光电倍增管原理、特性与应用

表 1 给出了在光吸收和光发射应用领域所适用的光电倍增管的适用型号以及这些型号所具有特性。其 它应用领域所适用的光电倍增管的适用型号和特点如表 2 所列。
表 1 光吸收和光发射应用所适用的光电倍增管的型号选择及特性
应用领域
光电倍增管特性
适用管型
1.紫外/可见/近红外光光度计
R212，R374，R376，
为确定样品物质的量，可采用连续光谱对物质进 宽光谱响应；高稳定性；
R928，R955，R1463，
行扫描，并利用光电倍增管检测光通过被测物前后 低暗电流；高子效率；低
R1477，R3896，R6356，
的强度，即可得到被测物质的光吸收程度，从而计 滞后效应；较好偏光特性
利 算出物质的量
R6357，CR114，CR131
肇光度的测定，可以分析物质的浓度、含量及纯度 滞后效应；较好偏光特性 （GBD221）
等
IP28，R106，R166，
1.发光分光光度计
R212，R759，R6350，
样品接收外部照射后会发光，用单色器将这种光 高灵敏度；高稳定性；低
R6351，R6352，R6354，
特征光谱线显示出来，并用光电倍增管探测是否存 音电流
X 光时间计
高灵敏度、高稳定性、低暗电流
R105/913A/6350
射线测量仪
稳定性、本底噪声、好坪特性
R647/1635/1924、CR119/120/129/133
资源调查，石油测井应用 稳定性、抗震、较好的坪特性
R1281/1288/3991/4177
工业计测，厚度计
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。图 1 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。
4.2 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）。 4.3 电流放大（增益）
表 2 其它应用领域所适用的电倍增管的型号选择及特性
应用领域
光电倍增管特性
适用管型
质量光谱学与固体表分 高稳定性、高电流增益、低暗电流
析
R474/515/595/596/2362/5150
环境监测、尘埃粒子计数 低噪声、低毛刺、高量子效率
器
IR21、R105/647/3788/6350、CR114
浊度计
一般的光电倍增管有 9～12 个倍增极。 4.4 阳极暗电流
光电倍增管在完全黑暗的环境下仍有微小的电流输出。这个微小的电流叫做阳极暗电流。它是决定光 电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素之一。 4.5 磁场影响
大多数光电倍增管会受 到磁场的影响，磁场会使光电 倍增管中的发射电子脱离预 定轨道而造成增益损失。这种 损失与光电倍增管的型号及 其在磁场中的方向有关。
用
2.原子吸收分光光度计 光
分析各种元素时，需要专用的元素灯来照射燃烧 吸
并将雾化分离成厚子状态的被测物质制成样品，用 同上 收
R928，R955，CR131
光电倍增管检测光被吸收的强度，您与预先得到的 原
标准样品进行比较 理
3.旋光仪、糖度计
旋光仪、糖度计是测定物质旋光度的仪器，通过 高稳定性；低蝉电流；低 R142（GDB142）；R221
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。 3 光电倍增管的类型 3.1 按接收入射光方式分类
光电倍增管按其接收入射光的方式一般可分成端窗型（Head-on）和侧窗型（side-on）两大类。 侧窗型光电倍增管（R 系列）是从玻璃壳的侧面接收入射光，两端窗型光电倍增管（CR 系列）则从玻 璃壳的顶部接收射光。图 2 和图 3 分别是侧窗式光电倍增管和端窗式光电倍过管的外形图。 在通常情况下，侧窗型光电倍增管（R 系列）的单价比较便宜（一般数百元/只），在分光光度计、旋 光仪和常规光度测定方面具有广泛的应用。大部分的侧窗型光电倍增管使用不透明光阴极（反射式光阴极） 和环形聚焦型电子倍增极结构，这种结构能够使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。 端窗型光电倍增管（CR 系列）也称顶窗型光电倍增管。其价格一般在千元以上，它是在其入射窗的 内表面上沉积了半透明的光阴极（透过式光阴极），这使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型光电倍增管的 特点是拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极，另外，现在还出现了针对高能物理实验用的可以广 角度捕获入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。 3.2 按电子倍增系统分类 光电倍增管之所以具有优异的灵敏度（高电流放大和高信噪比），主要得益于基于多个排列的二次电 子发射系统的使用。它可使电子在低噪声条件下得到倍增。电子倍增系统，包括 8～19 极的叫做打拿极或 倍增极的电极。 现在使用的光电倍增管的电子倍增系统有以下 8 类：
R943-02、R649，
理
高量子效率；低暗电流；
由于拉曼发光极其微弱，因此检测工作需要复杂
R1463P，R2949，CR129，
罗的单光子分辨能力
光路系统，且采用单光子计数法
CR130
4.其他 液相或气相色谱、X 光衍射仪、X 光荧光分析电子 同上
显微镜
IP21，R647，R580， R647-01，R1166， R3788，R6095
当工作电压或入射光发生变化之后，光电倍增管会有一个几秒钟以几十秒钟的不稳定输出过程，在达 到稳定状态之前，输出信号会出现一些微过脉冲或欠脉冲现象。这种滞后特性在分光光度测试中应予以重 视。
滞后特性是由于二次电子偏离预定轨道和电极支撑架、玻壳等的静电荷引起的。当工作电压或入射光 改变时，就会出现明显的滞后。对此，北京滨松公司侧窗型光电倍增管采用了“抗滞后设计”方案，实际 上已经很好地消除了这种滞后现象。 5 光电倍增管的应用
液体闪烁计数
高量子效率、快速时间响应、高脉冲线 R331、CR129/135
性
临床放射免疫检查 （RIA）；临床酶标免疫
高量子效率、高稳定性、低暗电流 检查（EIA）；临床荧光 化学发免疫检测
R647/1166/1924/5611、CR105/120、 R928/4220/6350/6357、CR131、 R1925/1463/647、CR110/120、IP21/28
低暗电流、低峰值噪声、高量子效率 IR21、R105/1924/6350
生物技术，细胞分类仪 高量子效率、高稳定性、低暗电流 R928/1477/2368/3788/6353/6358/CR131
γ相、正电子 CT
R1307/6231/6237、CR119、 高能量辨率、高管恶性循环较好均匀性
R1450/1548/1635/5800/5900/6427
a.环形聚焦型 环型聚焦型结构主要应用于侧窗型光电倍增管中，其主要特点是结构紧凑和响应快速。 b.盒栅型 这种结构包括一系列的 1/4 圆柱形的倍增极，并因其具有相对简 单的倍增极结构和良好的一致性而被广泛应用于端窗型光电倍增管中， 但在某些应用场合，它的时间响应略显缓慢。 c.直线聚焦型 直线聚焦型光电倍增管以其极快的时间响应而被广泛应用于对时 间分辨率和线性脉冲要求较高的研究领域以及端窗型光电倍增管中。 d.百叶窗型 百叶窗型结构的倍增极可以较大，能够应用于大阴极的光电倍增 管中。这种结构的一致性比较好，有大的脉冲输出电流。多应用于对时 间响应要求不高的场合。 e.细网型 该结构有封闭的精密组合网状倍增级，因而具有极强的抗磁性、 一致性和脉冲线性输出特性。另外，在使用交叠阳极或多极结构输出的 情况下，还具有位置灵敏的特性。 f.微通道板（MCP）型 MCP 微通道板型光电倍增管是将上百万的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成为薄形盘片状而形成的。 这种结构的每个通道都是一个独立的电子倍增器。MCP 比任何分离电极的倍增极结构都具有超快的时间响 应，并且当采用多阳极输出结构时，这种结构的光电倍增管在磁场中仍具有良好的一致性和极强的二维探 测能力。 g.金属通道型 金属通道型是滨松公司采用独有的机械加工技术所创造的紧凑型阳极结构，其各个倍增极之间的狭窄 通道空间特性使其比任何常规结构的光电倍增管都具有更快的时间响应速度。金属通道型光电倍增管适用 于位置灵敏度要求比较高的探测方面。 h.混合型 混合型是将上述结构中的两种结构相互混合而形成的复合型结构。混合结构的倍增极一般都可以发挥 各自的优势。 4 使用特性 4.1 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。 图 4 给出了双碱光电倍增管（其光阴极材料为 Sb-Rb-Cs 和 Sb-K-Cs）的典型光谱响应曲线。 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。
光电倍增管原理、特性与应用
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。文中以北京滨松光子技术 有限公司生产的 R/CR 系列产品为代表，介绍光电倍增管的一般原理、使用特性及其应用。并特别给出了 在各种领域所适用的光电倍增管的型号。 关键词：光子技术 光电倍增管 使用特性 1 概述
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。
一般而言，从阴极到第 一倍增极的距离越长，光电倍 增管就越容易受到磁场的影 响。因此，端窗型尤其是大口 径的端窗型光电倍增管在使 用中要特别注意这一点。 4.6 温度特点
降低光电倍增管的使用 环境温度可以减少热电子发 射，从而降低暗电流。另外， 光电倍增管的灵敏度也会受 到温度的影响。在紫外和可见光区，光电倍增管的温度系数为负值，到了长度截止波长附近则呈正值。由 于在长波截止波长附近的温度系数很大，所以在一些应用中应当严格控制光电倍增管的环境温度。 4.7 滞后特性
R6356，R6355，R4220，
在及其强度，可定性或定量检测样品中的各元素
利
R7311，CR114，CR131
用 2.荧光分光光度计
R928，R1527，R3788，
发 用光电倍增管检测荧光强度及光谱特性，可性或 同上
Байду номын сангаас
R4220，R6353，R6358，
光 定时地分析样品中的成份
CR131
原 3.拉曼分光光度计
光电子应用技术是一门新兴的高新技术，当前还处于发展阶段。相信它在 21 世纪必将有重大创新并 迅速崛起。光电子技术产业也必将发展成为一种新兴的知识经济，从而在新兴技术领域形成巨大的生产力。
光电倍增管（PMT）是光子技术器件中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的 光探测器件。可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分 光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、 生化分析仪等仪器设备中。 2 光电倍增管的一般结构