光电倍增管的技术及发展现状

光电倍增管的技术及发展现状

摘要:简述了光电倍增管的结构和用途,着重介绍了新型微通道板光电

倍增管的结构特点和性能优势,同时对当今光电倍增管的最新发展状况

进行了陈述和分析。

关键词:光电倍增管;微通道板;结构;性能;应用;发展

Abstract: The basic structure and application of photomultiplier are briefly presented. The new characteristic and the higher performance of our recent designed MCP-PMTS are described in

detail . Finally ,the latest development of MCP-PMTS is introduced and analyzed.

引言

光电子技术是当今世界的综合性高新技术, 其技术内涵宽广, 产品种类繁多, 应用领域广泛, 是影响未来社会发展的重要战略性产业之一。作为近代光学与电子的融合技术, 光电子技术已发展成为21世纪的尖端科技之一。其中, 基于外光电效应的真空光电探测器件是最早出现的光电子技术分支, 主要包括光电管、光电倍增管、图像增强器以及变像管、条纹管等。随着材料技术、激光技术、半导体技术、微电子技术的飞速发展, 各种高新技术相互促进, 共同发展, 真空光电探测器件在受到半导体光电器件冲击的同时也取得了新的发展, 并以其独特的性能特点而占据军民市场一定的份额。

在真空光电探测器件中, 光电倍增管是针对微弱光探测的主要器件, 它在军民领域的应用范围很广。随着近年来微电子技术的蓬勃发展, 半导体光电探测器也得到了迅猛的发展, 它们以体积小、工作电压低、价格低廉、强光下工作稳定性好等特点得到了广泛的应用, 取代了光电倍增管的部分市场。但光电倍增管在信噪比、高速、倍增系数、探测面积等方面与半导体器件相比仍具有较大的优势。因此, 在天文学、光谱学、激光测距和闪烁计数等方面, 光电倍增管仍具有独到的价值。

1光电倍增管的基本情况

1.1光电倍增管的基本构成和工作原理

光电倍增管是一种将微弱光信号转换为电信号的真空光电探测器件, 主要由附着在输入光窗内表面的光电阴极、单级或多级电子倍增系统和接收信号的阳极组成。它的工作原理是建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论的基础上的。光电阴极将入射的被测光信号转换成电信号, 光电子在外加电场的作用下, 经过聚焦、汇聚在倍增电极, 通过碰撞倍增极表面的二次电子发射材料, 输出放大成为电子流, 再经过多次倍增, 信号最后被阳极接收并输出, 进入后续电路供分析研究。将闪烁体与光电倍增管结合, 可实现对高能或低能辐射的各种射线、粒子、离子等进行测量, 大大拓宽了光电倍增管的应用

范围。

1.2光电倍增管的分类

由于光电倍增管的应用范围很广, 所以从19世纪30年代问世至今, 已发展成几百个品种的光电倍增管系列。以入射光形式可分为端窗式和侧窗式; 以探测光谱不同可分为紫外、可见光、近红外等；以倍增系统的不同可分为打拿极和微通道板等, 图1和图2分别为打拿极光电倍增管和微通道光电倍增管结构示意图; 以外形不同可分为球形和圆柱形以及方形；以阳极输出的不同可分为单阳极和多阳极等；以聚焦方式不同又可分为静电聚焦和近贴聚焦型等等。当然, 不同的结构组成, 产生不同的参数特性和环境性能, 使用方可根据自己的实际应用提出参数要求, 生产厂家根据用户要求进行合理的配置, 从而设计制作出合格的产品。

1.3光电倍增管的基本参数和特性参数

1.3.1光电倍增管的基本参数

基本参数是光电倍增管性能最本质的反映, 它们常常与器件的工作机理、结构特征、材料性质和制造工艺等密切相关,主要包括阴极灵敏度、阳极灵敏度、电流增益、暗电流、光谱响应范围以及阴极均匀性等。

1.3.2光电倍增管的应用参数

光电倍增管的应用参数同样由器件的结构和材料决定,它针对不同应用的特殊要求,主要包括上升时间、半高宽、渡越时间和时间分辨率等时间特性；脉冲幅度分辨率、噪声能当量和计数坪特性等闪烁计数特性；暗噪声计数、单电子分辨率和峰谷比等单光子计数特性等。

1.3.3光电倍增管的运行特性

光电倍增管的运行特性通常表征其所能承受的外部条件的限制和管子本身的使用极限,主要包括稳定性、温度特性、最大线性电流、抗电磁干扰能力、抗振动耐冲击能力等。

1.4光电倍增管的应用

光电倍增管能将微弱光信号转换成电信号并倍增放大,它在微光探测领域占有及其重要的地位,其超高的电子增益使得光电倍增管成为一种理想的低噪声放大器；光电倍增管具有很快的时间响应,特别是微通道板光电倍增管,响应时间达到了皮秒量级,因此,它又是一种很好的宽频带放大器。光电倍增管还有许多其它光电器件不能与之匹敌的优异特性,如高温双碱阴极的光电倍增管可工作于170 ℃甚至200℃的环境中。

光电倍增管是多种精密测量仪器的核心器件,被广泛应用于冶金、电子、机械、化工、地质勘探、医疗、生物医药、核工业、天文、宇宙空间研究和环境监测等领域,对规模庞大的光电仪器仪表产业起着重要的支撑推动作用。具体应用如下:

a.光谱学: 紫外/可见/近红外分光光度计,原子吸收分光光度计,发光分光光度计,荧光分光光度计,拉曼分光光度计,其他液相或气相色谱如X光衍射仪、X 光荧光分析和电子显微镜等。

b.质量光谱学与固体表面分析:固体表面分析, 这种技术在半导体工业领域被用于半导体的检查中, 如缺陷、表面分析、吸附等。电子、离子、X射线一般采用电子倍增器或 MCP来测定。

c. 环境监测:尘埃粒子计数器,浊度计等。

d.生物技术: 细胞分类计数和用于对细胞、化学物质进行解析的荧光计。

e.医疗应用: C相机, 正电子CT,液体闪烁计数,血液、尿液检查,用同位素、酶、荧光、化学发光、生物发光物质等标定的抗原体的定量测定。其他如X 光时间计, 用以保证胶片得到准确的曝光量。

f.射线测定:低能量的A射线, B射线和C射线的检测。

g.资源调查: 石油测井, 用于判断油井周围的地层类型及密度。

h.工业计测:厚度计,半导体检查系统。

i.摄影印刷: 彩色扫描, 把彩色分解成三原色( 红、绿、蓝) 和黑色,作为图象数据读出。

j.高能物理: 辐射计数器,TOF计数器,契伦柯夫计数器,热量计,中微子实验,空气浴计数器。

k.激光: 激光雷达,荧光寿命测定,激光核聚变等。

l.等离子体:等离子体探测,使用光电倍增管用来计测等离子中的杂质。

2 微通道板光电倍增管的结构特点和性能优势

微通道板光电倍增管是一种新型的光电倍增管, 与传统光电倍增管相比, 微通道板光电倍增管所使用的电子倍增系统为微通道板, 他的结构如图3所示。