光电倍增管知识

用于阵列探测器的多阳极光电倍增管特性研究

1光电倍增管的基本特性

1) 灵敏度和工作光谱区

光电倍增管的灵敏度和工作光谱区主要取决于光电倍增管阴极和打拿极的光电发射材料。当入射到阴极表面的光子能量足以使电子脱离该表面时才发生电子的光电发射，即1/2mv2=h?-ф,(

h?为光子能量，ф为电子的表面功函数，1/2mv2为电子动能)。当h?<ф时，不会有表面光电发射，而当h?=ф时，才有可能发生光电发射，这时所对应的光的波长λ=C/?称为这种材料表面的阈波长。随着入射光子波长的减小，产生光电子发射的效率将增大，但光电倍增管窗材料对光的吸收也随之增大。显然，光电倍增管的短波响应的极限主要取决于窗材料，而长波响应的极限主要取决于阴极和打拿极材料的性能。一般用于可见-红外光谱区的光电倍增管用玻璃窗，而用于紫外光谱区的用石英窗。光阴极一般选用表面功函数低的碱金属材料，如红外谱区选用银-氧-铯阴极，可见光谱区用锑-铯阴极或铋-银-氧-铯阴极，而紫外谱区则采用多碱光电阴极或梯-碲阴极。

光电倍增管的灵敏度S是指在1lm的光通量照射下所输出的光电流强度，即

S=i/F，单位为µA/lm。显然，灵敏度随入射光的波长而变化，这种灵敏度称为光谱灵敏度，而描述光谱灵敏度随波长而变化的曲线称为光谱响应曲线(见右图)，由此可确定光电倍增管的工作光谱区和最灵敏波长。例如我们常用的R427光电倍增管，其曲线偏码为250S，光谱响应范围为160-320nm，峰值波长200nm，光阴极材料Cs-Te，窗口材料为熔炼石英，典型电流放大率3.3×106。

2) 暗电流与线性响应范围

光电倍增管在全暗条件下工作时，阳极所收集到的电流称为暗电流。对某种波长的入射光，光电倍增管输出的光电流为：i=KIi+i0

，式中，Ii对应于产生光电流i的入射光强度，k为比例系数，i0为暗电流。由此可见，在一定的范围内，光电流与入射光强度呈线性关系，即为光电倍增管的线性响应范围。当入射光强度过大时，输出的光电流随光强的增大而趋向于饱和（见右图）。线性响应范围的大小与光阴极的材料有关。

暗电流的来源主要是由于极间的欧姆漏阻、阴极或其他部件的热电子发射以及残余气体的离子发射、场致发射和玻璃闪烁等引起。

当光电倍增管在很低电压下工作时，玻璃芯柱和管座绝缘不良引起的欧姆漏阻是暗电流的主要成分，暗电流随工作电压的升高成正比增加；当工作电压较高时，暗电流主要来源于热电子发射，由于光电阴极和倍增极材料的电子溢出功很低，甚至在室温也可能有热电子发射，这种热电子发射随电压升高暗电流成指数倍增；当工作电压较高时，光电倍增管内的残余气体可被光电离，产生带正电荷的分子离子，当与阴极或打拿极碰撞时可产生二次电子，引起很大的输出噪声脉冲，另外高压时在强电场作用下也可产生场致发射电子引起噪声，另外当电子偏离正常轨迹打到玻壳上会出现闪烁现象引起暗电流脉冲，这一些暗电流均随工作电压升高而急剧增加，使光电倍增管工作不稳定，因此为了减少暗电流，对光电倍增管的最高

工作电压均加以限制。

3) 噪声和信噪比

在入射光强度不变的情况下，暗电流和信号电流两者的统计起伏叫做噪声。这是由光子和电子的量子性质而带来的统计起伏以及负载电阻在光电流经过时其电子的热骚动引起的。输出光电流强度与噪声电流强度之比值，称为信噪比。显然，降低噪声，提高信噪比，将能检测到更微弱的入射光强度，从而大大有利于降低相应元素的检出限。

4) 工作电压和工作温度

光电倍增管的工作电压对光电流的强度有很大的影响，尤其是光阴极与第一打拿极间的电压差对增益（放大倍数）、噪声的影响更大。因此，要求电压的波动不得超过0.05%，应采用高性能的稳压电源供电，但工作电压不许超过最大值（一般为-900v-1000v），否则会引起自发放电而损坏管子，工作环境要求恒温和低温，以减小噪声。

5) 疲劳和老化

在入射光强度过大或照射时间过长时，光电倍增管会出现光电流衰减、灵敏度骤降的疲劳现象，这是由于过大的光电流使电极升温而使光电发射材料蒸发过多所引起。在停歇一段时间后还可全部或部分得到恢复。光电倍增管由于疲劳效应而灵敏度逐步下降，称为老化，最后不能工作而损坏。过强的入射光会加速光电倍增管的老化损坏，因此，不能在工作状态下（光电倍增管加上高压时）打开光电直读光谱仪的外罩，在日光照射下，光电倍增管很快便损坏。

2光电测量原理

光电检测的原理一般是通过光电接受元件将待测谱线的光强转换为光电流，而光电流由积分电容累积，其电压与入射光的光强成正比，测量积分电容器上的电压，便获得相应的谱线强度的信息。不同的仪器其检测装置具有不同的类型，但其测量原理是一样的。其光电检测系统主要有以下四个部分组成：1.光电转换装置，2.积分放大电路及其开关逻辑检测，3.A/D 转换电路，4.计算机系统。

3.多阳极光电倍增管文献一篇

紫外多阳极(128×128)微通道阵列光电倍增管

的研制

戴丽英李慧蕊黄敏徐华盛

摘要：详细报道了新研制的紫外多阳极微通道阵列光电倍增管。该器件采用了叠合式阵列阳极(128×128)、端窗式“日盲”紫外光电阴极(碲铷RbTe)、高增益的Z型微通道板组件、近贴聚焦结构等先进技术。器件的主要性能参数为：阴极发射灵敏度18 mA/W,增益2×106，暗电流0.5 nA，时间响应0.3 ns,单光子计数率2×105 s-1。

关键词：光电倍增管阵列阳极微通道板紫外阴极Development of Ultraviolet Multi-anode (128×128)Microchannel

Arrays Photomultiplier Tube

Dai Liying,Li Huirui,Huang Min,Xu Huasheng

(Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing,210016) Abstract：The ultraviolet multi-anode microchannel array (MAMA) photomultiplier has been successfully developed.Various advanced technologies,including an anode array with 128×128 pixels,head-on “solar blind” ultraviolet photocathode made of RbTe film,Z-type microchannel plates and the proximity focusing technique,were employed in the MAMA device.Major specifications of the device are as follows:cathode radiant sensitivity is 18 mA/W;current gain is 2×106;dark current is 0.5 nA;pulse rise time is 0.3 ns;single photon counting rate is 2×105 s-1.

Keywords：Photomultiplier tube,Array anode,Microchannel plate,Ultraviolet photocathode▲

紫外微通道板光电倍增管是一种微弱紫外信号探测器件，它可广泛应用于高能物理研究、空间探测、激光雷达、光子计数、电子对抗等领域。在军事上，它主要用于紫外线制导、报警、干扰及通讯等。目前，它在军事上的应用意义更为重大。由于军用飞机和火箭排放的尾烟中含有200～320 nm范围的紫外光，因此可利用对此波段灵敏的探测器来进行空中目标的探测或制导。据报道，在1991年的海湾战争中，投入战斗的美国军用飞机已装备了由新型光电倍增管制成的紫外线报警器［1］。

普通微通道板光电倍增管一般为单一阳极结构，仅能进行定向信号的探测。为了能更精确并快速地定位或捕获空中目标，则需要具有成像功能的多阳极微通道阵列光电倍增管(即多阳极微通道阵列器件，

multi-anode microchannel array，简称MAMA器件)。早期的MAMA器件采用的是分立式、电阻耦合式等类型的阳极［2］。信号输出为一对一方式，即信号输出电极数与像素数相同，这严重限制了像素密度的提高。为了获得高分辨率的MAMA器件，出现了叠合式阵列阳极结构［3］。叠合式阵列阳极由于采用了特殊的电极编码技术，使得信号输出电极数量显著减少，比如，对像素为1024×1024的阵列阳极，它的输出电极仅为128个。因此叠合式阵列阳极技术使得高分辨率MAMA器件成为可能。

80年代后期国外就已研制出了具有叠合式阵列阳极的微通道板光

电倍增管，像素数达到1024×1024，像素尺寸最小为14 μm×14 μm。多种MAMA探测器，如：日盲紫外光谱测试仪、哥达德空间飞行中心的成