连接到电脑的接口电路。

2 光电倍增管的基本工作原理探究

光电倍增管（PMT）是灵敏的高增益设备，它的输出电流与入射光成正比。光电倍增管在一根玻璃真空套管内安放了光电发射材料，称为光电阴极；8-14 个二次发射电极，称为打拿极；和一个收集电极，称为阳极。如果一个能量足够高（如比光电阴极材料的结合能更高）的光子入射到光电阴极，它就会被吸收，根据光电效应释放出一个电子。因为第一个打拿极保持高于阴极的电势（这样在二者之间产生一个电势差），发射出的电子会加速撞向打拿极，同时释放出二次电子。通常在该过程中有3-5 个二次电子释放出。这里面的每个电子随后又会被加速撞向第二个打拿极，同时也释放出3-5 个电子。该过程会在整个打拿极链中继续，产生3-5 倍的电子增益。通常每个打拿极维持比前一个高100-200 伏的电势。在打拿极链的末端，电子被阳极收集，并输出电流脉冲。然而，该电流通常需要转换为电压才能读出；最简单的方法是在阳极与地电位之间连接一个低的负载电阻。若两种光电倍增管使用一个跨阻抗放大器（TIA），将纳安或微安的阳极输出电流分别转换为毫伏或伏特范围的电压。

例如，若PMT 由8 个打拿极组成（如下图图一所示），且每个电子可产生4 个二次电子，在通过该打拿极链之后，总的电流放大将为48 ≈ 66000 倍。该例子中每个光电子在阳极产生Q = 48e 的电荷雪崩。相应的电压脉冲为V = Q/C = 48e /C， C 是阳极的电容（包括连线）。假设电容为5 皮法，则输出电压脉冲将为2.1 毫伏。

3 光电倍增管的特性

3.1 暗电流

由于热电子发射高度依赖光电阴极的温度和功函数，降低光电倍增管的温度可大大减小暗电流。购买带有热电冷却器的光电倍增管，并用它将光电倍增管的温度由20oC 降到0oC，暗电流将减小约10 倍。使用热电冷却器时，请注意避免窗口的冷凝，因为水分会减少入射到光电阴极的光的量。此外，应避免过冷，由于阳极薄膜的电阻与温度成反比，降温实际上有不利影响，包括信号减弱或阳极电压降低。

3.2 上升时间

对于要求高时间分辨率的实验，上升时间必须短。阳极脉冲上升时间是光电倍增管最常见的时间响应特性，它被规定为当光电阴极被完全照明时，光电倍增管的输出从峰值幅度的10% 上升到90% 所用的时间。典型的阳极上升时间范围从0.5 至20 纳秒。最终，脉冲上升时间由不同电子的渡越时间分布决定的。

3.3 稳定性

光电倍增管的稳定性是由器件本身特性、工作状态和环境条件等多种因素决定的。管子在工作过程中输出不稳定的情况很多，主要有：管内电极焊接不良、结构松动、阴极弹片接触不良、极间尖端放电、跳火等引起的跳跃性不稳现象，信号忽大忽小。阳极输出电流太大产生的连续性和疲劳性的不稳定现象。环境条件对稳定性的影响。环境温度升高，管子灵敏度下降。潮湿环境造成引脚之间漏电，引起暗电流增大和不稳。环境电磁场干扰引起工作不稳。

3.4 光谱响应

为特定应用选择PMT 时，光电阴极材料要与应用相匹配。通常长波截止波长取决于光电阴极，而短波截止波长取决于窗口材料。PMT 用于从深紫外到红外的波长范围。然而，由于光电阴极将入射光子转化为电子，其感兴趣波长的转换效率极其重要。有各种不同的材料供光电阴极使用，每种的功函数不同，适用的光谱范围也不同。量子效率（QE）是一个指标，它通常表示为百分比，且与PMT 将入射光子转换为可探测的电子的能力相关。例如， QE 的值为20% 意味着每5 个撞击到光电阴极的光子产生1 个光电子。对于光子计数，要求高QE 的PMT。由于QE 取决于波长，因此选择在使用波长范围内量子效率最高的PMT 很重要。请注意， 电磁光谱可见部分的光电阴极QE 值通常小于30%。用下面的公式从光谱响应曲线可快速计算PMT 的QE。

其中S 是辐射灵敏度，单位是安/ 瓦， λ 是波长，单位是纳米。

3.5 几何外形

PMT 主要有两种不同的外形：端窗型（即光电阴极置于真空管的一端）和侧窗型（即光电阴极置于真空管的侧壁）。端窗型PMT 具有半透明光电阴极，其特点是具有大的收集面，较好的空间一致性，在蓝光和绿光范围的性能较好。对于要求宽光谱响应的应用，如光谱学，端窗型结构较为合适。相比之下，侧窗型PMT 的光电阴极不透明，更适合紫外和红外范围应用， 这种结构比端窗型结构便宜，在光谱仪和要求有效的光学耦合和高QE（如闪烁计数）方面应用广泛。8-14 个二次发射电极（即打拿极）通常按照两种结构（即直线形和圆形）中的一种排列。

4 在应用过程中光电倍增管特性的体现

目前光电倍增管正在被应用于一系列高精度要求的光度测量领域。在医学领域，光电倍增管被应用于临床检测分析以及核医学成像和诊断系统；在化学分析领域，光电倍增管被用于各种分析设备中，包括光谱仪和环境监测设备等；在学术研究领域，光电倍增管被用于高能物理实验中；在计量和工业领域，光电倍增管被用于石油测井和放射线测量；在光学领域， 光电倍增管被用于激光扫描共焦显微镜中。在各种领域的使用过程中，都表现出了光电倍增管的运行特性。

5 小结

如今，光电倍增管是许多领域研究的主要工具，包括分析化学、粒子物理学、医学成像、工业过程控制、天文学以及原子和分子物理学。无疑，今后光电倍增管的应用领域将会更加广阔。

【参考文献】

[1] 彭其先, 马如超, 李泽仁, 刘元坤, 刘俊, 邓向阳, 王容, 陈光华; 光电倍增管脉冲性能研究[J]; 光子学报;2008 年05 期

[2] 郭从良, 孙金军, 方容川, 曾丹, 葛仕明; 光电倍增管的噪声分析和建模[J]; 光学技术;2010 年05 期

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