1、光電倍增管基礎知識（光電倍增管原理、結構及特性）1光電倍增管概述光電子應用技術是一門新興的高新技術，當前還處于發展階段。相信它在21世紀必將有重大創新并迅速崛起。光電 子技術產業也必將發展成為一種新興的知識經濟，從而在新興技術領域形成巨大的生產力。光電倍增管（PMT）是光子技術器件中的一個重要產品，它是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件。可 廣泛應用于光子計數、極微弱光探測、化學發光、生物發光研究、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備中。2光電倍增管的一般結構光電倍增管是一種真空器件。

2、它由光電發射陰極（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窗式兩種類型。圖1所示為端窗型光電倍增管的剖面結構圖。其 主要工作過程如下：/二子 皋倍零極 管麻PJi迪.%|韓/1妃啤、餌光隅饋（打故楹陽服圖1端留型光電倍堆管的荊面圖當光照射到光陰極時，光陰極向真空中激發出光電子。這些光電子按聚焦極電場進入倍增系統，并通過進一步的二 次發射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。因為采用了二次發射倍增系統，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區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

3、倍增管還具有響應快速、成本低、陰極面積大等優點。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）和側窗型（side-on）兩大類。側窗型光電倍增管（R系列）是從玻璃殼的側面接收入射光，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分別是側窗式光電倍增管和端窗式光電倍過管的外形圖。圖3端癡在通常情況下，側窗型光電倍增管（R系列）的單價比較便宜（一般數百元/只），在分光光度計、旋光儀和常規光 度測定方面具有廣泛的應用。大部分的側窗型光電倍增管使用不透明光陰極（反射式光陰極）和環形聚焦型電子倍增極 結構，這種結構能夠使

4、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），這使其具有優于側窗型的均勻性。端窗型光電倍增管的特點是擁有從幾十平方毫米

5、 到幾百平方厘米的光陰極，另外，現在還出現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按電子倍增系統分類光電倍增管之所以具有優異的靈敏度（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射系統的 使用。它可使電子在低噪聲條件下得到倍增。電子倍增系統，包括819極的叫做打拿極或倍增極的電極。現在使用的光電倍增管的電子倍增系統有以下8類：環形聚焦型環型聚焦型結構主要應用于側窗型光電倍增管中，其主要特點是結構緊湊和響應快速。盒柵型這種結構包括一系列的1/4圓柱形的倍增極，并因其具有相對簡單的倍增極結構和良好的一致性而被廣泛應用于端 窗型光電倍增管中，但

6、在某些應用場合，它的時間響應略顯緩慢。直線聚焦型直線聚焦型光電倍增管以其極快的時間響應而被廣泛應用于對時間分辨率和線性脈沖要求較高的研究領域以及端窗 型光電倍增管中。百葉窗型百葉窗型結構的倍增極可以較大，能夠應用于大陰極的光電倍增管中。這種結構的一致性比較好，有大的脈沖輸出 電流。多應用于對時間響應要求不高的場合。細網型該結構有封閉的精密組合網狀倍增級，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 極或多極結構輸出的情況下，還具有位置靈敏的特性。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。這種結構的每

7、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構都具有超快的時間響應，并且當采用多陽極輸出結 構時，這種結構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。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所創造的緊湊型陽極結構，其各個倍增極之間的狹窄通道空間特性 使其比任何常規結構的光電倍增管都具有更快的時間響應速度。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。混合型混合型是將上述結構中的兩種結構相互混合而形成的復合型結構。混合結構的倍增極一般都可以發揮各自的優勢。4光電倍增管使用特性4.1光譜響應光電倍增管由陰極收入射光子的能量并將其轉換為光子

8、，其轉換效率（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系叫做光譜響應特性。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）的典型光譜響應曲線。4 006網 時0it求g4 凋粉型雙眺叫睽it電情瘴井明牛產尹4.2光照靈敏度由于測量光電倍增管的光譜響應特性需要精密的測試系統和很長的時間，因此，要為用戶提供每一支光電倍增管的 光譜響應特性曲線是不現實的，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，是指使用鎢燈產生的2856K色溫光測試的每單位通量入射光產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生的陽極

9、輸出電流（即經過二次發射極倍增的輸出電流）。4.3電流放大（增益）光陰極發射出來的光電子被電場加速后撞擊到第一倍增極上將產生二次電子發射，以便產生多于光電子數目的電子 流，這些二次發射的電子流又被加速撞擊到下一個倍增極，以產生又一次的二次電子發射，連續地重復這一過程，直到 最末倍增極的二次電子發射被陽極收集，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射面。光電倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃

10、（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），這使其具有優于側窗型的均勻性。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，現在還出現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。5.光電倍增管特性：高量子效率、高穩定性、低暗電流適用管型：R647/1166/1924/5611、CR105

11、/120、R928/4220/6350/6357、CR131、R1925/1463/647、CR110/120、IP21/28X光時間計光電倍增管特性：高靈敏度、高穩定性、低暗電流適用管型：R105/913A/6350射線測量儀光電倍增管特性：穩定性、本底噪聲、好坪特性適用管型：R647/1635/1924、CR119/120/129/133資源調查，石油測井應用光電倍增管特性：穩定性、抗震、較好的坪特性適用管型：1281/1288/3991/4177工業計測，厚度計光電倍增管特性：寬動態范圍，高能量辨率適用管型：R580/329/647/6231、CR120、129、CH126半導體元件檢測

12、系統光電倍增管特性：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攝影印刷、彩色掃描光電倍增管特性：高穩定性、低噪聲滯后、高量子效率適用管型：R212/905/1463/1924/3811、CR110/114/115輻射計數器光電倍增管特性：時間響應好、小型化，抗磁場適用管型：R647/1166/1450/1635、CR115TOF計數器光電倍增管特性：時間響應好、小型化，抗磁場適用管型：R1828/1450/1635/2083/4998/5800/5924契倫柯夫計數器光電倍增管特性：高量子效率、高分辨力、高增益、抗磁性適用管型：R158

13、4/2059/2256/5113/5924熱量計光電倍增管特性：脈沖好，高分辨力，高穩定性，抗磁性適用管型：R329/580/5924/6091中微子、正電子衰變實驗光電倍增管特性：大直徑、高穩定性、低暗計數、時間響應好適用管型：R5912/3600-02宇宙線檢測、宇宙線空氣浴計數器光電倍增管特性：大直徑、高穩定性、低暗計數、時間響應好適用管型：R329/580/1166/1828/6091、CR115/129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激光雷達、大氣觀察光電倍增管特性：低暗計數、高電

14、流增益，快速時間響應適用管型：R3234/3237/3809/5916熒光壽命測定、分子結構研究光電倍增管特性：低暗計數、高電流增益，快速時間響應適用管型：R3809U系列、R5916U系列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、CR1356使用注意事項在使用光電倍增管時，應特別注意以下幾點：（1）光電倍增管的工作電壓可能造成*，在儀器設計中應適當地設置保護裝置。（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，應特別注意外力的沖擊和機械振動等影響。（3）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生低壓漏光。光電 倍增管受到污染后，