2.3 光电倍增管与光电管

b.盒栅型 这种结构包括一系列的1/4圆柱形的倍增极，并因其具有相 对简单的倍增极结构和良好的一致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 于对时间分辨率和线性脉冲要求较高的研究领域以及端窗型光 电倍增管中。 d.百叶窗型 百叶窗型结构的倍增极可以较大，能够应用于大阴极的光 电倍增管中。这种结构的一致性比较好，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 该结构有封闭的精密组合网状倍增级，因而具有极强的抗 磁性、一致性和脉冲线性输出特性。另外，在使用交叠阳极或 多极结构输出的情况下，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。这种结 构的每个通道都是一个独立的电子倍增器。MCP比任何分 离电极的倍增极结构都具有超快的时间响应，并且当采用 多阳极输出结构时，这种结构的光电倍增管在磁场中仍具 有良好的一致性和极强的二维探测能力。 g.金属通道型 金属通道型是滨松公司采用独有的机械加工技术所创造 的紧凑型阳极结构，其各个倍增极之间的狭窄通道空间特 性使其比任何常规结构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 混合型是将上述结构中的两种结构相互混合而形成的复 合型结构。混合结构的倍增极一般都可以发挥各自的优势。
六 使用特性
1.光谱响应
光电倍增管由阴极接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给出了双碱光电倍增管（其光阴极材料为Sb-RbCs和Sb-K-C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采用具有低逸出功能的碱金属材 料所形成的光电发射面。 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可见光的探测。
当工作电压或入射光发生变化之后，光电倍增管会有一个几 秒钟以上几十秒钟以下的不稳定输出过程，在达到稳定状态 之前，输出信号会出现一些微过脉冲或欠脉冲现象。这种滞 后特性在分光光度测试中应予以重视。
滞后特性是由于二次电子偏离预定轨道和电极支 撑架、玻壳等的静电荷引起的。当工作电压或入射光 改变时，就会出现明显的滞后。 一般情况下，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采用具有低逸出功能的 碱金属材料所形成的光电发射面。
2.光照灵敏度
由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要精密的 测试系统和很长的时间，因此，要为用户提供每一支 光电倍增管的光谱响应特性曲线是不现实的，所以， 一般是为用户提供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（即经过二次发射极倍增的输出电流）。
光电倍增管包括阴极室和由若干打拿极组成的二次发射 倍增系统两部分（见图）。
阴极室的结构与光阴极K的尺寸和形状有关,它的作 用是把阴极在光照下由外光电效应产生的电子聚焦在面 积比光阴极小的第一打拿极D1的表面上。
二次发射倍增系统是最复杂的部分。打拿极主要选择那 些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏度和二次发射系数 的材料制成。常用的打拿极材料有锑化铯、氧化的银镁合金 和氧化的铜铍合金等。打拿极的形状应有利于将前一级发射 的电子收集到下一极。在各打拿极 D1、D2、D3…和阳极A 上依次加有逐渐增高的正电压,而且相邻两极之间的电压差 应使二次发射系数大于1。这样,光阴极发射的电子在D1电场 的作用下以高速射向打拿极D1,产生更多的二次发射电子,于 是这些电子又在D2电场的作用下向D2飞去。如此继续下去， 每个光电子将激发成倍增加的二次发射电子，最后被阳极收 集。
在理想情况下，具有n个倍增极，每个 倍增极的平均二次电子发射率为δ的光电倍 增管的电流增益为δn。二次电子发射率δ 由下式给出： δ=A·Eα 这里的A为一常数，E为极间电压，α 为一由倍增极材料及其几何结构决定的系 数，α的数值一般介于0.7和0.8之间。
具有n个倍增极，阴极和阳 极间加入电压V的光电倍增管， 其电流增益μ即表示如右图。 一般的光电倍增管有9～ 12个倍增极，所以阳极灵敏度 与所加电压可以有106～1010 的变化。光电倍增管的输出信 号也特别地容易受到所加电压 的波动的影响，所以供电电压 一定要有很好的稳定性、较小 的纹波、漂移和温度系数。
侧窗型
端窗型
2 . 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表 面上沉积了半透明的光阴极（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，现在还出现了针对 高能物理实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。
阴极和阳极的光照 灵敏度都是以A/Lm （安培/流明）为单位， 请注意，流明是在可见 光区的光通量的单位， 所以对于光电倍增管的 可见光区以外的光照灵 敏度数值可能是没有实 际意义的（对于这些光 电倍增管，常常使用蓝 光灵敏度和红白比来表 示）
3.光电倍增管的光照特性
光照特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照 射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较 好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是 线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线 性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。
7. 温度特点
降低光电倍增管的使用环境温度可以减少热电子发射，从 而降低暗电流。另外，光电倍增管的灵敏度也会受到温度的 影响。在紫外和可见光区，光电倍增管的温度系数为负值， 到了长波截止波长附近则呈正值。由于在长波截止波长附近 的温度系数很大，所以在一些应用中应当严格控制光电倍增 管的环境温度。
8. 滞后特性
光电倍增管
一 概念:
光电倍增管：PhotoMultiplier Tube，简称 PMT，是一种能将微弱的光信号转换成可测 电信号的光电转换器件。是一种灵敏度极高， 响应速度极快的光探测器。
二 结构:
光电倍增管是一种真空器件。它由光电 发射阴极（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 光电倍增管的剖面结构图。
名称
原子吸收分光光度计
应用
特性
管型
分析各种元素时，需要 宽光谱响应；高稳定性； R928，R955，CR131 专用的元素灯来照射燃 低暗电流；高子效率； 烧并将雾化分离成厚子 低滞后效应；较好偏光 特性 状态的被测物质制成样 品，用光电倍增管检测 光被吸收的强度，您与 预先得到的标准样品进 行比较
2 缺点:
光电倍增管在各种感光器件中的生产成本是最高的，而 且由于一次只能扫描到一个像素，因此扫描速度很慢，扫描 一张图往往需要几十分钟。因此，光电倍增管现在只用在最 专业的鼓式（大滚筒）的扫描仪之上，这种扫描仪的价格非 常高昂，少则几十万元，多则上百万元，是一种可望而不可 及的贵族产品，不适合于一般家庭使用。
5. 阳极暗电流
光电倍增管在完全黑暗的环境下仍有微小的电流输出。 这个微小的电流叫做阳极暗电流。它是决定光电倍增管对 微弱光信号的检出能力的重要因素之一。
6. 磁场影响
大多数光电倍增管会受到磁场的影响，磁场会使光电倍 增管中的发射电子脱离预定轨道而造成增益损失。这种损 失与光电倍增管的型号及其在磁场中的方向有关。 一般而言，从阴极到第一倍增极的距离越长，光电倍增 管就越容易受到磁场的影响。因此，端窗型尤其是大口径 的端窗型光电倍增管在使用中要特别注意这一点。
五 光电倍增管的类型
1. 按接收入射光方式分类
可分成端窗型（Head-on）和侧窗型 （side-on）两大类。 1 . 侧窗型光电倍增管（R系列）是从玻 璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增 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 光电倍增管的外形图。 在通常情况下，侧窗 型光电倍增管（R系列）的单价比较便宜（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。大部分的 侧窗型光电倍增管使用不透明光阴极（反射 式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构， 这种结构能够使其在较低的工作电压下具有 较高的灵敏度。
2. 按电子倍增系统分类
光电倍增管之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发射系统的 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8～19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 环型聚焦型结构主要应用于侧窗型光电倍增管中，其主 要特点是结构紧凑和响应快速。
电子倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。聚焦型的打拿极 把来自前一级的电子经倍增后聚焦到下一级去，两极之间可能 发生电子束轨迹的交叉。非聚焦型又分为圆环瓦片式（即鼠笼 式）、直线瓦片式、拿栅式和百叶窗式。
四 优缺点: 1 优点:
在各种感光器件中，光电倍增管是性能最好的一种，无 论在灵敏度、噪声系数还是动态范围上都遥遥领先于其他 的感光器件，更难能可贵的是它的输出信号在相当大范围 内保持着高度的线性输出，使输出信号几乎不用做任何修 正就可以直接获得很准确的色彩还原。 另外，光电倍增管 还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。
三 工作原理:
当光照射到光阴极时，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发射得到的倍增放大。 然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。 这种扫描器件实际上是一种电子管，感 光 的材料主要是金属铯的氧化物，其中并掺杂 了 其他一些活性金属（例如镧系金属）的氧化 物 进行改性，以提高灵敏度和修正光谱曲线， 用 这材料制成的光电阴极射线管，在光线的照 射 下能够发射电子，我们可以称之为光电子， 它 经栅极加速放大后去冲击阳极，最终形成了 电 流。
10－1
阳 极 电 流 /A
10－3
10－5 10－7 10－9 10－10 10－13 10－14 10－10 10－6 10－2 光通量/1m 与直线最大 偏离是3% 在 45mA 处饱和
光电 倍增 管的 光照 特性
4. 电流放大（增益）
电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极 光电子电流的比值。 光阴极发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发射，以便产生多于光电 子数目的电子流，这些二次发射的电子流又被加速撞 击到下一个倍增极，以产生又一次的二次电子发射， 连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发 射被阳极收集，这样就达到了电流放大的目的。这时 光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。
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 不可见光的探测。
七 光电倍增管的应用
光吸收和光发射应用所适用的光电倍增管的型 号选择及特性
1. 利用光吸收原理
旋光仪、糖度计
旋光仪、糖度计是测定 物质旋光度的仪器，通 过肇光度的测定，可以 分析物质的浓度、含量 及纯度等
高稳定性；低蝉电流； 低滞后效应；较好偏光 特性
R142（GDB142）； R221（GBD221）
紫外/可见/近红外光光 度计