第4章 光电探测 E 光电倍增管 2013.10.25
光电倍增管原理
由于ICP光源的广泛使用，现在商品ICP光谱仪中光电直读光谱仪已占主要地位。
光电倍增管是光电直读光谱仪器中应用的检测元件。
光电倍增管由两部分组成：将入射光子转化为电子的光阴极，增大电子数目的倍增极。
光电倍增管的外壳由玻璃或石英制成，内部抽成真空。
光阴极上涂有能发射电子的光敏物质，在阴极和阳极之间联有一系列次级电子发射极，即电子倍增极。
阳极和阴极之间加以约1000V的直流电压。
在每两个相邻电极之间，都有50－100V的电位差。
当光照射在阴极上时，光敏物质发射的电子，首先被电场加速，落在第一个倍增极上，并击出二次电子。
这些二次电子又被电场加速，落在第二个倍增极上，击出更多的二次电子，依此类推。
由此可见，光电倍增管不仅起了光电转换作用，而且还起着电流放大作用。
光电倍增管具有波长区域宽（常用160~900nm）、线性范围大、放电增益高及噪声低等很多优点。
红外热成像由于黑体辐射的存在，任何物体都依据温度的不同对外进行电磁波辐射。
波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线。
热红外成像通过对热红外敏感CCD对物体进行成像，能反映出物体表面的温度场。
热红外在军事、工业、汽车辅助驾驶、医学领域都有广泛的应用。
红外窗口水汽分子是红外辐射的主要吸收体。
较强的水汽吸收带位于0.71～0.735μ（微米），0.81～0.84μ，0.89～0.99μ，1.07～1.20μ，1.3～1.5μ，1.7～2.0μ，2.4～3.3μ，4.8～8.0μ。
在13.5～17μ处出现二氧化碳的吸收带。
这些吸收带间的空隙形成一些红外窗口。
其中最宽的红外窗口在8～13μ处（9.5μ附近有臭氧的吸收带）。
17～22μ是半透明窗口。
22μ以后直到1毫米波长处，由于水汽的严重吸收，对地面的观测者来说完全不透明。
但在海拔高、空气干燥的地方，24.5～42μ的辐射透过率达30～60%。
在海拔3.5公里高度处，能观测到330～380μ、420～490μ、580～670μ（透过率约30%）的辐射，也能观测到670～780μ（约70%）和800～910μ（约85%）的辐射。
光电倍增管
常用的材料：
• Ag-O-Cs:近红外唯一具有使用价值的阴 极材料； • CsSb：可见、紫外区有较高的响应率； 多碱光电阴极（双、三、四碱）
电子光学系统
• 光电阴极至第一倍增极之间的区域。 • 结构：主要由聚焦电极和偏转电极组成。 • 两个作用：1. 使光电阴极发射的光电子尽 可能全部会聚到第一倍增极，将其他部分 的杂散热电子散射掉，提高信噪比。 • 2.使阴极面上各处发射的光电子在此系统中 渡越的时间尽可能相等，保证PMT的快速响 应。
端窗式
侧窗式
光电阴极
——把光电发射体镀在金属或透明材料（玻 璃或石英玻璃）上就制成了光电阴极 • 使用不同波长的各种辐射信号转换为电信号， 均依靠光电阴极。 • 光电阴极的主要参数 一、灵敏度 二、量子效率 三、光谱响应曲线 光照灵敏度 色光灵敏度 四、热电子发射 光谱灵敏度
结构：
反射式
透射式
a）百叶窗式b）盒栅式c)直瓦片式d）圆瓦片式
阳极
采用金属网作的栅网状结构，把它置 于靠近最末一级倍增极附近，用来收 集最末一级倍增极发射出来的电子。
结构示意图：
要求：
• 1. 接收性能良好，尽可能多的收集电子， 工作在较大电流时，不至于产生空间电荷 效应。 • 2.输出的电容要小
倍增系统
• ——由各倍增极构成的综合系统，各倍增极 都是由二次电子发射体构成。 • 二次电子发射： • 1.材料吸收一次电子的能量，激发体内电子 到高能态—内二次电子 • 2.内二次电子中初速指向表面的那一部分向 表面运动，在运动过程中因散射而损失能量。 • 3.如果到达界面的内二次电子仍有足以克服 表面势垒的能量，即逸出表面成为二次电子。
光电倍增管的特点
光电倍增管具有极高的灵敏度、快速 响应等特点在小信号（微弱光信号） 和快速脉冲信号方面应用较多，如航 天、材料、生物、医学、等领域。
光电技术 第4-1节 光电子发射探测器
2、光电倍增管的结构 由上述工作原理我们知道，光电倍增管由光电阴 极、电子光学输入系统（光电阴极到第一倍增极D1之 间的系统）、二次发射倍增系统和阴极等构成。 （1）入射窗口和光电阴极结构 光电倍增管通常有端窗式和侧窗式两种，侧窗式 通过管壳的侧面接收入射光，一般使用反射式光电阴 极，大多采用鼠笼式倍增极结构；端窗式使用透射式 光电阴极，光电子发射材料沉积在窗口内侧，一般半 透明光电阴极的灵敏度均匀性好于反射式，且阴极面 可做成各种大小，从几十mm2到几百cm2。为了使各 处灵敏度一致，常把窗口做成球面状。
（3）暗电流Id 无光照时，光电倍增管的输出电流 为暗电流，暗电流对测量缓变弱信号不 利，一般暗电流为10-8~10-10A，相当于入 射光10-10~10-10lm。引起暗电流的主要因 素有： ① 热电子发射 ② 极间漏电流 ③ 离子和光的反馈作用 ④ 场致发射 ⑤ 放射性同位素与宇宙射线影响
减小暗电流的主要方法： ①选择合适的极间电压可避开反馈， 场致发射及宇宙射线等带来的不稳定状 态的影响； ②直流补偿； ③选频和锁相放大； ④冷却。
（2）电子光学系统 电子光学系统有两方面作用： 1）使光电阴极发射的光电子尽可能 地全部会聚于第一倍增极，而将其它部 分的杂散热电子散射掉，提高信噪比。 其性能用电子收集率 0 表示； 2）使阴极面上各处发射的光电子在 电子光学系统中渡越的时间尽可能相等， 以保证光电倍增管的快速响应。这一参 数用渡越时间的离散性Δt表示，具体结 构见教材P72图12。
一般金属中自由电子数很多，不仅 光反射系数大，吸收系数小，且逸出深 度小，亲和力大（极易生成电偶极层）， 故光电子发射的量子效率很低。大多数 金属材料的光谱响应都在紫外与远紫外 区。半导体发射材料光吸收系数大，体 内自由电子少，散射能量损失小，使其 量子效率比金属大得多，其光发射波长 延伸至可见与近红外区域。
光电倍增管
简介
光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。 它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200~1200纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍 增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图象传送 也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空 间研究等领域。
基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高 于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。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（见光电式传 感器）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 主要由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。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、盒栅式和百叶窗式。
倍增方式
光电倍增管的原理
光电倍增管的原理光电倍增管简介及使用特性我们做化学发光的仪器检测部分都是用光电倍增管来检测我们化学反应所发出的微弱的光信号，我在这里给大家介绍一下光电倍增管的一些参数，仅供大家参考。
介绍今天我们使用的光电器件中，光电倍增管（PMT）是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。
典型的光电倍增管如图1所示，在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极（阳极）的器件。
当光照射光阴极，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，通过进一步的二次发射得到倍增放大。
放大后的电子被阳极收集作为信号输出。
因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。
光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。
下面将讲解光电倍增管结构的主要特点和基本使用特性。
结构一般，端窗型（Head-on）和侧窗型（Side-on）结构的光电倍增管都有一个光阴极。
侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。
通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度测定方面有广泛的使用。
大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。
端窗型（也称作顶窗型）光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极（透过式光阴极），使其具有优于侧窗型的均匀性。
端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。
端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。
电子倍增系统光电倍增管的优异的灵敏度（高电流放大和高信噪比）得益于基于多个排列的二次电子发射系统的使用，它使电子低噪声的条件下得到倍增。
电子倍增系统包括从8至19极的被叫做打拿极或倍增极的电极。
光电倍增管基础知识
光电倍增管基础知识(光电倍增管原理、结构及特性)1 光电倍增管概述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。
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。
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、生物发光研究、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、生化分析仪等仪器设备中。
2 光电倍增管的一般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。
其主要工作过程如下：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。
因为采用了二次发射倍增系统，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、成本低、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。
光电倍增管原理、特性与应用
光电倍增管原理、特性与应用光电倍增管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。
文中以北京滨松光子技术有限公司生产的R/CR系列产品为代表，介绍光电倍增管的一般原理、使用特性及其应用。
并特别给出了在各种领域所适用的光电倍增管的型号。
关键词:光子技术光电倍增管使用特性1 概述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。
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。
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、生物发光研究、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、生化分析仪等仪器设备中。
2 光电倍增管的一般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。
其主要工作过程如下: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。
因为采用了二次发射倍增系统，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、成本低、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。
光电倍增管作用原理
光电倍增管作用原理
嘿，朋友们！今天咱来唠唠光电倍增管的作用原理。
光电倍增管啊，就像是一个超级敏感的小侦探！你可以把光想象成是一群调皮的小精灵，它们在到处乱跑。
当这些光小精灵撞到光电倍增管这个小侦探身上的时候，小侦探可就来精神啦！
它里面有个特殊的部件，就好像是小侦探的眼睛，能敏锐地察觉到光的到来。
一旦光被“捕捉”到了，就会引发一系列神奇的反应。
这就好比是小侦探发现了线索，然后顺着线索一路追查下去。
光电倍增管会把光信号转换成电信号，这就像是小侦探把线索转化成了具体的情报。
而且啊，它可不是简单地转换一下，它还会把这个电信号不断放大呢！就好像小侦探把情报不断丰富、完善，让我们能更清楚地了解到底发生了什么。
你说这光电倍增管厉不厉害？它就像是有魔法一样，能把那么微弱的光都给检测出来，还能让我们清楚地知道光的情况。
咱生活中的很多地方都有它的身影呢！比如说在一些科学研究中，科学家们要用它来观察那些极其微小的光现象，这光电倍增管可就派上大用场啦！没有它，好多秘密我们可就发现不了咯！还有在一些检测仪器里，它也在默默地工作着，保障着仪器的精确性。
它就像是一个幕后英雄，虽然我们平时可能不太注意到它，但它却在为我们的生活和科学进步默默地贡献着。
想想看，如果没有光电倍增管，我们的世界会变成什么样呢？那些需要依靠光来检测和分析的事情不就变得困难重重了吗？
所以啊，光电倍增管可真是个了不起的东西！它用它独特的方式，让我们能更好地了解光的世界，为我们打开了一扇又一扇通往未知的大门。
我们真应该好好感谢它呀！这不就是科技的魅力所在吗？让看似不可能的事情变得可能，让我们的生活变得更加丰富多彩！你们说是不是呢？
原创不易，请尊重原创，谢谢!。
光电倍增管名词解释
光电倍增管名词解释
光电倍增管（Photomultiplier Tube，缩写为PMT）是一种用于侦测和放大光信号的装置。
光电倍增管由光阴极、一系列电子倍增器和一个收集电极组成。
当光信号照射在光阴极上时，光子将释放出光电子。
这些光电子被加速和聚焦，并在电子倍增器中经历多次电子增强效应。
每个电子增强阶段都是一种二极管结构，在高电压驱动下，光电子的能量被倍增，从而形成一个大量的电子脉冲。
最后，这些电子脉冲被收集电极捕获并转化为电流信号。
光电倍增管具有高增益、高灵敏度、低噪声、快速响应和广泛的波长响应范围等特性。
它被广泛应用于科学研究、核物理实验、化学分析、医学成像等领域。
简述光电倍增管的工作过程
简述光电倍增管的工作过程光电倍增管，这个名字听上去有点高大上，其实它就像一位默默无闻的超级英雄，干着重要的工作却不张扬。
简单来说，它的任务就是把微弱的光信号变得强大无比。
想象一下，黑暗中的一束光，就像一颗小小的星星，而光电倍增管就像是那位能把星星放大到你能清楚看到的朋友。
嘿，怎么做到的呢？它的核心部件是一个光电阴极。
这个小家伙就像一个敏感的捕光者，当光线照射到它身上时，哇！瞬间就能把光子变成电子。
是不是有点像变魔术？这些电子就像一群兴奋的小鸟，开始在管子里四处飞舞。
它们要经过一个叫做“倍增电极”的地方。
这个电极就像一个充满能量的游乐场，能把小鸟们变得更大、更快。
电子在这个“游乐场”里撞击，产生更多的电子。
嘿，原来数量可以这样快速增长，真是神奇啊！这时候，你会发现，原本只有几个电子的小队伍，转眼就变成了成千上万的“大军”。
这就是光电倍增管的魅力所在。
然后，这些电子终于抵达了一个叫做“阳极”的地方。
阳极就像是光电倍增管的终点站，等待着这些经过“游乐场”锻炼出来的电子。
到了这里，电子们再次聚集，形成一个强大的电流。
光电倍增管就像是一位教练，把这些小电子训练成超级战士，最终把微弱的光信号变成了强大的电流。
是不是听上去像一部动作大片？这时候，你可能会想，光电倍增管到底有什么用呢？哎，别急，这可大有文章。
它在医学、核物理、天文等领域都有它的身影。
想想看，医生用它来检测病变，科学家用它来探测宇宙的秘密，真是神奇得让人惊叹。
它就像是那把隐形的钥匙，打开了一个个神秘的门。
没有光电倍增管，很多事情可能都无法实现。
你知道吗？光电倍增管其实还挺耐用的。
它就像那种历经风雨依然坚韧不拔的老树，虽然在工作中会受到各种干扰，但依然能保持稳定的性能。
真是让人佩服。
不过，它的缺点也是有的，比如对温度和磁场比较敏感，处理不当可就麻烦了。
就像我们每天都要穿衣服，光电倍增管也要“穿”得合适，才能发挥它的最佳状态。
再说了，光电倍增管的结构其实也不复杂。
电子束光电器件：光电倍增管的宇宙射线探测应用研究
电子束光电器件：光电倍增管的宇宙射线探测应用研究近年来，随着宇宙射线的研究越发深入，光电倍增管成为了宇宙射线探测的重要器件之一。
光电倍增管是一种电子束光电器件，其基本原理是利用光电效应将光信号转化为电子信号，并通过倍增电子的方式将光信号增强。
在宇宙射线探测中，光电倍增管起着关键的作用，具有灵敏、快速响应和高倍增等优势。
首先，宇宙射线探测对于人类认识宇宙和研究宇宙起到了重要的作用。
宇宙射线包含了多种高能带电粒子，来源于宇宙各个角落。
通过宇宙射线探测，我们可以了解宇宙中存在的各种物质，并深入研究宇宙的演化和宇宙学的问题。
而光电倍增管正是宇宙射线探测中最常用的光电转换器件之一，可以将宇宙射线中的光信号转化为电信号，为后续分析和研究提供了基础。
其次，光电倍增管具有灵敏的特点，可以测量微弱的光信号。
在宇宙射线探测中，有些宇宙射线粒子会通过与宇宙尘埃和气体的相互作用产生荧光或闪烁光，这些光信号非常微弱。
光电倍增管具有极高的光电转换效率，可以将微弱的光信号转化为电信号，并经过倍增后增强信号强度。
这样，可以有效地提高宇宙射线探测的灵敏度。
此外，光电倍增管响应时间快，可以实现快速的信号响应。
在宇宙射线探测中，信号的快速响应是非常重要的。
宇宙射线事件持续时间短，而且宇宙射线的强度变化也非常快速。
光电倍增管可以快速地将光信号转化为电信号，并通过倍增电子的方式迅速增强信号强度。
因此，它可以有效地捕捉宇宙射线的瞬态变化，提供及时可靠的数据。
最后，光电倍增管具有高倍增特性，可以大幅提高信号强度。
在宇宙射线探测中，信号的强度非常关键。
光电倍增管通过倍增电子的方式，可以将光信号增强数倍甚至数千倍。
这样，即使在光信号很弱的情况下，也能够得到充分的信号强度，提高仪器的灵敏度和可靠性。
总的来说，光电倍增管作为电子束光电器件在宇宙射线探测中扮演着重要的角色。
它的灵敏、快速响应和高倍增特性使得它成为了宇宙射线探测中最常用的器件之一。
在未来的研究中，我们可以进一步优化光电倍增管的性能，提高它在宇宙射线探测中的应用效果，为人类探索宇宙提供更多有价值的数据和信息。
第4章 光电探测 E 光电倍增管 2013.10.25
倍增管的显著特点是适 于微弱光信号的探测。
在使用时要 切忌过度光 照。
由于光电子从阴极到阳 极要渡越较长的距离，所 以在使用时对光电倍增管 进行良好的电磁屏蔽也是 十分重要的. 光电倍增管的伏安特性曲 线与真空光电管的伏安特 性十分相似。
光电子技术研究所
光电倍增管(PMT--- Photo-multiple tube)
辐射信号的探测方向被广泛地应用。
线性区
当入射光功率在1nw到几个μw时，倍增电
流与入射光具有较好的线性。
当入射光功率过大时，倍增系数反而会降
低，从而引起光电流的畸变。
当入射光功率较小时，多采用APD。在入
射光功率较大时，采用PIN管更为恰当。
6
光电倍增管PMT--- Photo-multiple tube
利用外光电效应和二次电子发
射效应相结合，把微弱的光输入 转化为光电子，并使光电子获得 倍增的一种真空光电探测器件， 极大地提高了检测灵敏度。
一、光电倍增管的结构与原理
——光窗（Input window ) ——光电阴极(Photo cathode) ——电子光学系统 ——电子倍增系统(Dynodes) ——阳极(Anode)
n N n1 / N n
光电子技术研究所
n N n1 / N n
如果倍增极的总级数为n，且 各级性能相同，考虑到电子的 传输损失，则光电倍增管的电 流增益为M
M=IA / Ik = f（g）n
式中N为发射的电子数， σn表示第n级倍增极每 一个入射电子所能产生 的二次电子的倍数，即 该级的电流增益。
电子光学系统在结构上主要由聚焦电极和偏转电极
组成 电子光学系统的主要作用： （1）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到 第一倍增极的有效区域内；而将其它部分的杂散热 电子散射掉，提高信噪比。 （2）光电阴极各部分发射的光电子到达第一倍增 极所经历的时间尽可能一致，保证PMT的快速响应。
光电倍增管PPT演示文稿
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常用的光电阴极材料
• 优质的光电阴极材料具有三个条件： • 一是对光的吸收系数大 • 二是光电子在体内传输过程中能量损失小 • 三是光电逸出功或者光电发射阈值低。 • 金属材料与半导体材料相比，半导体材料占
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铋银氧铯钥极
• 材料的编号为S-10，它的光谱特性曲线 如图。它的量子效率约10%左右，是锑 铯阴极的一半。
• 最大优点是光谱响应与人眼相近，在许 多光电探测系统中被广泛采用。
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3. 真空光电管
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4. 光电倍增管
• 光电倍增管由光窗、光 电阴极、
• 电子光学系统、电子倍 增系统
• 和阳极等五个主要部分 组成
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(2)光谱特性 光电倍增管光谱响应，在较长 波长情况下取决于所用光电发 射材料的性能，较短的波长则 主要取决于窗材料的透射特性。 图(b)示出锑钾铯光电阴极的光谱 特性，最灵敏光谱波长在4000埃
(3)伏安特性 IaGkISae,
阳极伏安特性；阴极伏安特性 阳极电流I对于最后一级倍增极和阳 极间的电压U的关系：曲线由上升部 分和饱和部分组成，照射于光阴极 上的光通量越大，达到饱和时的阳 极电流就越大。曲线上饱和部分有 很长一段，这对需从管子阳极负载 取出较大的信号电压是很重要的。
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（2）银氧铯光电阴极材料
• 编号为S-1，可见它是应用最早的现在仍在 使用的光电阴材料，它的光谱响应有两个峰 值波长，一个在紫外区约340nm，另一个在 近红外区约为700nm，在整个可见光区域均 有响应。
• 量子效率比较低，约为1%，但是它是目前 唯一可用于红外波段的经典光发射材料，阈 值波长可达1.2um。据分析它可能属于杂质 发射型
《光电倍增管》课件
案例二：光电倍增管在环境监测领域的应用
总结词
光电倍增管在环境监测领域中发挥着重要作用，能够实现高精度、高灵敏度的气体和水质监测，为环境保护提供 科学依据。
详细ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ述
光电倍增管在环境监测中主要用于气体和水的分析。对于气体监测，光电倍增管可以检测空气中的有害气体和温 室气体，如二氧化碳、甲烷等。对于水质监测，光电倍增管可以检测水中的重金属离子、有机污染物等有害物质 ，为水处理和水质管理提供依据。此外，光电倍增管还可用于气象观测和遥感监测等领域。
高增益与低噪声
通过改进倍增级结构和材料，提高光电倍增管的 增益和降低噪声，从而提高探测器的信噪比和灵 敏度。
多通道并行处理
采用多通道并行处理技术，实现多个光电倍增管 同时工作，提高探测器的响应速度和测量精度。
光电倍增管的市场展望
不断增长的市场需求
随着科学技术的进步和应用领域的拓 展，光电倍增管的市场需求将持续增 长，尤其在医疗、环保、安全等领域 的应用前景广阔。
污染物等。
02 光电倍增管的结构与特性
光电倍增管的结构
光电阴极
将光信号转换为电子的过程发生在此区域，通常 使用材料如硫化锑或硒化铊。
倍增极
一系列的电子倍增器，用于放大由光电阴极产生 的电子。
阳极
收集倍增后的电子并产生最终的电流或电压输出 。
光电倍增管的特性
01
02
03
高灵敏度
能够检测到微弱的入射光 信号，通常在亚纳瓦级别 。
05 光电倍增管的典型案例分析
案例一：光电倍增管在医疗仪器中的应用
总结词
光电倍增管在医疗仪器中具有广泛的应用， 能够提高医疗设备的检测精度和灵敏度，为 医疗诊断和治疗提供有力支持。
光电管及光电倍增管
及
这就是光电管的光谱特性。
应
用
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模块六 光电传感器及其应用
6.1.2 光电管及光电倍增管
光电倍增管
传
光电倍增管是在光电管的阳极和阴极之间增加若干个
感 （11～14个）倍增极（二次发射体），来放大光电流。（如下图
器 所示）
原
理
及
及 接受光的照射属丝做成，用于收集电
子。
光电管示意图
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传 感 器 原 理 及 应 用
第3页，此课件共12页哦
模块六 光电传感器及其应用 6.1.2 光电管及光电倍增管
光电管
模块六 光电传感器及其应用
6.1.2 光电管及光电倍增管
工作原理：
模块六 光电传感器及其应用
6.1.2 光电管及光电倍增管
传 关于光电管及光电倍增管
感 器 原 理 及 应 用
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模块六 光电传感器及其应用
6.1.2 光电管及光电倍增管
光电转换元件
传 (1)光电管：
感 器 原 理
光电管由一个阴极和 一个阳极构成，并密封在 一支真空玻璃管内，如右 图所示。光电管的阴极是
传
当阴极受到适当波长的光线照
感 器
射时，电子克服金属表面对它的束 缚而逸出金属表面，形成电子发射。 电子被带正电位的阳极所吸引，在
原
光电管内就有了电子流，在外电路
理 中便产生了电流。
及
应
用
光电管工作时，必须在其阴极与阳极之间加上电势，使阳 极的电位高于阴极。光电流的大小与照射在光电阴极上的 光强度成正比。
光电倍增管基础及应用
光电倍增管基础及应用
光电倍增管，这家伙就像是光的超级侦探，专门干那种把微乎其微的光线变成我们可以读取的电信号的活儿。
想象一下，它里面是个真空的大管子，分了几步来完成这项神奇的转换：
大门敞开迎光来：最前面有个透明的窗户，光就从这里溜进去。
变身游戏开始：窗户后面有个叫光阴极的家伙，光一照上去，就像魔术一样，光粒子（光子）就变成了电子。
电子大派对：接下来是光电倍增管的重头戏，里面有一串像多米诺骨牌一样的金属片，电子一碰到第一个，就像开了挂，每个金属片都能让电子数量翻倍，一路跑下来，电子越来越多，就像滚雪球。
终点集合拿奖品：最后，这些海量的电子跑到终点——阳极，这时候，我们就通过测量这些电子形成的电流，来知道原来的光线有多强。
这玩意儿在很多高大上的地方都大显身手：
科研探险：科学家用它来捕捉宇宙中的微弱信号，探索星空的秘密，或者在实验室里研究超微小的光亮。
医疗侦探：在医院的PET扫描仪里，它能帮医生看到身体里的微妙变化，就像给身体做超精细的拍照。
环保卫士：在监测空气、水质污染时，它能发现那些不易察觉的荧光标记，告诉人们环境是否健康。
核物理界的大佬：在研究放射性物质时，它是探测微弱辐射的高手。
化学实验室的秘密武器：分析复杂的化合物时，它能捕捉到物质发出的微光，帮科学家们解密物质的构成。
现在还有个升级版叫硅光电倍增管（SiPM），更小巧、节能，还耐用，就像光电界的超级英雄，越来越受追捧。
总之，光电倍增管就是个让光线说话，帮助人类探索微观世界的超级工具。
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雪崩光电二极管的电流增益用倍增系数或雪崩增益M表 示，它定义为:
i M i0
i为输出电流，i0为倍增前的电流. 倍增系数M与PN结所 加的反向偏压有关。
一般在100～200V。也 有的管子工作电压更高。
雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响
应快
不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱
光电子技术研究所
综合上述诸因素，一般选用较大的σ值和较少的 级数。实验发现，随着工作电压增大，σ趋于一最大 饱和值，过此值后．电压V再增大时σ反而变小。
通常σ 值为3--6，n取9--14级，M为10 5 --107 。 负电子亲合势打拿极σ 的值可高达20--25，这可 使级数n大为减少．又可得到良好的频率特性。
பைடு நூலகம்
光电子技术研究所
光电倍增管特性参数
1.灵敏度
阳极灵敏度 阳极输出电流与阴极光通量之比
2.暗电流
光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳 极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。
•
阳极输出电流：暗电流和信号电流
说明：暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的 最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电流小并且稳定。
光电检测器件
光子器件
真空器件 光电管 固体器件
热电偶/热电堆 光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 光纤传感器 电荷耦合器件CCD 热辐射计/热敏电阻
热电器件
光电倍增管
真空摄像管
热释电探测器
光电器件的分类
半导体光电器件 光电导器件（内光电效应） 光敏电阻（单晶型、多晶型、合金型等） 光伏器件 光电池 光电二极管/三极管 真空光电器件（外光电效应） 光电管 光电倍增管 热电检测器件 热敏电阻 热电偶 热释电探测器件
② 二次电子发射的过程：
a) 材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态 （二次电子）； b) 体内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面 运动； c) 到达界面的二次电子中能量大于表面势垒的电子发 射到真空中，成为二次电子。
要求：二次电子发射系数要大
③ 倍增极材料
I. II. III. IV. 主要是Ag-O-Cs、CsSb，灵敏的光电发射体一般 也是良好的二次电子发射体； 氧化物：MgO、BaO； 合金型：银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等； 负电子亲合势材料；(用电子亲和势为负值的材料制作的光
光电检测器件的特点
光子器件 热电器件
响应波长有选择性，一般有 响应波长无选择性，对可见 截止波长，超 过该波长， 光到远红外的各种波长的辐 器件无响应。 射同样敏感 响应快，吸收辐射产生信号 响应慢，一般为几毫秒 需要的时间短， 一般为纳
秒到几百微秒
4、电子倍增系统
倍增系统：是指由各倍增极构成的综合系统，各 倍增极都是由二次电子发射体构成。
①
二次电子发射效应 当有足够动能的电子轰击某种材料时,材料 表面发射新的电子的现象。称入射电子为 一次电子,从材料表面发射的电子为二次电 子。用该材料的二次发射系数表征材料发 射电子的能力：
N2 N1
辐射信号的探测方向被广泛地应用。
线性区
当入射光功率在1nw到几个μw时，倍增电
流与入射光具有较好的线性。
当入射光功率过大时，倍增系数反而会降
低，从而引起光电流的畸变。
当入射光功率较小时，多采用APD。在入
射光功率较大时，采用PIN管更为恰当。
6
光电倍增管PMT--- Photo-multiple tube
电子光学系统在结构上主要由聚焦电极和偏转电极
组成 电子光学系统的主要作用： （1）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到 第一倍增极的有效区域内；而将其它部分的杂散热 电子散射掉，提高信噪比。 （2）光电阴极各部分发射的光电子到达第一倍增 极所经历的时间尽可能一致，保证PMT的快速响应。
号而变化．
光电子技术研究所
阴极在光照下发射光电子， 光电子被极间电场加速聚 焦，轰击倍增极，倍增极 在高速电子轰击下产生更 多的电子，电子数目增大 若干倍。
光电倍增管的性能主要由 光阴极和倍增极以及极间 电压决定。 负电子亲合势材料是目前 最好的光阴极材料： 二次电子发射特性用二次 发射系数来描述，即
二次电子
与光电管相比。 阴极 K、 阳极A以及管壳外，多了 若干中间电极，倍增极或 打拿极。
每相邻两个电极称 为一级。Vi为各级电压， 总电压约为千伏量级， 从阴极K经打拿极Di， 到阳极A，形成逐级递 增的加速电场。
光电子技术研究所
逐级倍增使电子数目大量增加， 被阳极收集形成阳极电流。当 光信号变化时，阴极发射的光 电子数目发生相应变化．由于 各倍增极的倍增因子基本上是 常数． 阳极电流随光信
光电倍增管工作原理
光电倍增管（PMT）是利用外光电效应制成的一种
光电探测器件。其光电转换分为光电发射和电子倍 增两个过程。其工作原理如下图示。
D1
D3
A
D2
D4
K
1、光窗
入射光的通道； 光窗材料决定了PMT光谱特性的短波阈值; PMT光 谱特性的长波阈值由什么因素决定? 光窗通常有侧窗和端窗两种类型； 常用窗口材料有：硼硅玻璃、透紫外玻璃、熔融石 英、蓝宝石和氟化镁等； 光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面,接收入射光,向 外发射光电子。
雪崩光电二极管（APD）
PIN型光电二极管提高了PN结光电二极管的时间响应， 但对器件的灵敏度没有多少改善。为了提高光电二极 管的灵敏度，人们设计了雪崩光电二极管，使光电二 极管的光电灵敏度提高到需要的程度。
雪崩光电二极管(APD) 高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子电离， 产生新的电子 - 空穴对。新产生的二次电子再次和原 子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子 雪崩式倍增。所以这种器件就称为雪崩光电二极管 (APD)。
暗电流 当光电倍增管用来测量微弱的光强时， 或确定管子灵敏度的极限值时，暗电 流的影响极大，因而暗电流可作为光 电倍增管的一个重要参量。 暗电流的重要来源 1、光电阴极和光电倍增极的热电子发 射。温度T越高，热电子发射越多， 则暗电流越大，如图所示。如果需 要较小的暗电流，可通过冷却光电倍增管来减小暗电流。 2、光电倍增管的漏电流。在管内外都可能产生漏电流。 其他如场致发射，自然界中的射线(它们使光电阴极和倍增极发射 电子)等也会形成暗电流。如欲减少暗电流，需从结构上来考虑， 例如采用热电子发射能力弱的光电阴极和倍增极；或采用合适的 屏蔽，以减小自然界中的辐射线照射。
n N n1 / N n
光电子技术研究所
n N n1 / N n
如果倍增极的总级数为n，且 各级性能相同，考虑到电子的 传输损失，则光电倍增管的电 流增益为M
M=IA / Ik = f（g）n
式中N为发射的电子数， σn表示第n级倍增极每 一个入射电子所能产生 的二次电子的倍数，即 该级的电流增益。
透射型
反射型
2、光电阴极
（1）结构——把光电发射体镀在金属或透明材料 （玻璃或石英玻璃）上就制成了光电阴极。 （2）常用材料： Ag-O-Cs：近红外唯一具有使用价值的阴极材料； CsSb（锑化锶）：可见、紫外区有较高的响应率;
3、电子光学系统
——是指光电阴极至第一倍增极之间的区域。
放大倍数很高，用于探测微弱信号； 光电特性的线性关系好 ； 性能稳定，使用方便 ；
供电电压高； 玻璃外壳，抗震性差； 价格昂贵，体积大；
光电倍增管的应用
光电倍增管不但具有极高的光电灵敏度、极快的 响应速度、极低的暗电流低和噪声，还能够在很大 范围内调整内增益。因此，它在微光探测、快速 光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用。 1 光子计数器 2 在相位激光测距仪中的应用
电阴极，由光子激发出的电子只要能扩散到表面就能逸出，因此灵 敏度极高。)
4、阳极
阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近
最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发 射出来的电子。 栅网状阳极 阳极结构示意图
一次电子
要求：
接收性能良好，尽可 能多的收集电子，工 作在较大电流时，不 至于产生空间电荷效 应。
光电子技术研究所
式中n为倍增极级数,IA为阳 极电流，Ik为阴极电流。f为 第一倍增极对阴极发射电子 的收集效率，g为各倍增极之 间的电子传递效率。
良好的电子光学 设计可使f、g值 在0．9以上。
理论和实验表明，倍增极的电流增益σ 值主要取决于倍增极材料和极间电压，
例如，锑化铯材料，σ ＝0．2V0.7， 银镁合金的σ ≈V／40，V(伏特)． 若取n＝10，则前面的电流增益为M ＝σ 10＝(0．2)l0V7，后者的
倍增管的显著特点是适 于微弱光信号的探测。
在使用时要 切忌过度光 照。
由于光电子从阴极到阳 极要渡越较长的距离，所 以在使用时对光电倍增管 进行良好的电磁屏蔽也是 十分重要的. 光电倍增管的伏安特性曲 线与真空光电管的伏安特 性十分相似。
光电子技术研究所
光电倍增管(PMT--- Photo-multiple tube)
P P(N) N
光
－
＋
I0
APD载流子雪崩式倍增示意图
光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系
雪崩光电二极管输出电流I和反偏压U的关系示于图。 随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当 反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后 器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。
输出光电流I0
光电流 暗电 流 0 反向偏压 U UB
M＝(V／40)10。
可见，材料一定，总电流增益与极间电压
的关系十分密切，工作电压微小变化 将使M值有明显的波动，这将使光电倍增