第四章真空光電器件——光電倍增管

真空光電器件是基于外光電效應(yīng)的光電探測器，包括光電管和光電倍增管兩類。光電倍增管具有極高的靈敏度、快速響應(yīng)等特點(diǎn)在小信號（微弱光信號）和快速脈沖信號方面應(yīng)用較多，如航天、材料、生物、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)等領(lǐng)域。光電管被半導(dǎo)體光電器件（價格低、穩(wěn)定好、使用方便）代替。

§4-1光電陰極

使不同波長的各種輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號，均依靠光電陰極。一、光電陰極的主要參數(shù)1.靈敏度(P64)光照靈敏度色光靈敏度光譜靈敏度2.量子效率3.光譜響應(yīng)曲線4.熱電子發(fā)射二、陰極材料(P65-68)1.銀氧銫(Ag-O-Cs)光電陰極2.單堿銻化物光電陰極3.多堿銻化物光電陰極4.紫外光電陰極5.負(fù)電子親和勢光電陰極一.光電管的結(jié)構(gòu):由光電陰極和陽極兩部分組成二.工作原理:(1)真空光電管(2)充氣光電管§4.2.1光電管μAVbRLPMT是一種真空光電器件。利用外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射相結(jié)合即——把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，并使光電子獲得倍增的一種光電探測器件。組成：光窗（Inputwindow);光電陰極(Photocathode);電子光學(xué)系統(tǒng);電子倍增系統(tǒng)(Dynodes);陽極(Anode)§4.2.2光電倍增管（PMT）假設(shè):每級倍增極倍增δ倍(二次發(fā)射),倍增管共有n級,則陽極收集到的電子數(shù)為δn,即:

G=δn(不考慮中間損失)實(shí)際上考慮實(shí)際損失,上式表達(dá)為:

G=α(βδ)n其中:α為第一倍增極對光電陰極電子的收集效率;β為倍增極間的傳遞效率.

n最大為15級,倍增管無法提高信噪比N/S.

光電倍增管的放大倍數(shù)（倍增效益）光電倍增管（1）光電倍增管工作原理光電倍增管（PMT）是利用外光電效應(yīng)制成的一種光電探測器件。其光電轉(zhuǎn)換分為光電發(fā)射和電子倍增兩個過程。其工作原理如下圖示。、、原理圖光電陰極倍增極陽極電子光學(xué)系統(tǒng)PMT工作原理分4個步驟，如P68電子光學(xué)系統(tǒng):提高α,縮短光電子的渡越時間(光電陰極各點(diǎn)發(fā)射光電子到達(dá)第一倍增極上各處產(chǎn)生的時間差).對電子光學(xué)系統(tǒng)要求要求：（1）使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能多的會聚到第一倍增極的有效區(qū)域內(nèi)；（2）光電陰極各部分發(fā)射的光電子到達(dá)第一倍增極所經(jīng)歷的時間盡可能一致。（3）光電倍增管工作過程（4）供電原理圖原理圖（4）供電原理圖二、光電倍增管分類1.按進(jìn)光方式：A側(cè)窗式B端窗式；2.電極工作方式：A透射式B反射式；3.倍增極數(shù)目：A單極B多極；4.倍增極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：A盒狀B圓籠式C百葉窗式D直線瓦片式；5.光電陰極材料：CsSb、Ag-O-Cs、堿各種倍增極的結(jié)構(gòu)形式

a)百葉窗式

b)盒柵式

c)直瓦片式

d)圓瓦片式三、光電倍增管具體結(jié)構(gòu)1、光電陰極(Photocathode)——把光電發(fā)射體鍍在金屬或透明材料（玻璃或石英玻璃）上就制成了光電陰極。

（1）結(jié)構(gòu)（2）常用材料：Ag-O-Cs：近紅外唯一具有使用價值的陰極材料；CsSb：可見、紫外區(qū)有較高的響應(yīng)率;多堿光電陰極（雙、三、、四堿）；光電倍增管具體結(jié)構(gòu)2、電子光學(xué)系統(tǒng)光電陰極至第一倍增極之間的區(qū)域。結(jié)構(gòu)：主要由聚焦電極和偏轉(zhuǎn)電極組成。

兩個作用：一使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部匯聚到第一倍增極，將其他部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比，用電子收集率表示；二使陰極面上各處發(fā)射的光電子在此系統(tǒng)中渡越的時間盡可能相等，保證PMT的快速響應(yīng)。3、倍增系統(tǒng)（Dynodes）倍增系統(tǒng)：是指由各倍增極構(gòu)成的綜合系統(tǒng)，各倍增極都是由二次電子發(fā)射體構(gòu)成。要求：二次電子發(fā)射系數(shù)要大

倍增極分類：

非聚焦型——只加速聚焦型——加速聚焦（1）二次電子發(fā)射二次電子發(fā)射：具有足夠動能的電子轟擊某些材料時，材料表面將發(fā)射新的電子。一次電子：轟擊材料的入射電子二次電子：從材料表面發(fā)射出的電子用二次發(fā)射系數(shù)表征材料發(fā)射二次電子發(fā)射能力。N1：入射的一次電子數(shù)N2：二次發(fā)射的電子數(shù)二次發(fā)射過程：a.材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能態(tài)，這些被激發(fā)的電子稱為內(nèi)二次電子；b.內(nèi)二次電子中初速指向表面的那部分向表面運(yùn)動，在運(yùn)動過程中因散射而損耗能量；c.如果到達(dá)界面的內(nèi)二次電子仍有足以克服表面勢壘的能量，即溢出表面成為二次電子。（2）各種倍增極的結(jié)構(gòu)形式

a)百葉窗式

b)盒柵式

c)直瓦片式

d)圓瓦片式倍增極結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)聚焦型直瓦片式極間電子渡越時間零散小，但絕緣支架可能積累電荷而影響電子光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性圓瓦片式結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，但靈敏度的均勻性差些。非聚焦型百葉窗式工作面積大，與大面積光電陰極配合可制成探測弱光的倍增管，但極間電壓高時，有的電子可能越級穿過，收集率較低，渡越時間零散較大。盒柵式收集率較高（可達(dá)95%），結(jié)構(gòu)緊湊，但極間電子渡越時間零散較大。4、陽極陽極是采用金屬網(wǎng)作的柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把它置于靠近最末一級倍增極附近，用來收集最末一級倍增極發(fā)射出來的電子。陽極結(jié)構(gòu)示意圖

要求：①接收性能良好，盡可能多的收集電子，工作在較大電流時，不至于產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)。

②

輸出電容要小§4-3PMT的主要特性參數(shù)光電倍增管的主要參量與特性是區(qū)分管子質(zhì)量好壞的基本依據(jù)。一、靈敏度衡量PMT探測光信號能量的一個重要參數(shù)。1.光譜響應(yīng)（P77）

陰極：取決于光電陰極和窗口的材料性質(zhì)。

陽極：陰極光譜靈敏度與PMT放大系數(shù)的乘積。2.陰極靈敏度如入射輻射為白光，則用陰極積分靈敏度表示

3.陽極靈敏度二、電流放大倍數(shù)表征PMT的內(nèi)增益特性，與倍增極材料的二次電子發(fā)射系數(shù)和PMT的倍增級數(shù)N有關(guān)。電源電源確定后，PMT電流放大倍數(shù)從定義出發(fā)，可以通過測量陰極和陽極電流確定三、暗電流（P79）四、噪聲(P81-82)五、伏安特性P83圖可以看出當(dāng)陰極或者陽極電壓大于一定值后，輸出電流趨向飽和。通?？梢园裀MT輸出特性看作恒流源處理。六、線性§4-4PMT供電和信號輸出電路一.高壓供電負(fù)高壓供電:直流信號,噪聲較大;(P89)正高壓供電:脈沖或交流信號,噪聲小.(P90)(3)高壓電源的穩(wěn)定性要求(P90)二.信號輸出負(fù)載電阻輸出:此時,倍增管相當(dāng)于一個恒流源,此時電阻選用原則見P91-92運(yùn)算放大器輸出(P92)濱松公司§4-6PMT應(yīng)用一、光譜測量（P95-98光譜輻射儀原理）

由于PMT的靈敏度高、精度高，常用來測量分子吸收光譜。利用光譜法檢測空氣中污染氣體的含量，是目前常用的快捷、連續(xù)、在線的監(jiān)測方法。研究污染氣體分子的特征吸收光譜是準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵。上圖是利用光電倍增管測得的SO2特片吸收光譜。它是用氘燈日光源，光經(jīng)過含有SO2氣體的吸收波，由光譜儀分光，在出射狹縫處用光光倍增管接收光譜信號。在50kHz采樣頻率下測得SO2在300nm波長附近的特征吸收光譜，入射光的調(diào)制頻率為1kHz。二、光子計(jì)數(shù)（P99）三、射線探測（P100）在各種感光器件中，光電倍增管是性能最好的一種，無論在靈敏度、噪聲系數(shù)還是動態(tài)范圍上都遙遙領(lǐng)先于其他的感光器件，更難能可貴的是它的輸出信號在相當(dāng)大范圍內(nèi)保持著高度的線性輸出，使輸出信號幾乎不用做任何修正就可以直接獲得很準(zhǔn)確的色彩還原。

同時，光電倍增管在各種感光器件中的生產(chǎn)成本是最高的，而且由于一次只能掃描到一個像素，因此掃描速度很慢，掃描一張圖往往需要幾十分鐘。因此，光電倍增管現(xiàn)在只用在最專業(yè)的鼓式（大滾筒）的掃描儀之上，這種掃描儀的價格非常高昂，少則幾十萬元，多則上百萬元，是一種可望而不可及的貴族產(chǎn)品，不適合于一般家庭使用。

4、光電倍增管優(yōu)缺點(diǎn)放大倍數(shù)很高，用于探測微弱信號；光電特性的線性關(guān)系好；工作頻率高；性能穩(wěn)定，使用方便；供電電壓高；玻璃外殼，抗震性差；價格昂貴，體積大；光電倍增管使用注意要點(diǎn)

不宜用強(qiáng)光，容易引起疲勞額定電壓和電流內(nèi)工作入射光斑尺寸和管子的有效陰極面尺寸相對應(yīng)電場屏蔽和磁屏蔽測交變光時，負(fù)載電阻不宜過大光電倍增管應(yīng)用中注意的幾個問題:（一）光電倍增管型號的選擇：（二）對高壓電源的考慮：（1）負(fù)高壓電源（2）正高壓電源（3）倍增極為信號輸出極（三）分壓器的設(shè)計(jì)原則：（1）陰極與第一倍增極間（2）中間倍增極（3）末級倍增