光电倍增管知识讲解

光电倍增管

附录二 光电倍增管

K ――光阴极；F ――聚焦极；D i 〜D io ――打拿极；A ――阳极。

光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，它由光阴极、电子光学

输入系统、倍增系统及阳极组成，并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器 在阴极一r 拿极（又称 倍增极”一 极之间建立一个电位分布。光辐射照射到 阴极时，由于光电效应，阴极发射电子，把微弱的光输入转换成光电子；这些 光电子受到各电极间电场的加速和聚焦，光电子在电子光学输入系统的电场作 用下到达第一倍增极，产生二次电子，由于二次发射系数大于 1,电子数得到倍 增。以后，电子再经倍增系统逐级倍增，阳极收集倍增后的电子流并输出光电

根据打拿极的几何形状和排列方式，光电倍增管分为聚焦型 （环状、直线）

和非聚焦型（百叶窗式、盒栅式）。本装置采用百叶窗式光电倍增管，过去采用

12UIIV

繼出

流信号, 在负载电阻上以电压信号的形式输出 1WV ItfUV SfrOV 700V 11WV 仙¥ 2

光电倍熠谱丁作原理图

打肇槌阳楹 帀叶厨成光血暗增耸示克圈

GDB44F 型，现采用GDB43型。其优点为脉冲幅度分辨率较好，适用闪烁能谱 测量。

它的主要指标应该包括以下几方面：光电转换特性、电子倍增特性、噪声 或暗电

流、时间特性等；在此主要介绍光电转换特性和电子倍增特性。

1. 光电转换特性一一光阴极的光谱响应和灵敏度

光阴极是接收光子并放出光电子的电极，一般是在真空中把阴极材料蒸发 在光学窗的内表面上，形成半透明的端窗阴极；光阴极材料的品种有数十种， 但最常用的只是

五、六种，如锑铯化合物等。一般光电倍增管光阴极前的光学 窗有两种：硼玻璃窗或石英窗，前者适用于可见光，后者可透过紫外光。光阴 极受到光照射后发射光电子的几率是波长的函数，称为光谱响应。在长波端的 响应极限主要由光阴极材料的性质决定，而短波端的响应主要受入射窗材料对 光的吸收所限制。了解光电倍增管的光谱响应特性有利于正确选择不同管子使 之与闪烁体的发射光谱相匹配。

在实际应用中，光电转换特性通常使用另一个宏观定义，即一定通量 光照射阴极所能获得的光电子流（i k ）称为光阴极光照灵敏度：

3上 F 其中i k 单位为微安；F 为光通量，单位为 流明”m ）。

2. 电子倍增特性 ——光电倍增管的放大倍数及阳极灵敏度

1）光电倍增管的放大倍数（增益）M

由于打拿极的倍增作用，从光阴极发射出来的电子不断被倍增，最后可在 阳极上得到大量电子。从光阴极射出，到达第一打拿极的一个电子，经过多次 倍增后在阳极得到的电子数，称为光电倍增管电流放大倍数（增益）。

F 的白 (1)

M 阳极接收到的电子数

第一打拿极收集到的电子数

在理想情况下一般可写成：

M n ( 2)

式中S 是平均二次发射系数，n 为打拿极的级数。二次发射系数 涯极间电压的函 数，可用经验公式表示：

a(V D )b (3)

其中V D 为打拿极之间的电压，a 、b 为经验常数。

如果打拿极电子传递效率为g ,那么增益M 比较实际的表达式可写成：

M (g )n (4)

对设计良好的聚焦型管子g 约等于1,对非聚焦型管子g<1。

2)阳极光照灵敏度S

放大倍数是光电倍增管的重要参数之一，但往往有些技术说明书不直接给

光照灵敏度”S a ,它们之间的关系是:

其中S a 的单位为A/lm ，g c 为第一打拿极对光电子的收集效率。阳极光照灵敏度 的物理意义是：当一个流明的光通量照在光阴极上时，在光电倍增管阳极上输 出的电流(阳极电流)i a 的数值。

当入射光通量F 增大时，阳极电流i a 在相当宽的范围内是线性增大的；但F 太

大时，就出现偏离线性。原因之一是打拿极发射二次电子疲劳，使放大倍数减 小；其二是最后几级打拿极和阳极上有空间电荷堆积；也有可能是分压电阻选 择不当，使最后几级打拿极以及阳极之间的电压降低，放大系数减小，这一问 题可以通过调整分压电阻来解决。

阳极光照灵敏度S a 和总电压的关系由式（3）、⑷、（5）可知：S a V bn

，故 logs logV ，两个量的对数成线性关系；因而随着电流增加到某一数值会出现 非线性，logS a 增

出它的数值，而是在给出光阴极光照灵敏度

S k 的同时，给出光电倍增管的 阳极

g c MS<

阳极电流i a 入射到阴极的光通量F (5)

加变得缓慢；一般说来，加在光电倍增管上的高压在1000V之内线性还是比较理想的。

需要指出的是：闪烁探测器的线性问题是由多个因素共同作用的结果，不仅光电倍增管是个重要因素，闪烁晶体本身也存在能量线性问题。因此在实际应用中，必须考虑多方面的因素，比如各部件的匹配等，而常用的解决方法则是调整光电倍增管的工作参数。

光电倍增管的管脚插入底座。底座是由分压器与射极跟随器组成。

1）分压器

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■HR1戏為庄电矗

光电诣陋应甘压曙线路留

光电倍增管中各电极的电位由外加电阻分压器抽头供给。本实验使用正高

压电路，阴极接地，阳极处于高电位，输出端使用耐高压电容隔开。所加电压应根据说明书或不同用途以及管子的性能进行考虑；建议用户在使用本实验装

置时采用我们的推荐值。

2）射极跟随器

射极跟随器具有电流放大作用（放大倍数一般为几十〜一百以上），但其电压放大倍数恒小于1而接近于1,且输出电压和输入电压同相，因此具有电压跟随的特点，频率

响应较好。

附录一Nal（TI）闪烁晶体

闪烁体按其化学性质可分为两类：一类是无机晶体闪烁体，通常是含有少

量杂质（称为激活剂）的无机盐晶体，如碘化钠（铊激活）单晶体、即Nal（TI），碘化铯（铊激活）单晶体、即CsI（TI），硫化锌（银激活）、即ZnS（Ag）等；另一类是有机闪烁体，它们都是苯环碳氢化合物。闪烁体的发光机制比较复杂，在此对无机晶体闪烁体的发光机制作一些简要的定性介绍。

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无机晶体闪烁体属离子型晶体，原子（离子）之间结合得比较紧密相互之间影响比较大，晶格中原子电子能级加宽成为一系列连续的能带。其中最低能量状态已为电子所填满，故称为满带；价电子都处于稍高的能量状态，这种能带称为价带”若价带未填满，则在外电场作用下将有净电流产生；若价带已填满，则必须有电子被激发到更高的能带——导带上去，才能产生电流，此时价带上有一空穴，导带上有一电子，即产生了一个自由电子一一空穴对。价带与导带之间的空隙中不存在电子能级，称为禁带；禁带有一宽度E g,它和晶体的导电性质密切相关，导体在O.leV左右，半导体在0.63—2.5eV 之间，无机闪烁体为绝缘透明物质，E g>3eV，NaI为7.0eV。

也存在另一种情况：在闪烁晶体中产生的电子 -------- 空穴对仍束缚着，称为

激子”它们在晶格中一起运动，在外电场中无净电流产生，其能带在导带之

下，称为激带”自由的导带电子和价带空穴可以复合成激子，激子也可以吸收热运动能量变成自由电子——空穴对。

当核辐射进入闪烁体时，既可产生自由电子——空穴对，也可以产生激

子。而后电子从导带或激带跃迁到价带，退激过程中放出光子；也存在着竞争过程一一非辐射跃迁，即通过放热（晶格振动）退激。

导帯

皿品体聽级蟻带中出墉由族话剂产些的號级

有一点需要指出，纯的Nal晶体不是有效的闪烁体。一是因为相应禁带宽度的光子

能量在紫外光范围，不是可见光；二是退激发出的光子尚未逸出晶体就会被晶体自身吸

收。为了解决这一问题，在纯晶体中掺入少量杂质原子（如

TI），

称为激活剂”它们成为发光中心，形成一套激发能级，能量比导带低，而基

态却比价带高，这样跃迁产生的光子能量就比禁带宽度E g小，那么它就不可能

再使价带上的电子激发到导带上去，从而避免自吸收。

碘化钠闪烁晶体能吸收外来射线能量使原子、分子电离和激发，退激时发射出荧光

光子。Nal(TI)晶体的密度较大(p=3.67g/cm3)，而且高原子序数的碘占重量的85%，所以对Y寸线的探测效率特别高，同时相对发光效率大；它的发射光谱最强波长为415nm左右，能与光电倍增管的光谱响应较好匹配。此外，晶体的透明性也很好，测量Y寸线时

能量分辨率也是闪烁体中较好的一种。

一个需要指出的问题是：在闪烁体的选取上要注意闪烁体对所测的粒子要有较大的阻止本领，以使入射粒子(特别是能量较大的粒子)在闪烁体中能损耗较多的能量而退激产生光子。原先使用的国产Nal(TI)晶体尺寸为①2020mm，

这一厚度对定标时测高能Y E>1MeV)时的效率不够高，而且对高能砸子的计数率也比较低；本装置现采用的闪烁探测器的尺寸为①25M5mm的NaI(Tl)晶体可

以说是一大改进，一方面可以提高探测高能Y部分的效率，另一方面也提高了实

验中高能越子的计数率。

NaI(Tl)晶体的缺点是容易潮解，吸收空气中的水分就会变质失效；因此我们采用了220 的铝来密封；这就需要对阶过Al膜时的能量损失进行修正。在实验中我们发现，对于不同的狀子能量的损失不尽相同；所以在实际的实验和数据处理中进行了能量损失的合理修正。