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光電倍增管原理、特性與應(yīng)用
1 概述
光電子應(yīng)用技術(shù)是一門新興的高新技術(shù)，當(dāng)前還處于發(fā)展階段。相信它在21世紀(jì)必將有重大創(chuàng)新并迅速崛起。光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)也必將發(fā)展成為一種新興的知識經(jīng)濟，從而在新興技術(shù)領(lǐng)域形成巨大的生產(chǎn)力。
光電倍增管（PMT）是光子技術(shù)器件中的一個重要產(chǎn)品，它是一種具有極高靈敏度和超快時間響應(yīng)的光探測器件。可廣泛應(yīng)用于光子計數(shù)、極微弱光探測、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光研究、極低能量射線探測、分光光度計、旋光儀、色度計、照度計、塵埃計、濁度計、光密度計、熱釋光量儀、輻射量熱計、掃描電鏡、生化分析儀等儀器設(shè)備中。
2 光電倍增管的一般結(jié)構(gòu)
光電倍增管是一種真空器件。它由光電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極及電子收集極（陽極）等組成。典型的光電倍增管按入射光接收方式可分為端窗式和側(cè)窗式兩種類型。圖1所示為端窗型光電倍增管的剖面結(jié)構(gòu)圖。其主要工作過程如下：
當(dāng)光照射到光陰極時，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進入倍增系統(tǒng)，并通過進一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。
因為采用了二次發(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點。
3 光電倍增管的類型
3.1 按接收入射光方式分類
光電倍增管按其接收入射光的方式一般可分成端窗型（Head-on）和側(cè)窗型（side-on）兩大類。
側(cè)窗型光電倍增管（R系列）是從玻璃殼的側(cè)面接收入射光，兩端窗型光電倍增管（CR系列）則從玻璃殼的頂部接收射光。圖2和圖3分別是側(cè)窗式光電倍增管和端窗式光電倍過管的外形圖。
在通常情況下，側(cè)窗型光電倍增管（R系列）的單價比較便宜（一般數(shù)百元/只），在分光光度計、旋光儀和常規(guī)光度測定方面具有廣泛的應(yīng)用。大部分的側(cè)窗型光電倍增管使用不透明光陰極（反射式光陰極）和環(huán)形聚焦型電子倍增極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠使其在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。
一般情況下，光譜響應(yīng)特性的長波段取決于光陰極材料，短波段則取決于入射窗材料。
光電倍增管的陰極一般都采用具有低逸出功能的堿金屬材料所形成的光電發(fā)射面。
光電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鎂（或鎂氟化物）玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透過近紅外至300nm垢可見入射光，而其它3種玻璃材料則可用于對紫外區(qū)不可見光的探測。
端窗型光電倍增管（CR系列）也稱頂窗型光電倍增管。其價格一般在千元以上，它是在其入射窗的內(nèi)表面上沉積了半透明的光陰極（透過式光陰極），這使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性。端窗型光電倍增管的特點是擁有從幾十平方毫米到幾百平方厘米的光陰極，另外，現(xiàn)在還出現(xiàn)了針對高能物理實驗用的可以廣角度捕獲入射光的大尺寸半球形光窗的光電倍增管。
3.2 按電子倍增系統(tǒng)分類
光電倍增管之所以具有優(yōu)異的靈敏度（高電流放大和高信噪比），主要得益于基于多個排列的二次電子發(fā)射系統(tǒng)的使用。它可使電子在低噪聲條件下得到倍增。電子倍增系統(tǒng)，包括8～19極的叫做打拿極或倍增極的電極。
現(xiàn)在使用的光電倍增管的電子倍增系統(tǒng)有以下8類：
a.環(huán)形聚焦型
環(huán)型聚焦型結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于側(cè)窗型光電倍增管中，其主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊和響應(yīng)快速。
b.盒柵型
這種結(jié)構(gòu)包括一系列的1/4圓柱形的倍增極，并因其具有相對簡單的倍增極結(jié)構(gòu)和良好的一致性而被廣泛應(yīng)用于端窗型光電倍增管中，但在某些應(yīng)用場合，它的時間響應(yīng)略顯緩慢。
c.直線聚焦型
直線聚焦型光電倍增管以其極快的時間響應(yīng)而被廣泛應(yīng)用于對時間分辨率和線性脈沖要求較高的研究領(lǐng)域以及端窗型光電倍增管中。
d.百葉窗型
百葉窗型結(jié)構(gòu)的倍增極可以較大，能夠應(yīng)用于大陰極的光電倍增管中。這種結(jié)構(gòu)的一致性比較好，有大的脈沖輸出電流。多應(yīng)用于對時間響應(yīng)要求不高的場合。
e.細網(wǎng)型
該結(jié)構(gòu)有封閉的精密組合網(wǎng)狀倍增級，因而具有極強的抗磁性、一致性和脈沖線性輸出特性。另外，在使用交疊陽極或多極結(jié)構(gòu)輸出的情況下，還具有位置靈敏的特性。
f.微通道板（MCP）型
MCP微通道板型光電倍增管是將上百萬的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成為薄形盤片狀而形成的。這種結(jié)構(gòu)的每個通道都是一個獨立的電子倍增器。MCP比任何分離電極的倍增極結(jié)構(gòu)都具有超快的時間響應(yīng)，并且當(dāng)采用多陽極輸出結(jié)構(gòu)時，這種結(jié)構(gòu)的光電倍增管在磁場中仍具有良好的一致性和極強的二維探測能力。
g.金屬通道型
金屬通道型是濱松公司采用獨有的機械加工技術(shù)所創(chuàng)造的緊湊型陽極結(jié)構(gòu)，其各個倍增極之間的狹窄通道空間特性使其比任何常規(guī)結(jié)構(gòu)的光電倍增管都具有更快的時間響應(yīng)速度。金屬通道型光電倍增管適用于位置靈敏度要求比較高的探測方面。
h.混合型
混合型是將上述結(jié)構(gòu)中的兩種結(jié)構(gòu)相互混合而形成的復(fù)合型結(jié)構(gòu)?；旌辖Y(jié)構(gòu)的倍增極一般都可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。
4 使用特性
4.1 光譜響應(yīng)
光電倍增管由陰極收入射光子的能量并將其轉(zhuǎn)換為光子，其轉(zhuǎn)換效率（陰極靈敏度）隨入射光的波長而變。這種光陰極靈敏度與入射光波長之間的關(guān)系叫做光譜響應(yīng)特性。
圖4給出了雙堿光電倍增管（其光陰極材料為Sb-Rb-Cs和Sb-K-Cs）的典型光譜響應(yīng)曲線。
4.2 光照靈敏度
由于測量光電倍增管的光譜響應(yīng)特性需要精密的測試系統(tǒng)和很長的時間，因此，要為用戶提供每一支光電倍增管的光譜響應(yīng)特性曲線是不現(xiàn)實的，所以，一般是為用戶提供陰極和陽極的光照靈敏度。
陰極光照靈敏度，是指使用鎢燈產(chǎn)生的2856K色溫光測試的每單位通量入射光產(chǎn)生的陰極光電子電流。陽極光照靈敏度是每單位陰極上的入射光能量產(chǎn)生的陽極輸出電流（即經(jīng)過二次發(fā)射極倍增的輸出電流）。
4.3 電流放大（增益）
光陰極發(fā)射出來的光電子被電場加速后撞擊到第一倍增極上將產(chǎn)生二次電子發(fā)射，以便產(chǎn)生多于光電子數(shù)目的電子流，這些二次發(fā)射的電子流又被加速撞擊到下一個倍增極，以產(chǎn)生又一次的二次電子發(fā)射，連續(xù)地重復(fù)這一過程，直到最末倍增極的二次電子發(fā)射被陽極收集，這樣就達到了電流放大的目的。這時光電倍增管陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流即被放大成較大的陽極輸出電流。
一般情況下，光譜響應(yīng)特性的長波段取決于光陰極材料，短波段則取決于入射窗材料。
光電倍增管的陰極一般都采用具有低逸出功能的堿金屬材料所形成的光電發(fā)射面。
光電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鎂（或鎂氟化物）玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透過近紅外至300nm垢可見入射光，而其它3種玻璃材料則可用于對紫外區(qū)不可見光的探測。
端窗型光電倍增管（CR系列）也稱頂窗型光電倍增管。其價格一般在千元以上，它是在其入射窗的內(nèi)表面上沉積了半透明的光陰極（透過式光陰極），這使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性。端窗型光電倍增管的特點是擁有從幾十平方毫米到幾百平方厘米的光陰極，另外，現(xiàn)在還出現(xiàn)了針對高能物理實驗用的可以廣角度捕獲入射光的大尺寸半球形光窗的光電倍增管。
3.2 按電子倍增系統(tǒng)分類
光電倍增管之所以具有優(yōu)異的靈敏度（高電流放大和高信噪比），主要得益于基于多個排列的二次電子發(fā)射系統(tǒng)的使用。它可使電子在低噪聲條件下得到倍增。電子倍增系統(tǒng)，包括8～19極的叫做打拿極或倍增極的電極。
現(xiàn)在使用的光電倍增管的電子倍增系統(tǒng)有以下8類：
a.環(huán)形聚焦型
環(huán)型聚焦型結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于側(cè)窗型光電倍增管中，其主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊和響應(yīng)快速。
b.盒柵型
這種結(jié)構(gòu)包括一系列的1/4圓柱形的倍增極，并因其具有相對簡單的倍增極結(jié)構(gòu)和良好的一致性而被廣泛應(yīng)用于端窗型光電倍增管中，但在某些應(yīng)用場合，它的時間響應(yīng)略顯緩慢。
c.直線聚焦型
直線聚焦型光電倍增管以其極快的時間響應(yīng)而被廣泛應(yīng)用于對時間分辨率和線性脈沖要求較高的研究領(lǐng)域以及端窗型光電倍增管中。
d.百葉窗型
百葉窗型結(jié)構(gòu)的倍增極可以較大，能夠應(yīng)用于大陰極的光電倍增管中。這種結(jié)構(gòu)的一致性比較好，有大的脈沖輸出電流。多應(yīng)用于對時間響應(yīng)要求不高的場合。
e.細網(wǎng)型
該結(jié)構(gòu)有封閉的精密組合網(wǎng)狀倍增級，因而具有極強的抗磁性、一致性和脈沖線性輸出特性。另外，在使用交疊陽極或多極結(jié)構(gòu)輸出的情況下，還具有位置靈敏的特性。
f.微通道板（MCP）型
MCP微通道板型光電倍增管是將上百萬的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成為薄形盤片狀而形成的。這種結(jié)構(gòu)的每個通道都是一個獨立的電子倍增器。MCP比任何分離電極的倍增極結(jié)構(gòu)都具有超快的時間響應(yīng)，并且當(dāng)采用多陽極輸出結(jié)構(gòu)時，這種結(jié)構(gòu)的光電倍增管在磁場中仍具有良好的一致性和極強的二維探測能力。
g.金屬通道型
金屬通道型是濱松公司采用獨有的機械加工技術(shù)所創(chuàng)造的緊湊型陽極結(jié)構(gòu)，其各個倍增極之間的狹窄通道空間特性使其比任何常規(guī)結(jié)構(gòu)的光電倍增管都具有更快的時間響應(yīng)速度。金屬通道型光電倍增管適用于位置靈敏度要求比較高的探測方面。
h.混合型
混合型是將上述結(jié)構(gòu)中的兩種結(jié)構(gòu)相互混合而形成的復(fù)合型結(jié)構(gòu)?；旌辖Y(jié)構(gòu)的倍增極一般都可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。
4 使用特性
4.1 光譜響應(yīng)
光電倍增管由陰極收入射光子的能量并將其轉(zhuǎn)換為光子，其轉(zhuǎn)換效率（陰極靈敏度）隨入射光的波長而變。這種光陰極靈敏度與入射光波長之間的關(guān)系叫做光譜響應(yīng)特性。
圖4給出了雙堿光電倍增管（其光陰極材料為Sb-Rb-Cs和Sb-K-Cs）的典型光譜響應(yīng)曲線。
4.2 光照靈敏度
由于測量光電倍增管的光譜響應(yīng)特性需要精密的測試系統(tǒng)和很長的時間，因此，要為用戶提供每一支光電倍增管的光譜響應(yīng)特性曲線是不現(xiàn)實的，所以，一般是為用戶提供陰極和陽極的光照靈敏度。
陰極光照靈敏度，是指使用鎢燈產(chǎn)生的2856K色溫光測試的每單位通量入射光產(chǎn)生的陰極光電子電流。陽極光照靈敏度是每單位陰極上的入射光能量產(chǎn)生的陽極輸出電流（即經(jīng)過二次發(fā)射極倍增的輸出電流）。
4.3 電流放大（增益）
光陰極發(fā)射出來的光電子被電場加速后撞擊到第一倍增極上將產(chǎn)生二次電子發(fā)射，以便產(chǎn)生多于光電子數(shù)目的電子流，這些二次發(fā)射的電子流又被加速撞擊到下一個倍增極，以產(chǎn)生又一次的二次電子發(fā)射，連續(xù)地重復(fù)這一過程，直到最末倍增極的二次電子發(fā)射被陽極收集，這樣就達到了電流放大的目的。這時光電倍增管陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流即被放大成較大的陽極輸出電流。
光電倍增管特性：高量子效率、高穩(wěn)定性、低暗電流
適用管型：R647/1166/1924/5611、CR105/120、R928/4220/6350/6357、CR131、R1925/1463/647、CR110/120、IP21/28
8.X光時間計
光電倍增管特性：高靈敏度、高穩(wěn)定性、低暗電流
適用管型：R105/913A/6350
9.射線測量儀
光電倍增管特性：穩(wěn)定性、本底噪聲、好坪特性
適用管型：R647/1635/1924、CR119/120/129/133
10.資源調(diào)查，石油測井應(yīng)用
光電倍增管特性：穩(wěn)定性、抗震、較好的坪特性
適用管型：1281/1288/3991/4177
11.工業(yè)計測，厚度計
光電倍增管特性：寬動態(tài)范圍，高能量辨率
適用管型：R580/329/647/6231、CR120、129、CH126
光電倍增管特性：高量子效率、低峰值噪聲、較好均勻性
適用管型：R647/928/1463/3896、CR115/131
13.攝影印刷、彩色掃描
光電倍增管特性：高穩(wěn)定性、低噪聲滯后、高量子效率
適用管型：R212/905/1463/1924/3811、CR110/114/115
14.輻射計數(shù)器
光電倍增管特性：時間響應(yīng)好、小型化，抗磁場
適用管型：R647/1166/1450/1635、CR115
15.TOF計數(shù)器
光電倍增管特性：時間響應(yīng)好、小型化，抗磁場
適用管型：R1828/1450/1635/2083/4998/5800/5924
16.契倫柯夫計數(shù)器
光電倍增管特性：高量子效率、高分辨力、高增益、抗磁性
適用管型：R1584/2059/2256/5113/5924
17.熱量計
光電倍增管特性：脈沖好，高分辨力，高穩(wěn)定性，抗磁性
適用管型：R329/580/5924/6091
18.中微子、正電子衰變實驗
光電倍增管特性：大直徑、高穩(wěn)定性、低暗計數(shù)、時間響應(yīng)好
適用管型：R5912/3600-02
19.宇宙線檢測、宇宙線空氣浴計數(shù)器
光電倍增管特性：大直徑、高穩(wěn)定性、低暗計數(shù)、時間響應(yīng)好
適用管型：R329/580/1166/1828/6091、CR115/129
20.天體X線檢測、星際塵埃測定
光電倍增管特性：高能量分辨率、耐振動沖擊
適用管型：R2486/R976/1080/6834/6835/6836
21.激光雷達、大氣觀察
光電倍增管特性：低暗計數(shù)、高電流增益，快速時間響應(yīng)
適用管型：R3234/3237/3809/5916
22.熒光壽命測定、分子結(jié)構(gòu)研究
光電倍增管特性：低暗計數(shù)、高電流增益，快速時間響應(yīng)
適用管型：R3809U系列、R5916U系列
23.等離子體探測
光電倍增管特性：高量子效率、高微弱光檢測效率，可以作動作
適用管型：R636-10*R943-02，CR129、CR135
6 使用注意事項
在使用光電倍增管時，應(yīng)特別注意以下幾點：
?。?）光電倍增管的工作電壓可能造成電擊，在儀器設(shè)計中應(yīng)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置保護裝置。
（2）由于光電倍增管的封裝尾管易受外力或振動而損傷，故應(yīng)盡量保證其安全。特別是對帶有過渡封裝的合成石英外殼的光電倍增管，應(yīng)特別注意外力的沖擊和機械振動等影響。
?。?）不要用手觸光電倍增管，面板上的光土和手印會影響光信號的穿透率，受到污染的管基會產(chǎn)生低壓漏光。光電倍增管受到污染后，可用酒精擦試干凈。
?。?）當(dāng)陽光或其他強光照射到光電倍增管時，會損傷管中的光陰極。所以光電倍增管存放時，不應(yīng)暴露在強光中。
（5）玻璃管基（芯柱）光電倍增管比塑料管基更缺乏緩沖保護，所以對玻璃管基的管子應(yīng)更加保護，例如，在管座上焊接分壓電阻時，應(yīng)將光電倍增管先插入管座中。
?。?）在使用中需要冷卻光電倍增管時，應(yīng)經(jīng)常將光電倍增管的相關(guān)部件也進行冷卻。 氦氣會穿透石英管殼，從而使噪聲值升高。因此，在使用和存放中避免將光電倍增管暴露在有氦氣存在的環(huán)境中。
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