光电倍增管原理特性及其应用

目录

1．概述 (1)

2．结构 (1)

3．电子倍增系统 (2)

4. 光谱响应 (2)

5．使用材料 (3)

5.1光阴极材料 (3)

5.2窗材料 (3)

6.使用特性 (4)

6.1. 辐射灵敏度 (4)

6.2．光照灵敏度 (4)

6.3．电流放大（增益） (4)

6.4．阳极暗电流 (5)

6.5 温度特性 (5)

6.6．滞后特性 (5)

6.7．均匀性 (5)

6.8．时间特性 (5)

7.应用举例 (5)

结束语 (7)

参考文献 (7)

光电倍增管原理特性及其应用

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。本文首先介绍光电倍增管的一般原理，对它的工作原理进行较详细的描述，然后介绍其组成结构，使用特性及其应用，并归纳总结了几种常用的光电倍增管光电阴极材料及窗材料，最后介绍了光电倍增管在一些领域的应用，如光电测光等。关键词：光电倍增管；端窗型；侧窗型；光谱响应；材料；特性，光电测光。

1.概述

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。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。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）。

图1 光电倍增管工作原理图

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。打拿极主要选择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。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。输出电流和入射光子数成正比。整个过程时间约 10-8秒。

2．结构

光电倍增管按其接收入射光的方式一般可分成端窗型和侧窗型两大类。一般，端窗型和侧窗型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。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。

图2 端窗型光电倍增管图3 侧窗型光电倍增管

3．电子倍增系统

现在使用的电子倍增系统主要有以下几类：

【1】环形聚焦型环形聚焦型结构主要应用于侧窗型光电倍增管。其主要特点为紧凑的结构和快速时间响应特性。

【2】盒栅型这种结构包括了一系列的四分之一圆柱形的倍增极，并因其相对简单的倍增极结构和一致性的改良而被广泛地应用于端窗型光电倍增管，但在一些应用中，其时间响应可能略显缓慢。

【3】此外还有直线聚焦型，百叶窗型，细网型，微通道板（MCP）型等。

4.光谱响应

光电倍增管的阴极将入射光的能量转换为光电子。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。图4给出了双碱光电倍增管的典型光谱响应曲线。光谱响应特性的长波端取决于光阴极材料，短波端则取决于入射窗材料。在本书的附件里给出了不同型号的光电倍增管的光谱响应特性，其中长波端的截止波长，对于双碱阴极和Ag-O-Cs阴极的光电倍增管定义为其灵敏度降至峰值灵敏度的1%点，多碱阴极则定义为峰值灵敏度的0.1%。

图4 端窗型双碱光电倍增管典型光谱响应曲线

5．使用材料

5.1光阴极材料

光电倍增管的阴极一般是具有低逸出功的碱金属材料形成的光电发射面。常用的阴极材料有以下几种：

【1】 Ag-O-Cs

用此材料的透过型阴极具有典型的S-1谱，即具有从可见到红外（300-1200nm）的谱响应。因为Ag-O-Cs阴极有较高的热电子发射（请参考阳极暗电流章节），所以这种光电倍增管一般要在制冷器中工作，用于近红外区的光探测。

【2】GaAs（Cs）

掺入活性Cs的GaAs材料也可以用作光阴极。这种光阴极比多碱光阴极复盖更宽的光谱范围，可以从近紫外到930nm，并且响应曲线在300-850nm范围内较为平直。

【3】此外还有InGaAs（Cs），Sb-Cs，双碱材料（Sb-Rb-Cs）（Sb-K-Cs）等。

5.2窗材料

【1】硼硅玻璃

这是一种常用的玻璃材料，可以透过从近红外至300nm的入射光，但不适合于紫外区的探测。在一些应用中，常将双碱阴极与低本低硼硅玻璃（也称无钾玻璃）组合使用。无钾玻璃中只有极低含量的钾，其中的K40会造成暗计数。所以通常用于闪烁计数的光电倍增管不仅入射窗，而且玻璃侧管也使用无钾玻璃，就是为了降低暗计数。

【2】合成石英

合成石英可以将透过的紫外光波长延伸至160nm，并且在紫外区比熔融石英玻璃有更低的吸收。合成石英材料的膨胀系数与芯柱用玻璃的膨胀系数有很大差别，所以，用热膨胀系数渐变的封接材料与合成石英逐渐过渡。因此，此类光电倍增管的强度易受外界震动的破坏，使用中要采取足够的保护措施。

【3】氟化镁（镁氟化物）

图5 几种不同窗材料的典型透过率

该材料具有极好的紫外线透过性，但同时也有易潮解的不利因素。尽管如此，氟化镁仍以其接近115nm的紫外透过能力而成为一种实用的光窗材料。