光电倍增管简介及使用特性

光电倍增管简介及使用特性1．介绍今天我们使用的光电器件中，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。典型的光电倍增管如图1所示，在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极（阳极）的器件。当光照射光阴极，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，通过进一步的二次发射得到倍增放大。放大后的电子被阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。2．结构一般，端窗型（Head-on）和侧窗型（Side-on）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。通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度测定方面有广泛的使用。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。端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。光电倍增管的优异的灵敏度（高电流放大和高信噪比）得益于基于多个排列的二次电子发射系统的使用，它使电子低噪声的条件下得到倍增。电子倍增系统包括从8至19极的被叫做打拿极或倍增极的电极。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）直线聚焦型直线聚焦型因其极快的时间响应而被广泛地应用于要求时间分辨和线性脉冲研究用的端窗型光电倍增管中。4）百叶窗型百叶窗型结构因倍增极可以较大而被用于大阴极的光电倍增管中，其一致性较好，可以有大的脉冲输出电流。这种结构多用于不太要求时间响应的场合。5）细网型细网型结构拥有封闭的精密组合的网状倍增极，而使其具有极强的抗磁性、一致性和脉冲线性输出特性。另外，当使用交叠阳极或多阳极结构输出情况下，还具有位置灵敏特性。6）微通道板（MCP）型MCP是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。每个通道都是一个独立的电子倍增器。MCP比任何分离电极倍增极结构具有超快的时间响应，并且当采用多阳极输出结构时，在磁场中仍具有良好的一致性和二维探测能力。7）金属通道型金属通道型拥有滨松公司独有的机械加工技术创造的紧凑阳极结构，各个倍增极之间狭窄的通道空间，使其比任何常规结构的光电倍增管可以达到更快的时间响应速度。并可适用于位置灵敏探测。此外，上述结构中两种结构相混合也是可能的。混合的倍增极可以发挥各自的优势。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%。附件后的光谱响应特性曲线为典型值，对于每一支光电倍增管来讲，真实的数据可能会略有差异。5．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）InGaAs（Cs）这种阴极材料比GaAs在红外区有了较大的扩展，可以达到900-1000nm，比Ag-O-Cs阴极有更高的信噪比。4）Sb-Cs这是一种具有在紫外和可见光范围光谱响应的广泛应用的光阴极材料。主要应用在反射式光阴极上，不太适合于透过式光阴极。5）双碱材料（Sb-Rb-Cs）（Sb-K-Cs）这些材料与Sb-Cs材料具有相似的光谱响应特性，但比Sb-Cs材料具有更高的灵敏度和更低的噪声。透过式双碱材料光阴极更具有与NaI（Tl）闪烁晶体匹配的良好的灵敏度光谱特性，所以这种光电倍增管常用于放射性领域中的闪烁探测工作。6）高温双碱和低噪声双碱材料（Na-K-Sb）这种材料因为可以工作在高达175℃，所以常用于高温环境场合，比如石油测井行业等。在室温下，这种阴极材料具有很低的暗电流，在光子计数应用方面较为理想。7）多碱阴极（Na-K-Sb-Cs）多碱阴极在紫外到近红外区很宽的光谱范围内具有较高的灵敏度。所以常用于宽光谱范围的分光光度计。应用特殊的阴极制作方法可以将光谱响应范围扩展至930nm。8）Cs-Te，Cs-I这些材料的光谱响应范围在真空紫外和紫外线区，因为对可见光没有响应，所以也叫做日盲材料。Cs-Te材料光谱响应范围可以达到320nm，Cs-I材料也可达到200nm。6．窗材料光电倍增管一般使用以下窗材料：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）透紫玻璃（UV玻璃）这种玻璃材料就象其名字所表达的那样，可以很好地透过紫外光，和硼硅玻璃一样被广泛使用。分光应用领域一般都要求用透紫玻璃，其截止波长可接近185nm。3）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。4）氟化镁（镁氟化物）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。如上所述，光电倍增管的光谱响应特性同时取决于光阴极和光窗材料，这一点对选择适当的光电倍增管很重要。7．辐射灵敏度如图4所示，光谱响应经常以不同波长下的辐射灵敏度和量子效率来表示。辐射灵敏度（S）即为某一波长下的光电倍增管阴极发射出的光电子电流与该波长的入射光能量的比值，单位为A/W（安培/瓦）。量子效率（QE）为光阴极发射出来的光电子数量与入射光光子的数量之比。一般用百分比来表示量子效率。在给定波长下辐射灵敏度和量子效率有如下关系：这里S为给定波长下的辐射灵敏度，单位为A/W，λ为波长，单位为nm（纳米）。8．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测试系统和很长的时间，所以提供给用户每一支光电倍增管的光谱响应特性不现实，所以我们提供阴极和阳极的光照灵敏度。阴极光照灵敏度是使用钨灯产生的2856K色温光测试的每单位通量入射光（实际用10-5~10-2Lm）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通量（实际用10-10~10-5Lm）产生的阳极输出电流（经过二次发射极倍增后）。虽然同样是用钨灯，测量时所加电压要作适当的调整。当光电倍增管具有相同或相似的光谱响应范围时，这些参数显然很有用。除了对钨灯产生的光没有响应的Cs-I和Cs-Te阴极的管子（这些管子将给出特定波长下的辐射灵敏度），滨松公司的光电倍增管的最终测试数据也常常提供这些参数。阴极和阳极的光照灵敏度都是以A/Lm（安培/流明）为单位，请注意，流明是在可见光区的光通量的单位，所以对于光电倍增管的可见光区以外的光照灵敏度数值可能是没有实际意义的（对于这些光电倍增管，常常使用蓝光灵敏度和红白比来表示）9．蓝光灵敏度和红白比一般使用阴极蓝光灵敏度和红白比来简单地比较光电倍增管的光谱响应特性。阴极蓝光灵敏度是使用钨灯产生的2856K色温光通过蓝色滤光片（康宁公司CSNo.5-58磨光至一半厚度）后测试的每单位通量入射光（实际用10-5~10-2Lm）产生的阴极光电子电流。对于光通量，通过蓝色滤光片后就不能再用流明表示了，所以蓝光灵敏度表示为A/Lm-b（安培/流明-蓝光）。因为与闪烁计数用的NaI（Tl）晶体产生的蓝色光谱非常相近，蓝光灵敏度在使用NaI（Tl）晶体的场合比较重要，对于能量分辨率更是决定性的参数。红白比用于光谱响应扩展到近红外区的光电倍增管。这个参数是使用钨灯产生的2856K色温光通过红色滤光片（东芝公司专门用于S-1谱光阴极的IR-D80A或用于其它阴极的R-68滤光片）后测试的阴极光照灵敏度除以去掉上述滤光片时的阴极光照灵敏度的商。10．电流放大（增益）光阴极发射出来的光电子被电场加速撞击到第一倍增极，以便发生二次电子发射，产生多于光电子数目的电子流。这些二次电子发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极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，从而达到了电流放大的作用。这时可以观测到，光电倍增管的阴极产生的很小的光电子电流，已经被放大成较大的阳极输出电流。电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比值。在理想情况下，具有n个倍增极，每个倍增极的平均二次电子发射率为δ的光电倍增管的电流增益为δn。二次电子发射率δ由下式给出：δ=A·Eα这里的A为一常数，E为极间电压，α为一由倍增极材料及其几何结构决定的系数，α的数值一般介于0.7和0.8之间。这样，具有n个倍增极，阴极和阳极间加入电压V的光电倍增管，其电流增益μ即可表示为：一般的光电倍增管有9～12个倍增极，所以阳极灵敏度与所加电压可以有106～1010的变化。光电倍增管的输出信号也特别地容易受到所加电压的波动的影响，所以供电电压一定要有很好的稳定性、较小的纹波、漂移和温度系数。基于以上原因，我公司亦可提供充分考虑上述因素设计开发的专供光电倍增管使用的可控高压电源，请参阅相关样本。11．阳极暗电流光电倍增管在完全黑暗的环境中仍会有微小的电流输出。这个微小的电流叫做阳极暗电流。阳极暗电流是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素。如图9所示，阳极暗电流受电压的影响非常大。阳极暗电流的主要来源有以下几种：1）电子热发射因为光阴极和倍增极材料具有较低的逸出功，所以在室温下会发射出大量的热电子。大部分的暗电流源于这种热电子发射，特别是那些来自光阴极的热电子，因为它们要经过倍增极的放大。将光电倍增管冷却是降低热电子发射的有效手段，这一点对诸如光子计数等要求光电倍增管具有极低暗计数特性的应用显得及其重要。图10给出了几种光阴极的暗电流与温度的关系。在室温下，那些在红光和红外区具有灵敏度的，特别是S-1谱的光阴极具有较高的暗电流。滨松公司同样提供了各种尺寸光电倍增管使用的电子制冷器（C659、C4877等）。详情请参阅相关样本。2）残留气体电离（离子反馈）光电倍增管内的残留气体与电子碰撞会产生电离。当这些离子撞击光阴极或前几极倍增极时也会发射出二次电子，导致较大的阳极脉冲噪声输出。这些噪声脉冲常常在主信号脉冲后