光电倍增管

光电倍增管光电倍增管一、结构组成二、工作原理三、主要性能及参数四、PMT的光电特性五、光电倍增管的使用六、选择PMT考虑的因素一、光电倍增管的结构组成它主要由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。1、光窗侧窗式端窗式KK2、光电阴极把光电发射体镀在金属或透明材料上即可制成，起着在光照情况下发射光电子的作用a、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极红外探测，暗电流大，稳定性差，易疲劳及老化b、单碱锑化物光电阴极与a比较而言，暗电流小，疲劳及老化程度小些c、多碱锑化物光电阴极耐高温，暗电流、疲劳及老化都小但工艺复杂，成本高d、负电子亲和势光电阴极(NEA)低反射性，高量子效率，暗电流小，但工艺复杂，成本高3、电子光学系统光电阴极至第一倍增极之间的区域收集率高渡越时间一致12带孔膜片3第一倍增极与光电阴极同电位的金属筒或镀在玻璃壳上的金属导电层电子光学系统结构图K4、电子倍增系统非聚焦则是指在两电极间的电子运动轨迹是平行的。所谓聚焦不是指使电子束会聚于一点，而是指电子从前一级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子运动轨迹，可能有交叉。各种倍增极的结构形式a)百叶窗式b)盒栅式c)直瓦片式d)圆瓦片式4、电子倍增系统倍增极结构形式特点聚焦型直瓦片式极间电子渡越时间散差小，但绝缘支架可能积累电荷而影响电子光学系统的稳定性。圆瓦片式结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差些。非聚焦型百叶窗式工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管，但极间电压高时，有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡越时间零散较大。盒栅式收集率较高（可达95%），结构紧凑，但极间电子渡越时间零散较大。5、阳极阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的二次电子。空间电荷效应一次电子二次电子栅网状阳极阳极结构示意图一、PMT的工作原理KφD1D3D2D4A＋ＫR1R2R3RnRn+1D1D2D3DnARLφPMT的工作原理图PMT的各电极连接电路图TMP：其工作原理为：(1)光子透过入射窗入射到光电阴极上；(2)光电阴极上的电子受光子的激发，离开表面发射到真空中；(3)光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次光电子;(4)入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次；(5)经过倍增后的二次电子由阳极收集起来，形成阳极光电流，在负载上产生信号电压。三、光电倍增管的主要性能参数1.灵敏度灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数，一般是指积分灵敏度，其单位为uA/Lm。光电倍增管的灵敏度一般包括阴极灵敏度、阳极灵敏度。1、灵敏度灵敏度公式说明阴极灵敏度阴极光谱灵敏度SK(λ)=IKλ/ΦλS：灵敏度λ：波长I：光电流Φ：光通量下标K：阴极下标A：阳极阴极积分灵敏度SK=IK/Φ阳极灵敏度阳极光谱灵敏度SA(λ)=IAλ/Φλ阳极积分灵敏度SA=IA/Φ2、电流增益M阳极电流与阴极电流之比，或阳极灵敏度与阴极灵敏度之比，即M=IA/IK=SA/SK若倍增管有n个倍增极，并且每个倍增极的倍增系数δ均相等，则M＝δn因为δ是电压的函数，所以M也是电压的函数。3、暗电流（1）光电阴极和倍增极的热电子发射。此为主要暗电流。实际使用时尽量降低光电阴极的工作温度。（2）极间漏电流由于各级绝缘强度不够、极间灰尘放电。措施：尽量保持各电极间的清洁、干燥。（3）离子和光的反馈作用受抽真空技术的限制，残余气体与运动电子碰撞电离，电离的电子经放大形成电流。当离子打到管壁上产生荧光反射到阴极造成光反馈。措施：采用管外导电层及金属屏蔽罩。（4）场致发射电极上的尖端、棱角、粗糙边缘在高压下产生的电子发射。措施：选择合适的极间电压。4、噪声主要有散粒噪声和负载电阻的热噪声。１、散粒噪声原因：光电阴极光电发射的随机性；倍增极二次电子发射的随机性措施：精心设计，正确使用可以消除２、负载电阻的热噪声（主要噪声）总的噪声电流为：LnTRfkTi421222fMeiiknALknTnARfkTfMeiii4122225、NEP（灵敏阈）噪声等效功率（NEP）表述倍增管阳极信号与噪声有效值之比等于1时，入射于倍增管光电阴极的光功率（通量）的有效值。即IA/InA=1时，NEP=InA/SA四、PMT的光电特性1、光电特性a、线性范围宽b、非线性：空间电荷效应倍增极的疲乏负载过大2、伏安特性（1）工作范围线性好（2）工作范围宽饱和区的直线范围是PMT质量优劣的重要标志3、时间特性及频率特性a、时间特性（1）渡越时间（2）上升时间tr（3）脉冲宽度输出电流脉冲的半幅值之间的时间宽度（4）渡越时间散差21tttb、频率特性rctf35.04、稳定性老化与疲老程度措施：把制好的光电被增管自然老化一段时间后再使用，尽量使阳极电流保持在１微安以内阳极随电源电压变化的滞后末级倍增极和阳极之间的极间电压应设计的与总电压源无关五、光电倍增管的使用基本要求倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级的电压要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来供电。一般情况下，各级电压均相等，约80～100V，总电压约1000～1300V。1）电源电压稳定性的要求目前已有光电倍增管专用的电源稳压块。2）电阻链分压电阻的确定若电阻链为均匀分压，则每个分压电阻的阻值应相等。因IR与IA是并联关系，要保证阳极电流最大时流过电阻链的电流基本不变，这就要求IR≥10IAmIR：电阻链的电流IA：阳极电流3）并联电容的确定倍增管的输出电流主要是来自于最后几级，探测脉冲光时，为了不使阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容器。4）接地方式阳极接地的特点是，便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不仅可以通过一个低压耦合电容与交流放大器相接，也可以直接与直流放大器相接。阴极接地的特点是，便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些，屏蔽效果好；暗电流小，噪声低。六、选择PMT考虑的因素根据使用要求、场合选择PMT的类型。光谱响应范围应与所测光的光谱相一致。阴极尺寸的大小应与被测光束的大小相一致。阴、阳极灵敏度根据测量光信号的强弱来确定暗电流根据测量光信号的强弱考虑其大小。必须工作于额定电压和额定电流内。使用金属屏蔽壳，金属壳接地（电磁干扰而言）选择PMT考虑的因素阳极电流应不超过１μA以减少疲劳和老化效应光电倍增管应储存在黑暗中，使用前最好先接通高压电源，在黑暗中存放几小时。光电倍增管的注意事项不宜用强光，容易引起疲劳额定电压和电流内工作入射光斑尺寸和管子的有效阴极面尺寸向对应电场屏蔽和磁屏蔽测交变光时，负载电阻不宜过大谢谢！