光電倍增管新1§3.1.1光電培增管

光電培增管是外光電效應探測器，把微弱的入射光轉換成光電子，并獲得培增的重要的真空光電發射器件。一．結構與原理光電倍增管由光窗、光電陰極、電子光學系統、電子倍增系統和陽極等五個主要部分組成，其外形如圖。1、結構2、工作原理光子透過入射窗口入射到光電陰極上光電陰極的電子受光子激發，離開表面發射到真空中光電子通過電場加速和電子光學系統聚焦入射到第一倍增極D1上，倍增極將發射出比入射電子數目更多的二次電子。入射電子經N級倍增極倍增后，光電子就放大N次。經過倍增后的二次電子由陽極A收集起來，形成陽極光電流，在負載RL上產生信號電壓。h

KAD1D2DnR1R2RnRlV0陽極廣泛采用柵網狀結構。圖為倍增管各電極的連接線路。工程上有時利用這一性質來自動調節光電倍增管的靈敏度。②采用合適的屏蔽減小自然界中輻射線照射入射電子經N級倍增極倍增后，光電子就放大N次。按進光方式：A側窗式B端窗式；同時還需要在陰極、聚焦極、倍增極和陽極之間分配一定的極間電壓，保證光電子能被有效收集，光電流通過倍增極系統得放大。高壓供電電路－－分壓電阻的確定A盒狀B圓籠式②光電倍增管的極間漏電流主要有兩方面的作用：①使光電陰極發射的光電子盡可能全部會聚到第一倍增極上，而將其它部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比，一般用電子收集率o表示。光窗是入射光的通道，是對光吸收較多的部分。如：硼硅玻璃，其透射光譜范圍從300nm到紅外隨著電源電壓升高，電子在電場中的速度加快，動能增大，電子在倍增電極中可打出更多的二次發射電子，因而放大系數或靈敏度增大。聚焦型倍增系統倍增極的結構形式有直瓦片式、圓瓦片式；最常用的分壓器是采用一組電阻跨接在陰極與陽極之間。制作光電陰極的材料多是化合物半導體，它決定了倍增管光譜特性的長波閾值，同時也決定了整管的靈敏度。經過倍增后的二次電子由陽極A收集起來，形成陽極光電流，在負載RL上產生信號電壓。曲線1和2各畫出了相應于橫坐標所給陽極電流Iα值，經過20分鐘和40分鐘后的靈敏度降低的情況。最常用的分壓器是采用一組電阻跨接在陰極與陽極之間。隨著電源電壓升高，電子在電場中的速度加快，動能增大，電子在倍增電極中可打出更多的二次發射電子，因而放大系數或靈敏度增大。i0—光陰極發出的光電流；經過倍增后的二次電子由陽極A收集起來，形成陽極光電流，在負載RL上產生信號電壓。減少暗電流的辦法：聚焦型倍增系統倍增極的結構形式有直瓦片式、圓瓦片式；①采用熱電子發射能力弱的光電陰極和倍增極在相當寬的范圍內為直線。倍增極數目：A單極B多極；光電倍增管的電流放大系數β或靈敏度隨電源電壓U增大的關系，稱為放大特性。轟擊材料的入射電子稱為一次電子。二．組成部分1、光窗光窗是入射光的通道，是對光吸收較多的部分。通常有側窗和端窗兩種，側窗一般使用反射式光電陰極，而端窗一般使用半透明光電陰極，光電陰極材料沉積在入射窗的內側面。常用的光窗材料有鈉鈣玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟鎂玻璃等。如：硼硅玻璃，其透射光譜范圍從300nm到紅外熔融石英，其透紫外波長可達到160nm2、光電陰極它的作用是接收入射光，向外發射光電子。制作光電陰極的材料多是化合物半導體，它決定了倍增管光譜特性的長波閾值，同時也決定了整管的靈敏度。3、電子光學系統主要有兩方面的作用：①使光電陰極發射的光電子盡可能全部會聚到第一倍增極上，而將其它部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比，一般用電子收集率

o表示。②使陰極面上各處發射的光電子在電子光學系統中渡越時間盡可能相等，使渡越時間差異最小，以保證光電倍增管的快速響應，一般渡越時間的離散性△t用表示。4、倍增系統倍增系統是由許多倍增極組成的綜合體，每個倍增極都是由二次電子倍增材料構成的，具有使一次電子倍增的能力。因此倍增系統是決定整管靈敏度最關鍵的部分。（1）二次發射電子具有足夠動能的電子轟擊某些材料時，材料表面將發射新的電子，種現象稱為二次電子發射。轟擊材料的入射電子稱為一次電子。（2）倍增極的原理及結構4、倍增系統－－由許多倍增極組成，決定整管靈敏度最關鍵部分作用－－倍增10-15級倍增極4、倍增系統入射光照射到光電陰極K上，發射光電子，經電子光學系統加速，聚焦到倍增極上，發射出多個二次電子；電子經n級倍增極，形成放大的陽極電流，在負載RL上產生放大的信號輸出。4、倍增系統如果每個電子落到某一倍增極上從該倍增極打出σ個二次電子，那么很明顯地：式中，I—陽極電流；i0

—光陰極發出的光電流；n—光電倍增極的級數。光電倍增管的電流放大系數β可用下式表示:

β==圖為倍增管各電極的連接線路。為簡單起見，只畫了四個倍增極。倍增系統有聚焦型和非聚焦型兩類。聚焦型倍增系統倍增極的結構形式有直瓦片式、圓瓦片式；非聚焦倍增系統倍增極的結構形式有百葉窗式和盒柵式。（3）倍增極結構光電倍增管中的倍增極一般由幾級到十五級組成，光電倍增管按倍增極結構可分為聚焦型與非聚焦型兩種。非聚焦型光電倍增管有百葉窗型（圖a）與盒柵式（圖b）兩種結構；聚焦型有瓦片靜電聚焦型（圖c）和圓瓦片式（圖d）兩種結構。

倍增極結構形式特點聚焦型直瓦片式極間電子渡越時間零散小，但絕緣支架可能積累電荷而影響電子光學系統的穩定性。圓瓦片式結構緊湊，體積小，但靈敏度的均勻性差些。非聚焦型百葉窗式工作面積大，與大面積光電陰極配合可制成探測弱光的倍增管，但極間電壓高時，有的電子可能越級穿過，收集率較低，渡越時間零散較大。盒柵式收集率較高（可達95%），結構緊湊，但極間電子渡越時間零散較大。（3）倍增極結構陽極作用：－－收集最末一級倍增極發射出來的二次電子，向外電路輸出電流。結構：－－具有較高電子收集率，能承受較大電流密度，在陽極附近空間不產生空間電荷效應。陽極廣泛采用柵網狀結構。光電倍增管分類1.按進光方式：

A側窗式B端窗式；2.電極工作方式：A透射式B反射式；3.倍增極數目：A單極B多極；4.倍增極系統結構：

A盒狀B圓籠式

C百葉窗式D直線瓦片式5.光電陰極材料：CsSb、Ag-O-Cs、多堿光電倍增管分類三、光電倍增管的主要特性參數1．靈敏度

2．電流增益3．光電特性4．光譜特性5．伏安特性6．時間特性7．暗電流8．疲勞特性9．噪聲1、光電特性陽極光電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數關系，稱為倍增管的光電特性。

在相當寬的范圍內為直線。當光通量很大時，特性曲線開始明顯偏離直線。在工作時陰極不能有強光照射，否則易損壞管子。因它的靈敏度高，光電倍增管允許測量非常小的光通量，或所需放大器的級數可以較少。2、光譜特性圖中示出了銻鉀銫（Sb-K-Cs）光電陰極的光譜特性，最靈敏的光譜波長約在4000埃處。同時還要注意環境溫度對光電倍增管光譜相應的影響。3、伏安特性陽極伏安特性定義為：當入射光通量一定時，陽極電流Ia與最后一級倍增極和陽極之間電壓U的關系。相應于不同光通量值的陽極伏安特性示于圖中，它表示陽極電流Iα對于最后一級倍增極和陽極間的電壓U的關系。作此曲線時，其余各電極的電壓保持恒定。4、放大特性光電倍增管的電流放大系數β或靈敏度隨電源電壓U增大的關系，稱為放大特性。隨著電源電壓升高，電子在電場中的速度加快，動能增大，電子在倍增電極中可打出更多的二次發射電子，因而放大系數或靈敏度增大。工程上有時利用這一性質來自動調節光電倍增管的靈敏度。5、頻率特性

光電倍增管的頻率特性很好，f高達106HZ或更高時仍能保持高的靈敏度。6、疲乏特性

光電倍增管在工作過程中靈敏度要降低，其原因是最后幾極倍增極的疲勞。曲線1和2各畫出了相應于橫坐標所給陽極電流Iα值，經過20分鐘和40分鐘后的靈敏度降低的情況。管子工作的頭幾分鐘，疲勞得最快，以后疲勞過程就逐漸緩慢了。即使陽極電流非常微弱，還是有疲勞現象，只是靈敏度的降低相當慢而已。若測量過程中，陽極電流不超過1毫安，則每次測量后，把管子放在暗室中幾晝夜，其靈敏度能恢復到近于初始值。而管子的衰老是不可逆的變化7、暗電流

光電倍增管的暗電流是指在施加規定的電壓后，在無光照情況下測定的陽極電流。在測量微弱光強時，其影響特別大。

暗電流的來源：①光電陰極和光電倍增管的熱電子發射②光電倍增管的極間漏電流③場致發射

減少暗電流的辦法：①采用熱電子發射能力弱的光電陰極和倍增極②采用合適的屏蔽減小自然界中輻射線照射③致冷④將入射光調制成一定頻率的周期信號，而輸出電路中加一選頻放大器四、光電倍增管的工作電路－－是保證其正常工作的必要條件，在常用的光探測器件中，其工作電路是最為復雜的。工作電路：高壓供電電路分壓電阻的確定并聯電容的確定高壓電源接地方式光電倍增管的電流放大系數β可用下式表示:三、光電倍增管的主要特性參數倍增系統有聚焦型和非聚焦型兩類。圖為倍增管各電極的連接線路。相應于不同光通量值的陽極伏安特性示于圖中，它表示陽極電流Iα對于最后一級倍增極和陽極間的電壓U的關系。如：硼硅玻璃，其透射光譜范圍從300nm到紅外工程上有時利用這一性質來自動調節光電倍增管的靈敏度。①采用熱電子發射能力弱的光電陰極和倍增極作此曲線時，其余各電極的電壓保持恒定。入射電子經N級倍增極倍增后，光電子就放大N次。極間電子渡越時間零散小，但絕緣支架可能積累電荷而影響電子光學系統的穩定性。高壓供電電路－－并聯電容的確定②光電倍增管的極間漏電流陽極伏安特性定義為：當入射光通量一定時，陽極電流Ia與最后一級倍增極和陽極之間電壓U的關系。－－是保證其正常工作的必要條件，在常用的光探測器件中，其工作電路是最為復雜的。四．光電倍增管的供電1、高壓供電

為了使光電倍增管能正常工作，通常需要在陰極(K)和陽極(A)之間加上近千伏的高壓。同時還需要在陰極、聚焦極、倍增極和陽極之間分配一定的極間電壓，保證光電子能被有效收集，光電流通過倍增極系統得放大。最常用的分壓器是采用一組電阻跨接在陰極與陽極之間。①光電陰極和光電倍增管的熱電子發射熔融石英，其透紫外波長可達到160nm工程上有時利用這一性質來自動調節光電倍增管的靈敏度。當光通量很大時，特性曲線開始明顯偏離直線。②光電倍增管的極間漏電流倍增極數目：A單極B多極；①采用熱電子發射能力弱的光電陰極和倍增極按進光方式：A側窗式B端窗式；陽極伏安特性定義為：當入射光通量一定時，陽極電流Ia與最后一級倍增極和陽極之間電壓U的關系。最常用的分壓器是采用一組電阻跨接在陰極與陽極之間。作此曲線時，其余各電極的電壓保持恒定。三、光電倍增管的主要特性參數倍增系統有聚焦型和非聚焦型兩類。在相當寬的范圍內為直線。①采用熱電子發射能力弱的光電陰極和倍增極高壓供電電路－－分壓電阻的確定

總電壓UAK

在1000～1500V之間，倍增極極間電壓UD在80～100V之間－－可以確定分壓電阻IRIAmax高壓供電電路－－分壓電阻的確定

實例：說明：i.第一級對陰極電流形成影響最大,高出20~30Vii.中間級均勻分配iii.最后一級,要高,克服空間電荷區的影響.高壓供電電路－－并聯電容的確定

探測光脈沖，最后幾級脈沖電流很大，極間電壓不穩－－最后幾級并聯旁路電容C1、C2、C3。四．光電倍增管的供電2、供電電壓的極性一般的分壓電路中采用陽極接地，負高壓供電。如圖。

這種供電方式的