光电倍增管光谱特性实验设计

图 ３ 平 面 光 栅 单 色 仪 的 光 学 系 统
３．２ 单 色 光 辐 射 功 率 测 量 对 于 不 同 的 波 长 ，光 源 辐 射 功 率 是 不 同 的 ，为
了测量连续光源各种波长的单色辐射功率的相对 大小，所选择的探 测 器 在 原 理 上 应 对 一 切 波 长 的 红外辐射（包括可 见 光）都 具 有 相 同 的 响 应，即 对 波长无 选 择 性。本 实 验 选 用 基 于 热 电 效 应 的 ＰＺＤ－２１１５型钽酸锂 热 释 电 探 测 器，配 合 斩 光 器， 在３３０ｎｍ～６２０ｎｍ 波长范围内每隔５ｎｍ 测量不
通过本实验学生不仅可以完成光电倍增管相 对光 谱 响 应 曲 线 测 量，还 可 以 研 究 缝 宽、温 度、磁 场 、工 作 电 压 等 对 光 电 倍 增 管 光 谱 特 性 的 影 响 ，也 可以利用此实验平台研究其它光电器件的光谱特 性。同时，此方法 也 被 广 泛 应 用 于 工 业 上 光 电 倍 增 管 性 能 测 试 ，实 验 内 容 具 有 先 进 性 ，作 为 一 个 综 合性、设 计 性、研 究 性 实 验 内 容，满 足 实 验 教 学 要 求 ，能 很 好 地 拓 展 学 生 的 知 识 面 ，激 发 学 生 对 光 电 技 术 的 学 习 兴 趣 ，提 高 物 理 实 验 教 学 的 质 量 。
图 ７ 不 同 型 号 光 电 倍 增 管 相 对 光 谱 响 应 曲 线
为了验证实验对不同型号光电倍增管是否具 有普适性和一定 的 分 辨 能 力，能 否 标 定 不 同 光 电 倍增管响应的峰 值 波 长，利 用 平 面 光 栅 单 色 仪 随 机测量了不同型号光电倍增管的相对光谱响应曲 线。结果如图７所示。对于不同型号的光电倍增 管由于光电阴极 制 造 工 艺 有 所 差 别，其 特 性 亦 不 相同。 峰 值 波 长、光 谱 响 应 分 布 曲 线 也 不 相 同 。 ［１０］ 由图 可 看 出：ＢＨ１２２４Ｇ 型 光 电 倍 增 管 响 应的峰值波长为４７０ｎｍ，ＷＤＰＦ－Ｃ 型光电倍增管 响 应 的 峰 值 波 长 为 ４３０ｎｍ，实 验 可 以 很 好 地 把 它
（２）
Ｓ（λ）ｒ 称为相对光谱 响 应 率。Ｓ（λ）ｒ ～λ 关 系 曲 线
称 为 “归 一 化 相 对 光 谱 率 响 应 曲 线 ”。
３ 测量方法
３．１ 实 验 仪 器 光源采用１２Ｖ／５０Ｗ 白 炽 灯，由 稳 压 电 源 供
电，使光源供 电 电 流 保 持 为 某 一 值。 为 了 比 较 选 择合 适 的 单 色 仪，本 实 验 分 别 利 用 ＣＡＲＬ ＺＥＩＳＳ ＪＥＮＡ １７３８５４ 型 反 射 式 棱 镜 单 色 仪 和 ＷＤＰＦ－Ｃ 型平面光栅单色仪将白光分解而获得各单色光， 其 光 学 系 统 如 图 ２、图 ３ 所 示 。
２ 测量原理
光电倍增管的绝对光谱响应率等于在给定波
长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流的大
小 ，即
Ｓ（λ）＝Ｉ（λ）／Ｐ（λ）
（１）
单 位 为 安 ／ 瓦 。Ｐ（λ）是 照 射 在 光 电 倍 增 管 上 的 辐
射功率，Ｉ（λ）是该辐射 功 率 照 射 下 产 生 的 阳 极 电
流，Ｓ（λ）为光电倍增 管 的 绝 对 光 谱 响 应 率，它 们
同 波 长 单 色 光 所 产 生 的 热 电 压 讯 号 Ｖ（λ）。由 于 光 源辐射功率 Ｐ（λ）正比与Ｖ（λ），所以Ｖ（λ）～λ曲 线与 Ｐ（λ）～λ曲线的变化趋势是一致的。又由于 热电元件对照射光 的 波 长 是 无 选 择 性 的，即 对 各 波长的辐射的响应是相同的，所以Ｖ（λ）～λ 曲线 即是光源相对辐射功率的光谱曲线。热释电探测 器线路连接图如图４所示。
Leabharlann Baidu８
光电倍增管光谱特性实验设计
光谱响应曲线” 。 ［８－１１］
实 际 使 用 的 光 源 ，对 于 不 同 的 波 长 ，辐 射 功 率
是不同的。直接测 得 的 光 电 倍 增 管 的 光 电 流 的 变
化 ，一 方 面 来 源 于 光 电 倍 增 管 光 谱 特 性 的 影 响 ，另
一方面来源于入射 的 单 色 光 辐 射 功 率 的 变 化。因
４ 实验结果与讨论
图 ２ 反 射 式 棱 镜 单 色 仪 的 光 学 系 统
图５给出了 ＢＨ１２２４Ｇ 型 光 电 倍 增 管 利 用 不 同单色仪测得的相对光谱响应曲线。由图可以看 出：在 可 见 光、红 外 区 域 光 谱 响 应 曲 线 基 本 重 合， 但在紫外区有明 显 差 别，使 用 平 面 光 栅 单 色 仪 所 测的光谱响应明显高于使用玻璃棱镜单色仪的测 量结果。这一差 别 根 源 在 于：玻 璃 棱 镜 对 紫 外 线 辐射有不同 程 度 的 吸 收，导 致Ｉ（λ）减 小。 同 时， 棱镜单色仪只能 在 可 见 光 区 域 进 行 定 标，扩 展 到 红 外 、紫 外 区 会 带 来 很 大 误 差 。 因 此 ，选 用 平 面 光 栅单色仪作为本实验的分光器件。
图 ４ 热 释 电 探 测 器 线 路 连 接 图
３．３ 光 电 流 相 对 大 小 测 量 实验 分 别 选 用 ＢＨ１２２４Ｇ 型、ＷＤＰＦ－Ｃ 型 两
种 光 电 倍 增 管 进 行 光 电 流Ｉ（λ）的 相 对 大 小 测 量 。 将待测定的光电倍增管的窗口对准单色仪出射狭 缝 ，适 当 调 节 入 、出 射 狭 缝 宽 度 。遮 挡 入 射 狭 缝 ，测 光电倍增管在工作 电 压 下 的 暗 电 流 值。在３３０ｎｍ ～６２０ｎｍ 波长范围内每隔５ｎｍ 测量不同波长单 色光所产 生 的 电 流Ｉ（λ）。在 电 流 极 大 值 附 近，每 隔０．５ｎｍ 读取一次电流示数。从所测得的各值中 减去暗电流。作Ｉ（λ）～λ曲线。最后利用式（１）、（２）作 出光电倍增管的相对光谱响应曲线Ｓ（λ）ｒ ～λ。
数的 Ｍ 倍，电子逐一地在各个二次发射极下被倍 增，从最后一个二次发射极 Ｄｎ 出射的电子数将达 到由 Ｋ 极 出 射 的 电 子 数 的 Ｍｎ 倍 （ｎ 为 倍 增 极 个 数）。这些电子由阳极 Ａ 收集而成 为 阳 极 电 流，在 负载 ＲＬ 上产生信号电压。
图１ 光电倍增管工作原理图
光谱特 性 是 光 电 倍 增 管 的 基 本 特 性，当 光 照 射光电倍增管时，产 生 的 光 讯 号 的 强 度 不 仅 与 入 射 光 的 辐 射 功 率 的 大 小 有 关 ，也 与 光 的 波 长 有 关 。 当 波 长 一 定 时 ，光 电 流 的 强 度 与 辐 射 功 率 成 正 比 。 当入射光为单色光，且 各 单 色 光 辐 射 功 率 为 一 定 时 ，光 电 流 强 度 随 波 长 的 变 化 而 变 化 。
（北京科技大学，北京 １０００８３ ）
摘
要 ：提出了把光电倍增管光谱特性作为研究性实验内容的设计方案，通过实验可以测定 白 炽 灯 辐 射
的相对功率的光谱分布曲线 、光电倍增管的相对光 谱 响 应 曲 线 ，标 定 光 电 倍 增 管 响 应 的 峰 值 波 长 ，研 究 缝 宽 、
温度、磁场等对光电倍增管光谱特性的影响，也可以利用此实验平台研究其它光电器件的光谱特性。
１ 工作原理
光 电 倍 增 管 由 光 电 阴 极 、电 子 光 学 输 入 系 统 、 二次发射倍增系统和阳极组成。其工作原理见图 １［７］，当光照射到光电阴极 Ｋ 上 时，只 要 光 子 能 量 大于光电阴极材料 的 逸 出 功，光 电 阴 极 表 面 就 发 射出电子，在真空中被 Ｋ 和 Ｄ１ 间 电 场 加 速，而 射 到 第一个“初级发射极”Ｄ１ 上，快速的电子轰击使 Ｄ１ 产生二次电子发射，出射 的 电 子 数 为 入 射 电 子
图５ ＢＨ１２２４Ｇ 型光电倍增管相对光谱响应曲线
光电倍增管光谱特性实验设计
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们区别开来，对不 同 型 号 的 光 电 倍 增 管 能 给 出 相 对完整的光谱响应曲线。
５ 结 论
图６ ＢＨ１２２４Ｇ 型光电倍增管相对光谱响应曲线
图６给出了 ＢＨ１２２４Ｇ 型 光 电 倍 增 管 利 用 平 面光栅单色仪在不同入射狭缝宽度下测得的相对 光 谱 响 应 曲 线 ，由 图 可 以 看 出 ：光 谱 响 应 曲 线 基 本 重 合 ，在 一 定 的 狭 缝 宽 度 内 ，利 用 平 面 光 栅 单 色 仪 可以获得严格的 单 色 光，狭 缝 宽 度 对 实 验 结 果 影 响 不 大 。 作 为 研 究 性 实 验 可 拓 展 研 究 温 度 、磁 场 、 工作电压等对光电倍增管光谱特性的影响。
参考文献：
［１］ 赵文锦．光电倍 增 管 的 技 术 发 展 状 态 ［Ｊ］．光 电 子 技 术 ，２０１１，３１（３）：１４５－１４８．
［２］ 江华，周媛 媛．光 电 倍 增 管 的 结 构 与 性 能 研 究 ［Ｊ］． 舰 船 电 子 工 程 ，２００９，２９（１）：１９３－１９６．
［３］ 周书 铨，李 铿，黄 庚 辰，等．光 电 倍 增 管 光 谱 特 性 新 测 试 方 法 研 究 ［Ｊ］．光 学 学 报，１９９４，１４（１０）： １０９２－１０９５．
均 是 波 长 的 函 数 。Ｓ（λ）与λ的 关 系 曲 线 称 为 “绝 对
收 稿 日 期 ：２０１２－０９－１１ 基金项目：北京科技大学研究型教学示范课建设项目（ＪＹ２０１１ＳＦＫ１８）；北京科技大 学 教 育 教 学 改 革 研 究 项 目 （重 点）（ＪＧ２０１１Ｚ１４）；
２０１１ 年 本 科 生 科 技 创 新 基 金 项 目
此为了求得光谱特 性，必 须 先 求 出 不 同 波 长 的 辐
射功率 Ｐ（λ）和相应的阳极电流Ｉ（λ），然后由（１）
式算出光电倍增管的绝对光谱响应率 Ｓ（λ）。为了
便于比较，以最大响应率作为 １，求 出 其 它 响 应 率
相 对 于 最 大 响 应 率 的 比 值 ，即
Ｓ（λ）ｒ
＝
Ｓ（λ） Ｓ（λ）ｍａｘ
关 键 词：光电倍增管；光谱特性；研究性实验
中 图 分 类 号 ：ＴＮ １５２．４
文 献 标 志 码 ：Ａ
光电倍增管是 一 种 建 立 在 光 电 效 应、二 次 电 子发射和电子光 学 理 论 基 础 上 的，把 微 弱 入 射 光 转换成光电子并 获 倍 增 的 光 电 探 测 器 件，它 在 微 弱光信号探测领 域 占 有 及 其 重 要 的 地 位，是 多 种 精密测量仪器的 核 心 器 件，被 广 泛 应 用 于 高 能 物 理、光 谱 分 析、遥 感 卫 星 测 量、化 工、地 质 勘 探、医 疗、生 物 医 药、军 事 侦 察 和 环 境 监 测 等 领 域 。 ［１－６］ 在物理实验教学 中，许 多 实 验 内 容 均 涉 及 到 光 电 倍增管的使用，但 学 生 对 其 工 作 原 理 和 使 用 方 法 了 解 甚 少 ，尤 其 是 光 电 倍 增 管 的 光 谱 特 性 ，是 实 验 的 一 个 难 点 。 基 于 此 ，通 过 对 单 色 仪 、热 探 测 器 的 择 优 选 择 、实 验 研 究 方 案 的 精 心 策 划 ，优 化 设 计 了 光电倍增管的光 谱 特 性 实 验，学 生 不 仅 可 以 完 成 光电倍增管相对 光 谱 响 应 曲 线 测 量，还 可 以 研 究 缝宽、温 度、磁 场、工 作 电 压 等 对 光 电 倍 增 管 光 谱 特性的影响，也可 以 利 用 此 实 验 平 台 研 究 其 它 光 电器件的光谱特 性，加 深 学 生 对 光 电 倍 增 管 工 作 原 理 、光 谱 特 性 的 理 解 。 该 实 验 已 作 为 综 合 性 、设 计 性 、研 究 性 实 验 内 容 在 大 学 物 理 实 验 中 开 出 。
第２６卷 第１期 ２０１３ 年 ２ 月
大学物理实验 ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ＯＦ ＣＯＬＬＥＧＥ
文 章 编 号 ：１００７－２９３４（２０１３）０１－００２７－０３
光电倍增管光谱特性实验设计
Ｖｏｌ．２６ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１３
陈 森 ，张 师 平 ，吴 疆 ，何 康 ，吴 平