光电倍增管综述完整版

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光
电
倍
增
管
综
述
光电倍增管综述
摘要：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。

本文将从结构，特性，应用及发展前景几方面做阐述。

一结构
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。

下图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。

二特性
一光谱响应
光电倍增管由阴极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。

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。

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。

二光照灵敏度
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）。

三增益
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。

一般的光电倍增管有9～12个倍增极。

三应用
光电倍增管应用用下表简单表示。

光电倍增管的应用领域
光谱学 ----- 利用光吸收原理
应用领域光电倍增管特性适用管型
紫外/可见/近红外分光光度计 1.宽光谱响应R212 R6356,R6357
R928,R955,R1477,R3
光通过物质时使物质的电子状态发生变化，而失去部分能量，叫做吸收。

利用吸收进行定量分析。

为确定样品物质的量，采用连续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通过被测物质前后的强度，即可得到被测物质程度，计算出物质的量。

2.高稳定性
3.低暗电流
4.高量子效率
5.低滞后效应
6.较好偏光特性
R1463 R374,R376
CR114,CR131
原子吸收分光光度计
广泛地应用于微量金属元素的分析。

对应于分析的各种元
素，需要专用的元素灯，照射燃烧并雾化分离成原子状态
的被测物质上，用光电倍增管检测光被吸收的强度，并与
预先得到的标准样品比较。

R928,R955 CR131
生物技术
应用领域光电倍增管特性适用管型细胞分类
细胞分类仪是利用荧光物质对细胞标定后，用激光照射，细胞的荧光、散乱光用光电倍增管进行观察，对特定的细胞进行选别的装置。

1.高量子效率
2.高稳定性
3.低暗电流
4.高电流增益
5.好的偏振特性
R6353,R6357,R6358
R928,R1477,R3788,R
R2368 CR131
荧光计
细胞分类的最终目的是分离细胞，为此，有一种用于对细
胞、化学物质进行解析的装置，它称为荧光计。

它对细
胞、染色体发出的荧光、散乱光的荧光光谱、量子效率、
偏光、寿命等进行测定。

医疗应用
应用领域光电倍增管特性适用管型
正电子CT
放射线同位素（C11、O15、N18、F18等）标识的试剂投入病人体内，发射出的正电子同体内结合时，放出淬灭γ线，用光电倍增管进行计数，用计算机作成体内正电子同位素分布的断层画面，这种装置称为正电子CT。

1.高能量分辨率
2.高稳定性
3.快速时间响应
4.紧凑的结构
R1635,R5900U-00-C
R1450,R5800 R1548
R6427
液体闪烁计数
液体闪烁计数应用于年代分析和生物化学等领域。

将含有放射性同位素物质溶于有机闪烁体内，并置于两个光电倍增管之间，两个光电倍增管同时检测有机闪烁体的发光。

1.高量子效率
2.低热发射噪声
3.无钾面板和侧
管
4.快速时间响应
5.高脉冲线性
R331,R331-05 CR12
临床检查
1.高量子效率
2.高稳定性
3.低暗电流R647,R1166 R5611-01,R1924 CR105
通过对血液、尿液中微量的胰岛素、激素、残留药物及病毒等对于抗原、抗体的作用特性，进行临床身体检查、诊断治疗效果等。

光电倍增管对被同位素、酶、荧光、化学发光、生物发光物质等标识的抗原体的量进行化学测定。

放射免疫检查（RIA）利
用放射性同位素标定
酶标免疫检查（EIA）利
用酶来标定和检查化学发
光和生物发光
荧光化学发光免疫检测用
荧光或化学发光物质标定
R6350,R6352,R6353
R6356,R6357,R4220
R3788,R647,R1463,
R6095,R374
CR120,R212,1P28,1
工业计测
应用领域光电倍增管特性适用管型厚度计
工业生产中的诸如纸张、塑料、钢材等的厚度检测，可以通过包括放射源、光电倍增管和闪烁体的设备来实现。

对于低密度物质，比如橡胶、塑料、纸张等，采用β射线源；诸如钢板等的高密度物质则使用γ射线。

（在电镀、蒸发控制等处，镀膜的厚度可使用X射线荧光光度计）1.宽动态范围
2.较高的能量分
辨率
R647-01,R5800 R609
R580 R1306,R6231,R
02
半导体检查系统
广泛地应用于半导体芯片的缺陷检查、掩膜错位等。

芯片的缺陷检查装置中用光电倍增管检测芯片被激光照射后，尘埃、污染、缺陷等产生的散乱光。

1.高量子效率
2.良好的均匀性
3.较低峰值噪声
R928,R1477,R3896 C
R647,R1463
摄影印刷
应用领域光电倍增管特性适用管型
彩色扫描
彩色图片或照片进行印刷时，需要将其颜色进行分色扫描。

分色是用光电倍增管和滤光片，把彩色分解成三原色（红、绿、兰）和黑色，作为图象数据读出。

1.RGB点高量子效
率
2.低暗噪声
3.低滞后
4.高稳定性
5.较好的可重复
性
R3788 R3810,R3811
R647,R1463 R1924,R
CR115,CR110
高能物理 ----- 加速器实验
应用领域光电倍增管特性适用管型辐射计数器
在2层正交排列的细长塑料晶体的端
部，配置光电倍增管，测量带电粒子通
过的位置和时间。

1.时间响应特性好
2.小型化
3.抗磁场性好R1635(H3164-10) R647-01(H3165 R1450(H6524) R1166(H6520),CR1
TOF计数器
在电荷粒子通道中，配置2组光电倍增管与闪烁体的组合件，测定粒子通过闪烁体的时间差，来测定粒子的速度。

R5800,R1635(H3164-10)
R1450(H6524),R4998(H6533)
R5505(H6152-01),R2083(H2431-5 R1828-01(H1949-51),R5924(H661
契伦柯夫计数器
这是用于粒子撞击反应时产生的二次粒子识别的装置。

二次粒子通过诸如气体这种介质时，具有一定能量的电荷粒子会发出契伦柯夫光，测定这种光的发射角度，可以识别电荷粒子。

1.高量子效率
2.高单光子分辨能力
3.高电流增益
4.时间响应好
5.抗磁场特性好
R2256-02(H6521) R5113-02(H652
R2059(H3177-51) R1584(H6528)
R5924(H6614-01)
热量计
可以准确地测定粒子撞击反应产生的二次粒子能量。

1.脉冲线性好
2.高能量分辩力
3.高稳定性
4.抗磁场特性好
R580(H3178-51) R329-02(H6410)
R5924(H6614-01) R6091(H6559)
四光电倍增管的现状及展望
正因为 PMT 如上所述，其应用十分广阔，已渗透到国民经济的各个部门，据市场调研统计，全球PMT 的产量在 100 万只左右，其中日本 Hamamatus 本部共生产 40 万只，销售额 15 亿人民币，北京Hamamatus（合资）年生产 20 万只（中低档），销售额2 亿人民币；法国 PHOTONIS 年生产 10 万只，销售额 5 亿人民币；英国 ETL 公司年生产 5 万只（中高档），销售额 3 亿人民币；美国 Burle 公司年生产5 万只（中高档），销售额 3 亿人民币。

近年来随着高能物理、反恐军事科技、生命科学、生物技术革命的兴起， PMT 在全球的销售额有较大的上升势头，展现蓬勃生机， PMT 光电倍增管的年生产量有望突。

一国外PMT的发展方向及目前所达到的水平
目前国外 PMT 向如下三个方面发展：
1. 针对 PMT 制造工艺复杂、品种多、小批量、手工操作的特点，目前国外采用微机对基础工艺、基础建设、质量检验进行控制， PMT 产业基本实现半自动化研发与生产，从而大大提高了生产效率和产品质量。

2. 光电倍增管的性能参数不断提高，如光电阴极光照灵敏度高达 500μ A/lm、增益高达 6x107。

3. 不断研发特殊结构、特殊功能的光电倍增管。

目前日本 Hamamatus 公司生产 PMT 产品共有 15 个系列 234 个品种。

而法国PHOTONIS 公司不生产侧窗管，仅生产端窗管，其性能与日本 Hamamatus 公司产品基本相当，但 PHOTONIS 公司还生产两种比较高端的产品，其中 XP2242B 系列管，在工作电压1800V 时其脉冲线性电流高达 200mA；另一种三英寸大面积的 PMT 在工作电压为 1400V
时增益可达 5x106，脉冲上升时间小于 3ns。

英国 ETL 公司规模相对较小，其产品性能稍逊于日本 Hamamatus 公司的产品性能。

美国 BURLE 公司主要研发美国急需的 PMT，以研发 GPS 铯原子钟用 105 电子倍增器而闻名于世。

俄罗斯莫斯科电子管厂生产的 PMT 产品自成体系，与英美等国的产品不能互换。

二国内PMT的发展及措施
目前我国PMT的发展还远不及国外，从投入资金，成品精度以及应用市场方面都有较大差距，要全面赶超是不现实的。

为此我们应采取措施，除了迅速扩大生产，提高售后服务外，更重要的是提高光电倍增管的内在品质，去占领失去的市场。

可以从以下几方面进行：
1 进一步加强我国在铜铍，铜铝镁，银镁，镍铍等合金的公关工作，早日生产出高质量倍增极材料。

2 大力提高部件的洁净度。

3 加强光电倍增管制造自动化，提高精度。

4 加强对光电倍增管企业的投资，以提高倍增管的零部件，工装模具的精度。

参考文献：
1 光电倍增管的原理，特性及应用—武兴建-2001;
2 ；
3 光电倍增管的现状及展望—周荣楣，殷翔；
4光电倍增管的现状与抉择—周荣楣，杨国栋；。