光電倍增管

(有關知識培訓)一光電倍增管基礎知識(工作原理與結構、性能參數(shù)、特點與應用)二光電倍增管的選擇(五項原則、實用例子)三光電倍增管的應用技術(分壓器設計、輸出電路考慮、信噪比提高、工作條件選擇等)四光的探測(電荷積分法、計數(shù)法、能譜分析法、飛行時間法等)光電倍增管基礎知識

(內部培訓資料)李妙堂編寫

2010/11光電倍增管基礎知識

1工作原理與結構

2性能參數(shù)

3特點與應用

光電倍增管的工作原理光電倍增管是一種真空光電器件（真空管）它具有光電轉換并具有放大作用的器件。它的工作原理是建立在：

1光電效應（光電發(fā)射）

2二次電子發(fā)射

3電子光學理論基礎

它的工作過程是：光子通過光窗入射到光電陰極上產生光電子，光電子通過電子光學輸入系統(tǒng)進入倍增系統(tǒng)，電子得到倍增，最后陽極把電子收集起來，形成陽極電流或電壓

1光電效應

在光線作用下能使電子從物體表面逸出的稱外光電效應或者光電發(fā)射。對于光電發(fā)射(外光電效應)它是遵從以下二個基本定律：▲斯托夫定律當入射光的頻譜成份不變時(同一波長的單色光或者相同頻譜的光線)，光電陰極的飽和光電發(fā)射電流IK與被陰極吸收的入射光的光通量φ成正比：

SK是表征光電發(fā)射靈敏度的系數(shù)(光電陰極的光照靈敏度)。

從這一定律出發(fā)只要測出光電發(fā)射的陰極的電流IK，又知道入射到光陰極的光通量φ，就能求出光電陰極光照靈敏度?！鴲垡蛱苟?/p>

它闡明了發(fā)射光電子的最大動能E與入射光頻率ν(或波長λ)和光電發(fā)射材料逸出功(W)之間的關系。發(fā)射光電子最大動能與光的強度無關，隨入射光頻率的提高而線性增加，即：V表示光電子的速度、ν表示入射光的頻率，W表示光電陰極的逸出功(W=EA+EG)。

從以上的理論出發(fā)可以得出存在一個臨界波長。當光波波長等于這臨界波長時，光電子剛剛能從陰極逸出。這個波長通常稱為“紅限波長”(λ0)。很明顯，在紅限時，光電子的初速應該為零，因此：

2二次電子發(fā)射的基本原理

當足夠能量的電子轟擊固體表面時，就有一定數(shù)量的電子從固體表面發(fā)射出來。如圖所示。二次電子發(fā)射面二次電子一次電子基板電極二次發(fā)射過程可以分為三個階段：

(1)入射電子與發(fā)射體中的電子相互作用，一部分電子被激發(fā)到較高能級；

(2)一部分受激電子向發(fā)射體－真空界面運動；

(3)到達表面的電子中，能量大于表面勢壘的那些電子發(fā)射到真空中

我們稱入射的電子為一次電子，發(fā)射的電子為二次電子。二次電子發(fā)射系數(shù)定義為發(fā)射的二次電子數(shù)NS和入射的一次電子數(shù)Ne之比：光電倍增管結構如圖所示。

一個光電倍增管可以分為幾個部分：（1）入射光窗、（2）光電陰極、（3）電子光學輸入系統(tǒng)、（4）二次倍增系統(tǒng)、（5）陽極。

入射光窗

入射光窗是讓光通過的部分。是由具有一定形狀、不同透過率的玻璃材料組成。

端窗光電倍增管的光窗形狀根據(jù)要求有各種形式：(a)球面窗(b)凹面窗(c)多梭鏡窗半球窗(牛眼)六角形四角形讓光通過的光窗(窗材料)一般有：

▲硼硅玻璃（300nm）▲透紫玻璃（185nm）▲合成（熔融）石（160nm）

▲藍寶石(Al2O3)—150nm▲MgF2(115nm)

光電倍增管光譜短波閾由入射光窗決定。光窗材料透過率曲線光電陰極光電陰極是接收光子而放出光電子的電極。一般分為半透明（入射光和光電子同一方問）的端面或四面窗陰極和不透明（入射光的方向與光電子方向相反）。見圖（2）電子軌跡圖。電子軌跡圖

(1)單堿Sb-Cs

特點是：陰極電阻低，允許強光下有大電流流過陰極的場合下工作）

(2)雙堿（Sb-RbCs、Sb-K-Cs）

特點是：靈敏度較高暗電流小-熱電子發(fā)射小）

(3)高溫雙堿（Sb-K-Na）

特點是：耐高溫-200℃

(4)多堿（Sb-K-Na-Cs）.

特點是：寬光譜靈敏度高

(5)Ag-O-Cs多堿

特點是：光譜可到近紅外、靈敏度低

(6)GaAs（Cs）特點是：高靈敏光譜平坦強光下容易引起靈敏度變壞）。

(7)Cs-I

特點是日盲，光譜范圍是115～200nm，在115nm的短波也有高的靈敏度

(8)Cs-Te

特點是：日盲、陰極面透過型和反射型）

光電倍增管光譜短波閾由入射光窗決定。

(9)GaAsP(Cs)

用銫激活的GaAsP（Cs）晶體主要用于透射型光陰極面。這種光電面在紫外區(qū)域幾乎不靈敏而在可見光區(qū)域具有非常高的量子效率。和其它光陰極面相比，對于強入射光容易引起靈敏度變壞，這點必須注意。

(10)InGaAs(Cs)

這種結構在靈敏度上比GaAs(Cs)更向紅外方向延伸，而且在900nm～1000nm附近的量子效率比Ag-O-Cs好得多

(11)InP/InGaAsP(Cs),InP/InGaAs(Cs)

電場輔助型光陰極面(Field-assistedphotocathode)使用了PN結，這種PN結是通過使用InP基板生長InP/InGaAsP,或InP/InGaAs層形成的。電場輔助性光陰極面在研發(fā)中采用了我們獨有的半導體微細加工技術。在光陰極面上加偏置電壓，降低導帶壁壘。使得這種結構在到1.4μm或到1.7μm長波方向的大范圍內具有高靈敏度，而目前為止光電倍增管還無法實現(xiàn)如此大范圍波長探測。不過，由于在常溫下暗電流大，這種光陰極面工作時必須冷卻到-60～-80℃。電壓(V)

溫度(℃)光陰極電流與所加電壓的關系曲線陰極電阻與溫度關系曲線我公司生產的PMT的陰極材料主要是：

(1)Sb-Cs(2)雙堿（Sb-RbCs、Sb-K-Cs）

(3)高溫雙堿（Sb-K-Na）

(4)多堿（Sb-K-Na-Cs）電子光學輸輸入系統(tǒng)電子光學輸入系統(tǒng)由光電陰極和第一倍增極之間的電極結構(加速極、聚焦極)以及所加的電位構成，它使光電子盡可能多地聚焦在第一倍增極上。在快速光電倍增管中，還要求電子光學輸入系統(tǒng)使光電子渡越時間分散最小。電子光學輸輸入系統(tǒng)

根據(jù)管子使用目的、陰極的形狀和尺寸、倍增系統(tǒng)結構，目前有下面幾種類型的電子光學輸入系統(tǒng)圖(B)所示的這種結構是與百葉窗或盒柵型倍增系統(tǒng)結構配合使用的結構。這里電子光學系統(tǒng)由四部分組成：陰極表面1、與陰極同電位的側壁金屬鋁膜2、膜片3和第一倍增極4。膜片上通常有一個方孔或園孔，稱為膜孔。二次電子倍增系統(tǒng)二次電子發(fā)射倍增系統(tǒng)由若干倍增極組成（圖）。工作時各電極依次加上遞增的電位。從光電陰極發(fā)射的光電子，經過電子光學輸入系統(tǒng)入射到第一倍增極上，產生一定數(shù)量的二次電子，

這些二次電子在電場作用下入射到下一個倍增極，二次電子又得到倍增，如此不斷進行，一直到電子流被陽極收集。倍增極種類倍增極有許多種類，由于它的結構、級數(shù)等不同而使電流增益、時間響應特性、線性電流、均勻性、二次電子收集效率等不同，要根據(jù)使用的目的作相應的選擇。下面介紹各種倍增極的特點。一環(huán)形聚焦型（C.C）

1小型緊湊

2時間響應特性也好。代表管型：側窗型和小型的部分端窗管如R105、1P21、R212、R928、CR131、R5610、R1705、R980。

二盒柵型（BG）特點：

1光電子收集效率高

2均勻性好。代表管型：R228R550CR110CR119（R1307）CR105

三直線聚焦型（L）

特點：

1時間響應好（快速）

2時間分辨率好

3脈沖均勻性好代表管型：（端窗管型）R329R331R580CR166CR115▲補償電極設計在直線聚焦結構中，由于電極形狀和相對位置的設計，使得電極表面不同點發(fā)射的電子幾乎具有相等的渡越時間－補償設計，如圖所示，從倍增極1上不同點例如A1、B1、C1、D2發(fā)射電子到達2時的軌跡是不等長的(A1A2最長，D1D2最短)，但是從2上這些對應點A1、B1、C1、D2進一步發(fā)射的電子，到達3正好相反A2A3最短，D2D3最長。這種較長和較短的軌跡交替結果，使得總的渡越時間差減小?！铀贄U的直線聚焦結構帶加速桿的直線聚焦結構如下圖。是一般直線聚焦結構的改進，在倍增系統(tǒng)中插入的加速桿有很高的電位。

例如倍增極4前的加速桿連接到6上，而與6同電位，因而增強了4的表面電場。而且，電極有效工作區(qū)只限于弧面部分，因此，加速桿實際上幾乎不截獲電子，也不會對于下一個電極發(fā)射電子產生不良影響四百葉窗型（VB）特點

1第一倍增極的有效面積大，易制成較大陰極的PMT2耐磁牲好、

3輸出電流大、

4增益高▲代表管型：R1513R887EMI9635QB等五細網型（FM）

特點：

1耐磁性能好（強磁場下工作）

2均勻性好

3倍增極短、平行電場、具有位置探測功能。代表管型：R3432-01R2490-05R5064R4721及細網型的多陽極的PMT（H41394140-01）等六MCP（Microchannel微通道板）特點是：▲好的時間響應（0.1-0.3ns）▲小型高增益、▲強磁場下工作、▲二維高空間圖像分辨率▲對帶電粒子、紫外線、X射線、

r射線、中子都很靈敏、▲低電耗、小型、重量輕代表管型：R2809UR2024R2566等七金屬通道型MetalChanneltype(Mc)

金屬通道型是用機械加工的技術制造出緊湊陽極結構，各個倍增極間狹窄通道空間，使其比任何常規(guī)結構的光電倍增管可以達到更快的時間響應速度(0.6～1.4ns)。并可適應于位置靈敏探測。代表管型有：R5900U-01、R5900U-00L-16。

總結：

A從時間響應看：倍增系統(tǒng)通常可分為慢響應(上升時間約為10～20ns)、快響應(上升時間約為1～4ns)、和超快速響應(上升時間＜1ns)等三類。盒柵型(BG)和百葉窗型(VB)等均屬于第一類；環(huán)形聚焦(CF)和直線聚焦(LF)一般屬于第二類；微通道板型(MCP)屬于第三類。

B從線性電流看：細網型結構的輸出線性電流大(300～1000mA)、其次是微通道板型結構(～700mA)、直線聚焦型結構(10～250mA)、輸出線性電流最小的是盒柵型和環(huán)形聚焦結構。

C從收集效率看：收集效率最高的是盒柵型結構，其次百葉窗型結構。

D從增益看：百葉窗型結構級數(shù)可以任意改變，以適應不同增益的要求。不同結構的電子運動軌跡(a)百葉窗型(VB)；(b)盒柵型(BG)；(c)線性聚焦型(LF)；(d)環(huán)形聚焦(CF)；(e)細網型(FM)；(F)金屬薄片型道數(shù)不同倍增極結構的單電子譜每道計數(shù)率mA不同倍增極結構的線性電流變化率%電場(Tesla)x10-4不同倍增極結構管子的磁場效應X－軸―――Y－軸.…Z－軸－倍增極類型：BG－盒柵型、LF－線性聚焦型、VB－百葉窗型、CF－環(huán)形聚焦型倍增極材料要求對倍增極（二次電子發(fā)射）材料的要求是：

▲足夠大的二次發(fā)射系數(shù)▲熱電子發(fā)射小▲工作穩(wěn)定性好對高溫光電倍增管中，還要求倍增極高溫性能好。倍增極材料目前常用的倍增極的倍增極材料有：

銻-堿（Sb-CsSb-K-Cs）多堿化合物(Na－K－Sb－Cs)

銅鈹合金（Cu-Be）磷化鎵（GaP）磷砷化鎵（GaAsP）等。一次電子的加速電壓(V)二次發(fā)射系數(shù)與一次電子加速電壓的關系曲線二次電子發(fā)射系數(shù)δ▲銻堿化合物用作二次發(fā)射體是成功的。但是在制作光電陰極和倍增極工藝條件不可能相同，因而對陰極合適的化學成分的組成，未必就完全適合二次發(fā)射體的化學成分的組成。銻堿化合物存在一些缺點：必須在較高的真空中生成和保存，一旦暴露在空氣中，銻堿化合物立即遭到破壞；工作或存放溫度太高時(如100℃以上)，化合物會出現(xiàn)分解現(xiàn)象；電流密度超過100mA/cm2時，穩(wěn)定性會變差。▲多堿陰極(S-20)的典型化學組成是Na2KSb-Cs。這種化合物的二次發(fā)射系數(shù)很大。但是在光電倍增管制造過程中，要使每個倍增極上的發(fā)射體表面同時具有嚴格的化學組分是比較困難的。所以工藝要嚴格控制。多堿陰極(S-20)的典型化學組成是Na2KSb-Cs。這種化合物的二次發(fā)射系數(shù)很大。但是在光電倍增管制造過程中，要使每個倍增極上的發(fā)射體表面同時具有嚴格的化學組分是比較困難的。所以工藝要嚴格控制?！辖鸩牧?如Mg-Ag、Cu-Be)

合金材料在未經銫敏化時，其發(fā)射層在空氣中是比較穩(wěn)定的，在大電流轟擊下，合金表面比銻堿化合物也有更好的穩(wěn)定性，另外，溫度穩(wěn)定性好。因此對于較大脈沖電流的的快速光電倍增管和高溫光電倍增管，往往都采用合金倍增極。陽極陽極是最后收集電子，并給出電信號的電極。其要求是：▲與未級倍增極之間有最小的極間電容▲允許有較大電流密度其結構有：▲柵網狀▲窄縫部(棒狀)陽極結構

(b)棒狀陽極結構

(a)柵網狀的陽極結構▲最簡單又最常用的柵網狀陽極，優(yōu)點是：

(1)恒流源特性。陽極可以盡量靠末級倍增極，因此，在很低的陽極（對末級倍增極而言）電壓下，陽極就能把末級倍增極發(fā)射出的二次電子收集過來。從很低的陽極電壓開始，陽極電流就不隨陽極電壓而變化。

(2)減少空間電荷效應，增大輸出線性電流。

(3)減小陽極和其他電極之間的電磁耦合但是柵網狀陽極也存在二個基本缺點：◎第一，陽極截獲一部分來自末前級倍增極的電子(約10%～20%)使最后一個倍增極的電子收集效率降低；◎第二，末級發(fā)射的電子與一次電子逆向飛行，其中一部分二次電子不是立即為陽極所接收，而是穿過網孔，在拒斥場中減速飛行。當電子的動能減小到零以后，再折回來到達陽極，或穿過陽極縫隙重復上述過程，這就所謂產生“電子振蕩”。▲棒狀陽極結構是由一個圓柱和一塊平板組成，中間有一個窄縫，允許末前級的一次電子穿過(見圖)。圓柱可以做得很大，它不載獲一次電子而又能有效地收集來自末級的電子。這種結構基本上消除了柵網狀陽極的截獲電子和振蕩等缺點。這種結構還很容易設計成同軸輸出結構，以保證與負載有好的阻抗匹配。性能參數(shù)光電倍增管的參數(shù)和特性是評價管子性能的主要標志。▲光電倍增管的工作過程是一個光電轉換、電子倍增和信號輸出在內的復雜物理過程，需要用多種參數(shù)表征其工作的特性。▲光電倍增管品種繁多，應用廣泛，需要用許多參數(shù)來表征其品種和使用要求。

例如：▲為了鑒別光電倍增管的弱光探測能力，常常用暗電流和“信噪比”作為挑選管子的主要參數(shù)；在直流法測光時，又常常用暗電流等效輸入表征管子“靈敏閾”；在光子計數(shù)測光應用中單光子譜和噪聲譜是一個關鍵特性；在各類能譜儀中，幅度分辨率、等效噪聲能當量更具有實際意義；在低本底液閃計數(shù)中，符合本底計數(shù)引起人們的關注。在這些參數(shù)之間，本質上有一定對應關系，

例如：▲

137Cs+NaI(Tl)組合件的能量分辨率就與光電倍增管的藍光靈敏度有一定關系，但有些則互不相關。總之，由于我們不能用一類參數(shù)來表征幾種不同的物理過程，也不能用一種參數(shù)來表征諸方面的使用要求，因此，適當將光電倍增管的參數(shù)進行分類是必要的，也是有益的。光電倍增管的參數(shù)和特性可分為三類：▲基本參數(shù)▲應用參數(shù)和特性▲運行特性（有時候，人們根據(jù)光電倍增管測試時的狀態(tài)不同，分為直流參數(shù)、脈沖參數(shù)和特性及例行特性）?；緟?shù)是光電倍增管質量最本質的反映，它們常常與管子的工作機理、結構特征、材料性貭和制造工藝等緊密相關?！帢O光照靈敏度、▲輻射靈敏度、▲量子效率、▲陽極靈敏度、▲電流放大倍數(shù)（增益）、▲暗電流▲光譜響應等應用參數(shù)和特性與光電倍增管的應用方法和探測對象有關。它通常反映某種應用的特殊要求。▲脈沖幅度分辨率▲噪聲能當量▲計數(shù)坪特性▲光子計數(shù)中的暗噪聲計數(shù)▲單電子分辨率和峰谷比運行特性與光電倍增管的工作條件、工作環(huán)境有關，它通常表征光電倍增管所能承受的外部條件的限制和管子本身的使用極限?！鴾囟忍匦浴€(wěn)定性、▲最大線性電流、▲抗磁干擾特性和抗沖擊振動特性一靈敏度

靈敏度是衡量光電倍增管的重要參數(shù)。靈敏度一般分為輻射靈敏度和光照靈敏度?！椛潇`敏度定義為：光電倍增管的輸出的光電流除以入射輻射功率所得的商，通常用mA/W或A/W表示?！庹侦`敏度定義為：光電倍增管輸出光電流除以入射光通量所得的商，通常以μA/1m或A/1m表示。光電陰極的靈敏度一般用光照靈敏度表示，有些運用場合（如閃爍計數(shù)）更需要用藍光靈敏度表示，因為它與閃爍計數(shù)使用的閃爍體發(fā)射光譜非常相近，在分光光度計應用中需要探測近紅外的光譜，常采用紅光靈敏度或“紅白比”表示陰極光照靈敏度測試系統(tǒng)如圖陰極靈敏度的測試系統(tǒng)陽極光照靈敏度同樣可按下面測試系統(tǒng)進行測量。陽極靈敏度測試系統(tǒng)測量陽極光照靈敏度有兩種方法：▲一種是固定陽極輸出電流，測陽極電壓；▲一種是固定陽極電壓，測陽極電流。

二量子效率量子效率定義為：(在給定輻射波長下)陰極發(fā)射的光電子數(shù)與入射光子數(shù)的比值。這個值通常以百分數(shù)表示，可按下式進行計算：

QE=SKх1240/λх100%...

這里SK是給定波長下的輻射靈敏度，單位為mA/W，λ為波長,單位為nm.

例如：R1307光電倍電管，其峰值波長為420nm，陰極輻射靈敏度為95mA/W，那么量子效率為：

QE=95×10-3×1240/420=28%

三光譜響應光電陰極的光電發(fā)射是選擇性的光電效應，長波響應截止波長由光電陰極材料的性質決定，而短波閾主要決定于窗材料。不同的窗材料和光電發(fā)射層有不同的光譜響應曲線，見圖。就是同一類型的管子，其光譜響應曲線也因制造工藝不同而在極大范圍內變化。波長(nm)透射式光陰極反射式光陰極波長(nm)四電流放大倍數(shù)（增益）光電倍增管的電流增益是光電倍增管的陽極輸出電流與光陰極的光電流的比值。在理想情況下，假定每個倍增極的平均二次發(fā)射倍數(shù)為δ，具有n個倍增極光電倍增管的電流增益為δn。一般說來，二次發(fā)射系數(shù)要由下式給出：

δ=A.(VD)α

這里A為一常數(shù)，VD為極間電壓，α為倍增極材料及其n個結構決定的系數(shù)，ɑ的值一般介于0.7~0.8之間。

這樣，具有n個倍增極，當陰極與陽極間加入電壓為V，光電倍增管的電流增益表示為：

G=δn=｛A(VDα)n=﹛A.(V/n+1)α﹜n=An/(n+1)αn

Vαn=KVαn

這里K=An/(n+1)an，由上式可知，電流增益與工作電壓的an次方成正比。工作電壓(V)增益與工作電壓的關系曲線增益陽極光照靈敏度A/lm增益的測試方法▲方法一首先，在足夠弱的光通量下測定某一規(guī)定電壓下的陽極電流IA，然后使光通量增強M倍(一般是去掉一些中性減光片和改變光源與光電倍增管的距離，但不改變光源的光譜分布)，測定陰極電流IK；于是電流增益可按下式進行計算：

▲方法二

首先，選擇入射光通量并降低工作電壓，使得剛好能測出陰極電流IK1；與此同時，測定陽極電流IA1，該陽極電流是陰極電流某一倍數(shù)(例如1000倍)。其次減弱光通量某一適當?shù)谋稊?shù)(加適當?shù)闹行詾V光片)，并測定較小的陽極電流IA2。然后，在入射光通量不變情況下，把高壓升高到正常值，再一次測定陽極電流IA3。這樣，電流增益可按下式計算：式中：IK1、IA1－分別為低工作電壓下的陰極電流與陽極電流；

IA2―――同一工作電壓下，光通量減弱到正常值時的陽極電流；

IA3―――同一弱光通量下工作電壓升高至正常值時的陽極電流。注意：陰極電流和陽極電流互成比例。▲方法三也是最復雜的方法。調節(jié)光通量和電壓分別測出每一個倍增極的二次發(fā)射系數(shù)：δ1、

δ2、….δN，那么增益：

G=δ1×δ2...δn………

▲方法四

最方便簡單的方法就是分別測出陽極光照靈敏度SA與陰極光照靈敏度SK，然后利用下式計算出來，即：

▲方法五電子槍法。此方法適用于合金材料(Cu-Be)。利用電子槍產生原電子流，垂直轟擊待測材料制作的靶面，由此得到二次電子，并被收集極收集，其工作原理如圖所示。收集極所收集到的電流值與入射靶面的原電流值之比，即為材料的二次電子發(fā)射系數(shù)。

K－電子槍陰極；M－調制極；A1、A2－陽極

D－靶；C－收集極電子槍法測量二次電子發(fā)射系數(shù)的電路五暗電流當光電倍增管無光照射時（嚴格說來完全隔離輻射時）所產生的電流稱為暗電流。工作電壓(V)暗電流與工作電壓的關系曲線如圖可見，暗電流隨工作電壓的關系可分為三個部分：a區(qū)(低壓區(qū))主要是漏電流；b區(qū)(中壓區(qū))主要是熱電子發(fā)射；c區(qū)(高壓區(qū))主要是場致發(fā)射，玻璃及電極支撐材料的發(fā)光?！鲆话阏f來，引起暗電流有如下幾個原因：▲歐姆漏電歐姆漏電主要是指管內漏電和管外漏電。管壁玻璃表面（包括芯柱）管座、管基上的電阻漏電，即所謂“管外漏電”。而管子在制造過程中還有一些堿金屬蒸汽附凝在絕緣支架上，形成“管內漏電”。歐姆漏電通常比較穩(wěn)定，因而它對暗電流噪聲的貢獻是小的。管子在低電壓工作時歐姆漏電為暗電流的主要成分?！鵁犭娮影l(fā)射由于光電陰極和倍增極的材料具有較低的逸出功，即使在室溫下也有一定的熱電子發(fā)射，與陰極光電子一樣被倍增。在管子正常工作條件下，陰極的熱發(fā)射是暗電流的最主要成分。這種熱發(fā)射的電流對非常弱的光信號探測顯得極為重要。熱電子發(fā)射的效應可由理查(W.Richardson)公式表示：式中，φ：功函數(shù)、T：絕對溫度，e：電子電荷、A：常數(shù)、κ：玻耳茲曼常數(shù)熱發(fā)射電子和光電子一樣經過倍增系統(tǒng)倍增。因為增益通常隨電壓增加而指數(shù)增加，熱發(fā)射電流也隨電壓增加而指數(shù)地增加，或者說，熱發(fā)射電流的對數(shù)值正比于工作電壓。目前，好的雙堿陰極，室溫的熱發(fā)射可以達到幾個電子/cm2．S。各種陰極材料的熱發(fā)射密度典型值和各種光電倍增管的陽極暗電流與溫度的關系可見圖。溫度(℃)光電倍增管陽極暗電流與溫度關系曲線冷卻光電倍增管是減小熱電子發(fā)射效應的有效方法，如銻銫陰極的管子從室溫25℃冷卻到0℃時，能使暗電流的熱發(fā)射成分減到1/10。常用陰極除Ag-O-Cs以外所有陰極，其暗電流的熱發(fā)射成份在冷卻到-20℃，實際上已消除，再往下冷卻，已沒有顯著效果。另外，在無需大面積陰極的情況下，可采用“磁散焦技術”控制管子有效面積，對減小熱發(fā)射造成的暗電流是有效的。▲殘余氣體電離（離子反饋）▲場致發(fā)射▲玻璃發(fā)光當電子脫離預定軌道飛出，打在玻璃殼時會產生輝光（玻璃熒光）并導致暗電流增加。當金屬屏蔽與玻璃殼接觸時（負高壓使用），金屬屏蔽與管殼表面之間會產生放電，引起暗電流增加和工作不穩(wěn)定。解決的方法，可以使用正高壓，或者采用濱松公司在光電倍增管玻殼上涂敷導電層并與陰極同電位的所謂“ＨＡ”涂層加以解決

▲契倫柯夫光子光電倍增管的窗材料可能含有少量鉀（也有少量的鐳和釷），它衰變時產生β粒子；另外宇宙射線中的μ介子它們穿過窗時，產生契倫柯夫光子，從而引起暗電流。暗脈沖的大幅度閃爍脈沖就是由于這個效應引起的。雖然用石英窗的管子可以大大克服這個效應，由于外來宇宙射線和輻射的影響，這個效應仍然不能完全消除?！霭惦娏鞅硎痉椒ǎ骸绷鞅硎尽惦娏鞯刃Ч廨斎胗袝r為了方便選擇工作點和便于了解所選擇的光電倍增管能探測到最弱的光強(光通量)，又常用等效陽極暗電流光輸入EADCI(EquivaientAnodeDarkCurrentInput)來表示。把暗電流轉換成與陽極暗電流相等的陽極電流所必須的入射光通量，用流明(lm)或瓦特(W)來表示，所以可以用下面式子計算出來EADCAI(lm)=暗電流(A)/陽極光照靈敏度(A/lm)

▲暗電流等效噪聲暗電流等效噪聲一般用相關的均方根散粒噪聲表示。

e是電子電荷；△f是測量儀器的帶寬；

G管子的增益；Id是暗電流六時間特性為了表征光電倍增管的時間特性，一般采用：▲脈沖上升時間、▲脈沖響應寬度、▲渡越時間▲渡越時間分散（TTS）—時間分辨率等參數(shù)表示。

對于光電倍增管時間特性測量必須建立合適的測試裝置。需要解決三大問題：1光源獲得(光脈沖的持續(xù)時間比待測光電倍增管輸出脈沖的持續(xù)時間窄得多－最大為1/3的光源。而可用光源有：▲發(fā)光二極管(LED)光源。典型的上升時間可達500ps。T1.T2采用2SC1254可達100MHz▲火花光源(水銀浸濕開關火花光源)其上升時間約為500ps。但常帶有指數(shù)型尾巴▲氣體放電光源(氫燈、氮氣燈)?！i模激光光源。He－Ne激光器(633nm)的脈沖寬度約為1ns，Ar激光器(588nm和514nm)的脈沖寬度約為250ps；而Nd：YAG激光器的脈沖寬度約為1ps～50ps)。而Nd：YAG激光器是快速PMT的時間測量最為有用的光源▲快閃爍光源－由核輻射源和快的塑料閃爍體組成的光源，典型的上升時間為400ps，下降時間約為1.5ns2分壓器設計3信號輸出的連接方式陽極脈沖上升時間是當管子由非常短閃光（δ函數(shù)光源）照射時，從輸出脈沖前沿峰值的10%上升到90%所需的時間。上升時間測試原理方框圖如圖所示。上升、下降、渡越時間示意圖上升時間測試原理方框圖渡越時間是指光脈沖閃光到達陰極的瞬間與管子輸出脈沖上升到一定數(shù)值的瞬間（例如輸出脈沖前沿半幅度處的時刻）兩者之間的時間間隔。渡越時間測試原理方框圖

5(ns)/格

工作電壓(V)

時間響應特性與電壓關系曲線

R943輸出波形七線性電流線性電流是表征光電倍增管的陽極輸出電流與入射光通量的關系。一般定義為偏離10%時的電流為線性電流輸出電流與入射光通量的線性曲線脈沖輸出電流線性電流的大?。骸c管子結構類型▲工作電壓▲分壓器設計等有關。破壞線性關系的來自兩個方面：◎在線性低端：即輸入信號很弱時受到光電倍增管的暗電流干擾；這決定了光電倍增管所能探測的最低信號?！蛟诰€性高端：即輸入信號很強時受到各種因素的影響通常由下面的幾個因素引起：

A光電陰極的電阻效應。

B分壓效應，即分壓器網絡不能提供足夠的電流來維持管子的倍增極和其它電極處于恒定的工作電壓。

C空間電荷效應光電倍增管的線性電流測量有：▲直流法(采用直流光源，一般用LED或鎢絲燈泡)▲脈沖法(脈沖光源)

(1)直流法通過快門選擇求出不同快門開啟狀態(tài)下與陽極電流的關系，如圖所示。在光源和光電倍增管之間安裝有4個帶快門的縫隙，按1，2，3，4的順序開啟縫隙及將4個全部開啟。分別測出打開各個快門及4個快門同時打開時相應的光電倍增管的輸出電流I1，I2，I3，I4，I0。然后求出(I1+I2+I3+I4)和I0的比。該值表示偏離線性的大小，如果是線性，則I0=I1+I2+I3+I4，該值為零，即沒有偏離線性。(2)脈沖法(偏振片法)測試方框圖如圖所示。測試時旋轉偏振片組的角度調節(jié)入射到光陰極的光通量，并且測出相應的輸出脈沖電流，然后作出輸出電流與相應光通量的關系曲線，脈沖輸出電流偏離該曲線的外推直線達10%時的電流即為最大線性電流。

(3)XY示波器法測試方框圖如圖所示。工作在低光通量的的光電倍增管應選用快速管，使在低光通量下輸出波形不會畸變。此外，要將示波器的X軸和Y軸的靈敏度分別調節(jié)到合適的值。

(3)XY示波器法測試方框圖如圖所示。工作在低光通量的的光電倍增管應選用快速管，使在低光通量下輸出波形不會畸變。此外，要將示波器的X軸和Y軸的靈敏度分別調節(jié)到合適的值。線性電流測試方框圖(XY示波器法)當兩個光電倍增管的脈沖幅度完全成比例時，在示波器上觀察到一條直線，當脈沖輸出電流偏離外推直線達10%時的電流值即為最大線性電流。八穩(wěn)定性在閃爍計數(shù)和光度學測量中，光電倍增管的穩(wěn)定性是非常重要的。尤其是甄別接近于相等能量的核衰變所產生的全吸收峰，光電倍增管的穩(wěn)定性是必須認真考慮的一個參數(shù)。它與管子的工作電壓、陽極與末極電壓、陽極輸出電流大小、工作時間、休息時間、工作前管子的經歷、倍增極的材料及制造工藝有關。實驗證明：光電倍增管輸出信號隨工作時間變化表現(xiàn)為兩個過程，所不同的只是過程的“建立時間”不同而已，而以后都表現(xiàn)為穩(wěn)定而平衡的工作狀態(tài)。光電倍增管陽極電流隨時間變化曲線要使光電倍增管處于比較穩(wěn)定的工作狀態(tài)，必須對光電倍增管進行“老化”。老化可以改善光電倍增管的穩(wěn)定性。但是，穩(wěn)定性的改善程度與老化電流、老化時間及制造工藝有關。同時也可以進行“預熱處理”(亞工作狀態(tài)，即小信號下工作)，這也能達到提高穩(wěn)定性的目的，見圖。建議最好在光電倍增管工作30分鐘后再取數(shù)據(jù)，并也可以采用穩(wěn)定技術，例如“穩(wěn)峰技術”。老化前后的穩(wěn)定性比較圖預熱前后的穩(wěn)定性比較圖相對陽極電流相對陽極電流▲第一過程是“快變化”過程。其建立時間一般有幾十分鐘到幾小時?！诙^程是“慢變化”過程。它與倍增極的二次發(fā)射系數(shù)隨時間很慢變化相聯(lián)系。在強調穩(wěn)定性工作的場合，建議平均陽極電流最好在1μA或更低。九脈沖參數(shù)(應用參數(shù))1脈沖幅度分辨率脈沖幅度分辨率是表示光電倍增管在光(脈沖光或閃爍光)照射下，其輸出的脈沖幅度譜上所研究的峰的半寬度△P與峰值脈沖幅度P的比值，見圖。即：△PP幅度分辨率一般有下面幾種表示方法：

(A)閃爍探測器NaI(Tl)對輻射源(137CS)的幅度分辨率這種分辨率主要是光陰極的量子效率、光電子的收集效率和空間均勻性以及閃爍體分辨率的函數(shù)。即：這里RS表示閃爍體固有分辨率、RP是光電倍增管的固有分辨率，兩者均與γ射線能量有關。測試方框圖如圖所示。137CS輻射源直接置于閃爍體入射窗中心，用硅油將它與待測光電倍增管進行光耦合。NaI(Tl)閃爍體的直徑和厚度最好與光陰極直徑近似相等。閃爍探測器幅度(能量)分辨率測試方框圖

(B)固有幅度分辨率固有幅度分辨率測試方框圖如圖所示。采用合適的脈沖光源，例如LED光源。其入射到光陰極的光子數(shù)可通過減光器和偏振片組調節(jié)，使其輸出脈沖分布的峰值與137CS-NaI(Tl)產生的全能峰的峰位一致(在相同道數(shù)上)。光電倍增管固有幅度分辨率測試方框圖

(2)坪特性坪特性是光電倍增管在光子計數(shù)和閃爍計數(shù)測量中的一個應用參數(shù)。它是表征在光子數(shù)一定時，在一定甄別閾電壓下，在計數(shù)電路中測得的計數(shù)率隨光電倍增管的高壓變化的特性。在某一區(qū)域內，其計數(shù)率基本上不隨高壓的變化而改變，如繼續(xù)增加高壓時，計數(shù)率就迅速增加，我們把這一特性稱之為光子計數(shù)器的坪特性（閃爍計數(shù)器的坪特性）如圖所示。電壓(V)A點為坪的起點，B點為坪的結束，AB區(qū)被稱作坪區(qū)。。為了表征光子計數(shù)器的坪特性，通常采用坪長、坪斜二個參數(shù)。如圖(3-216)所示，以VB和VA分別表示坪兩端電壓，以NB和NA分別表示坪兩端處的計數(shù)率，則：

VB－VA

表示坪長表示坪斜很顯然這個坪特性與▲光電倍增管的陽極靈敏度(增益)、▲與暗電流相關的噪聲有關。如圖所示。一般說來，光電倍增管增益低、噪聲小坪就長。不同陽極光照靈敏度(增益)的坪曲線不同噪聲能當量的坪曲線不同溫度的坪曲線

十滯后效應當工作電壓或入射光產生變化之后，光電倍增管會有一個幾秒鐘到幾十秒鐘的輸出不穩(wěn)定過程。在達到穩(wěn)定狀態(tài)之前，輸出信號會有些微小的過脈沖或欠脈沖現(xiàn)象。是光滯后、電壓滯后的波形圖。光滯后電壓滯后十一均勻性均勻性是指入射光射到光陰極不同位置時的輸出靈敏度變化。

均勻性測試是用小光點(1mm)在光陰極面上二維方向掃描時輸出電流變化，一般用坐標(X、Y)圖來表示。測試系統(tǒng)如圖所示。均勻性測試系統(tǒng)均勻性與波長的關系光電倍增管均勻性曲線光電倍增管的特點▲

高靈敏度(增益可達106～107)，可進行單光子測量。▲能輸出大的信號電流(脈沖電流可達幾百mA)▲快速響應(脈沖上升時間可達1ns，甚至可達幾十ps。目前最快的光探測器。▲既可以探測光，又可以探測射線▲波長范圍寬(真空紫外110nm～近紅外)▲大的受光面積(對于不同使用目的，可選擇10～75mm的受光面，最大直徑～20”?！稍诟邷叵鹿ぷ?最高工作溫度可達200℃)。▲內部高內阻，分布電容小，是理想的恒流源。一光電倍增管的應用光電倍增管是將光轉變?yōu)殡娦盘柌⒕哂蟹糯笞饔?增益為104～107)的電真空器件。它具有低噪聲、高增益、快速響應?？梢哉f光電倍增管是一種理想的低噪聲、寬頻帶、高增益的放大器。由于光電倍增管具有這些特性，使其在天文、地理、地質、物理、化學、生物、醫(yī)學、考古學等領城中獲得越來越廣泛的應用；在科學研究、軍事技術和工農業(yè)生產中起著日益重要的作用。光電倍增管應用非常廣泛，可以說凡是有光的地方，大多數(shù)探測射線的場合，或者說同位素應用的場合，都會用到光電倍增管，利用光子技術要做的事是無窮無盡的。光電倍增管在光分析儀器、醫(yī)療儀器、環(huán)境監(jiān)測、微弱光檢查、工業(yè)檢查(射線探測儀器---同位素應用儀器)、高能物理等領城中得到廣泛應用。下面從光的測量和射線深測方面簡略的介紹光電倍增管的應用。一光度測量和光譜分析(光分析儀器)▲光密度計和采色密度計

采色掃描儀的結構示意圖▲熒光分光光度計

利用可見和紫外光照射物質，使其發(fā)出比照射光的波長更長的光。該發(fā)光機理如下圖(3-289)所示，把這種光稱為熒光。測出發(fā)光的強度、光譜、就可對物質進行定量定性分析?！馕辗止夤舛扔?紫外、可見、紅外分光光度計)釆用兩種光源：鎢絲燈(可見光和紅外光)、氫燈(提供紫外區(qū)光輻射)與光密度計一樣測出消光值：logp0/pt。根據(jù)下式求得所測物質的濃度C。式中：ε為消光系數(shù)，由標準溶液標定。l為光穿過樣品池的厚度。(a)吸收光度法原理圖(b)分光光度計的構成圖▲原子吸收分光光度計

原子吸收分光光度計工作原理與分子吸收分光光度計相似。只不過一個是分子吸收光譜，一個是原子吸收光譜。光源采用相應的空心陰極元素燈，采用兩種加熱方法：“火焰化”、“石墨爐加熱法”。原子吸收分光光度計裝置光學系統(tǒng)圖一體化原子吸收光譜儀外形圖二微弱光測量▲發(fā)光免疫法使用化學發(fā)光物質和生物發(fā)光物質作為標記物，用各種方法使最后剩余的抗原體復合物里含有這些標記物發(fā)光，再用光電倍增管來探測這些光?；瘜W發(fā)光發(fā)應式見圖?；瘜W發(fā)光反應式光子計數(shù)原理方框圖光子計數(shù)法和電流法(擴