光电倍增管基础知识

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1、光电倍增管根底学问(光电倍增管原理、构造及特性)1 光电倍增管概述光电子应用技术是一门兴的高技术，当前还处于进展阶段。信任它在 21 世纪必将有重大创并快速崛起。光电子技术产业也必将进展成为一种兴的学问经济，从而在兴技术领域形成巨大的生产力。光电倍增管PMT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、生物发光争论、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、生化等仪器设备中。2 光电倍增管的一般构造光电倍增管是一种真空器件。它由光电放射阴极

2、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 1 所示为端窗型光电倍增管的剖面构造图。其主要工作过程如下：当光照耀到光阴极时，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放射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。由于承受了二次放射倍增系统，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、本钱低、阴极面积大等优点。3 光电倍增管的类型3.1 按接收入射光方式分类光电倍增管按其接收入射光的方

3、式一般可分成端窗型Head-on和侧窗型side-on两大类。侧窗型光电倍增管R 系列是从玻璃壳的侧面接收入射光，两端窗型光电倍增管CR 系列则从玻璃壳的顶部接收射光。图 2 和图 3 分别是侧窗式光电倍增管和端窗式光电倍过管的外形图。在通常状况下，侧窗型光电倍增管R 系列的单价比较廉价一般数百元/ 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。大局部的侧窗型光电倍增管使用不透亮光阴极反射式光阴极和环形聚焦型电子倍增极构造， 这种构造能够使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。一般状况下，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承受具有

4、低逸出功能的碱金属材料所形成的光电放射面。光电倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃UV 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 300nm 垢可见入射光，而其它 3 种玻璃材料则可用于对紫外区不行见光的探测。端窗型光电倍增管CR 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外表上沉积了半透亮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，现在还消灭了针对高能物理试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。3.2 按电子倍增系统分类光电倍增管之

5、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放射系统的使用。它可使电子在低噪声条件下得到倍增。电子倍增系统，包括 819 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 8 类： a.环形聚焦型环型聚焦型构造主要应用于侧窗型光电倍增管中，其主要特点是构造紧凑和响应快速。b. 盒栅型这种构造包括一系列的 1/4 圆柱形的倍增极，并因其具有相对简洁的倍增极构造和良好的全都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。c. 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区分率和线性脉冲要求较高的

6、争论领域以及端窗型光电倍增管中。d. 百叶窗型百叶窗型构造的倍增极可以较大，能够应用于大阴极的光电倍增管中。这种构造的全都性比较好，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。e. 细网型该构造有封闭的周密组合网状倍增级，因而具有极强的抗磁性、全都性和脉冲线性输出特性。另外，在使用交叠阳极或多极构造输出的状况下，还具有位置灵敏的特性。f. 微通道板MCP型MCP 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。这种构造的每个通道都是一个独立的电子倍增器。MCP 比任何分别电极的倍增极构造都具有超快的时间响应，并且当承受多阳极输出构造时，这种构造的光电

7、倍增管在磁场中仍具有良好的全都性和极强的二维探测力量。g. 金属通道型金属通道型是滨松公司承受独有的机械加工技术所制造的紧凑型阳极构造， 其各个倍增极之间的狭窄通道空间特性使其比任何常规构造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要求比较高的探测方面。h. 混合型混合型是将上述构造中的两种构造相互混合而形成的复合型构造。混合构造的倍增极一般都可以发挥各自的优势。4 光电倍增管使用特性4.1 光谱响应光电倍增管由阴极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 4 给出了双碱

8、光电倍增管其光阴极材料为 Sb-Rb-Cs 和 Sb-K-Cs的典型光谱响应曲线。4.2 光照灵敏度由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要周密的测试系统和很长的时间，因此，要为用户供给每一支光电倍增管的光谱响应特性曲线是不现实的，所以，一般是为用户供给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 2856K 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放射极倍增的输出电流。4.3 电流放大增益光阴极放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放射，以便产生多于光电子数目的电子流，这些二次放射的

9、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放射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子放射被阳极收集，这样就到达了电流放大的目的。这时间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。一般状况下，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承受具有低逸出功能的碱金属材料所形成的光电放射面。光电倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃UV 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 300nm 垢可见入射光，而其它 3 种玻璃材料则可用于对紫外区不行见光的探测。端窗型光电倍增管CR 系列

10、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外表上沉积了半透亮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，现在还消灭了针对高能物理试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。5.光电倍增管特性：高量子效率、高稳定性、低暗电流适用管型：R647/1166/1924/5611、CR105/120、R928/4220/6350/6357、CR131、R1925/1463/647、CR110/120、IP21/288.X 光时间计光电倍增管特性：高灵敏度、高稳定性、低暗电流适用管型：R10

11、5/913A/63509. 射线测量仪光电倍增管特性：稳定性、本底噪声、好坪特性适用管型：R647/1635/1924、CR119/120/129/13310. 资源调查，石油测井应用光电倍增管特性：稳定性、抗震、较好的坪特性适用管型：1281/1288/3991/417711. 工业计测，厚度计光电倍增管特性：宽动态范围，高能量辨率适用管型：R580/329/647/6231、CR120、129、CH12612. 半导体元件检测系统光电倍增管特性：高量子效率、低峰值噪声、较好均匀性适用管型：R647/928/1463/3896、CR115/13113. 摄影印刷、彩色扫描光电倍增管特性：高稳

12、定性、低噪声滞后、高量子效率适用管型：R212/905/1463/1924/3811、CR110/114/11514. 辐射计数器光电倍增管特性：时间响应好、小型化，抗磁场适用管型：R647/1166/1450/1635、CR115 15.TOF 计数器光电倍增管特性：时间响应好、小型化，抗磁场适用管型：R1828/1450/1635/2083/4998/5800/592416. 契伦柯夫计数器光电倍增管特性：高量子效率、高区分力、高增益、抗磁性适用管型：R1584/2059/2256/5113/592417. 热量计光电倍增管特性：脉冲好，高区分力，高稳定性，抗磁性适用管型：R329/580

13、/5924/609118. 中微子、正电子衰变试验光电倍增管特性：大直径、高稳定性、低暗计数、时间响应好适用管型：R5912/3600-0219. 宇宙线检测、宇宙线空气浴计数器光电倍增管特性：大直径、高稳定性、低暗计数、时间响应好适用管型：R329/580/1166/1828/6091、CR115/12920. 天体 X 线检测、星际尘埃测定光电倍增管特性：高能量区分率、耐振动冲击适用管型：R2486/R976/1080/6834/6835/683621. 激光雷达、大气观看光电倍增管特性：低暗计数、高电流增益，快速时间响应适用管型：R3234/3237/3809/591622. 荧光寿命测

14、定、分子构造争论光电倍增管特性：低暗计数、高电流增益，快速时间响应适用管型：R3809U 系列、R5916U 系列23. 等离子体探测光电倍增管特性：高量子效率、高微弱光检测效率，可以作动作适用管型：R636-10*R943-02，CR129、CR1356 使用留意事项在使用光电倍增管时，应特别留意以下几点：（1） 光电倍增管的工作电压可能造成*，在仪器设计中应适当地设置保护装置。（2） 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。特别是对带有过渡封装的合成石英外壳的光电倍增管，应特别留意外力的冲击和机械振动等影响。（3） 不要用手触光电倍增管，面板上的光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。（4） 当阳光或其他强光照耀到光电倍增管时，会损伤管中的光阴极。所以光电倍增管存放时，不应暴露在强光中。（5） 玻璃管基芯柱光电倍增管比塑料管基更缺乏缓冲保护，所以对玻璃管基的管子应更加保护，例如，在管座上焊接分压电阻时，应将光电倍增管先插入管座中。（6） 在使用中需要冷却光电倍增管时，应常常将光电倍增管的相关部件也进展冷却。 氦气会穿透石英管壳，从而使噪声值上升。因此，在使用和存放中避开将光电倍增管暴露在有氦气存在的环境中。