真空光電器件

真空光電器件第一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱(chēng)為光電發(fā)射體，光電發(fā)射體在光電器件中常與陰極相聯(lián)故稱(chēng)為光電陰極。(一).光電陰極的主要參數(shù)2.量子效率

3.光譜響應(yīng)曲線

4.熱電子發(fā)射

1.靈敏度真空光電器件是基于外光電效應(yīng)的光電探測(cè)器

結(jié)構(gòu)特點(diǎn):有一個(gè)真空管、一個(gè)光電陰極和一個(gè)光電陽(yáng)極。光電陰極和其它元件都放在真空管中。真空光電器件包括光電管和光電倍增管什么是光電陰極?一.光電陰極第二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日1.靈敏度光照靈敏度色光靈敏度光譜靈敏度靈敏度色溫2856K的鎢絲燈(1)光照靈敏度

在一定的白光照射下，光電陰極的光電流與入射的白光光通量之比,也稱(chēng)白光靈敏度或積分靈敏度。

它表示在某些特定的波長(zhǎng)區(qū)域，陰極光電流與入射光的光通量之比。(2)色光靈敏度

一般用不同的濾光片來(lái)獲得不同的光譜范圍，濾光片的透射比不同，它又分別稱(chēng)為藍(lán)光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏。實(shí)際上是局部波長(zhǎng)范圍的積分靈敏度QB:中國(guó)青色或蘭色玻璃(德國(guó):BG)HB:中國(guó)紅色玻璃第三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

2.量子效率

陰極發(fā)射的光電子數(shù)Ne(λ)與入射的光子數(shù)Np(λ)之比，稱(chēng)為量子效率:量子效率和光譜靈敏度之間的關(guān)系:式中,λ單位為nm；

S(λ)為光譜靈敏度，單位為A/W。

波長(zhǎng)一定的單色光照射時(shí)，光電陰極發(fā)出的光電流與入射的單色光通量之比。(3)光譜靈敏度可以看出：量子效率和光譜靈敏度是同一物理意義的兩種不同描述第四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

光電陰極中有一些電子的熱能有可能大于光電陰極逸出功，因而可產(chǎn)生熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射會(huì)引起噪聲，限制了探測(cè)器靈敏度極限。室溫下典型光電陰極每秒每平方厘米發(fā)射的熱電子相當(dāng)于l0-16～10-17A/cm23.光譜響應(yīng)曲線

光電陰極的光譜靈敏度與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，稱(chēng)為光譜響應(yīng)曲線。4.熱電子發(fā)射S(λ)λ/nm第五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日光電陰極一般分為:透射型與反射型兩種。

不透明陰極通常較厚，光照射到陰極上，光電子從同一面發(fā)射出來(lái)，所以不透明光電陰極又稱(chēng)為反射型陰極(二).光電陰極的分類(lèi)

透射型陰極通常制作在透明介質(zhì)上，光通過(guò)透明介質(zhì)后入射到光電陰極上。光電子則從光電陰極的另一邊發(fā)射出來(lái)，所以透射型陰極又稱(chēng)為半透明光電陰極。

透射型陰極光電子的逸出深度是有限的，因此，所有半透明光電陰極都有一個(gè)最佳厚度。第六頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

銻和幾種堿金屬形成的化合物包括雙堿銻材料Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三堿銻材料Sb-Na-K-Cs等，Sb-Na-K-Cs是最實(shí)用的光電陰極材料，具有高靈敏度和寬光譜響應(yīng)，其紅外端可延伸到930nm，適用于寬帶光譜測(cè)量?jī)x.

金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銫中的一種構(gòu)成的化合物，都是能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射材料，CsSb最為常用，在紫外和可見(jiàn)光區(qū)的靈敏度最高?！駸犭娮影l(fā)射小，表面附近無(wú)自由電子，P-Si禁帶寬度大，熱激發(fā)很??；

●量子效率高，溢出深度大；

●光譜響應(yīng)率均勻,且光譜響應(yīng)延伸到紅外；

●光電子的能量集中。

某些應(yīng)用，要求光電陰極材料只對(duì)所探測(cè)的紫外輻射靈敏，對(duì)可見(jiàn)光無(wú)響應(yīng)。這種材料通常稱(chēng)為“日盲”型光電陰極材料，也稱(chēng)紫外光電陰極材料。目前實(shí)用的紫外光電陰極碲化銫(CsTe)和碘化銫(Csl)兩種。

負(fù)電子親和勢(shì)材料制作的光電陰極與正電子親和勢(shì)材料光電陰極相比,具有以下四點(diǎn)特點(diǎn)(三).常用光電陰極材料

透射型光譜響應(yīng):300nm到1200nm，反射型光譜響應(yīng):300m到1100nm。Ag-O-Cs光電陰極主要應(yīng)用于近紅外探測(cè)。(1)Ag-O-Cs具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。(2)單堿銻化合物(PEA)(3)多堿銻化合物(PEA)(4)負(fù)電子親合能材料(NEA)(5)紫外光電陰極材料長(zhǎng)波限為0.32μm長(zhǎng)波限為0.2μm一個(gè)好的光電發(fā)射材料，應(yīng)具備下列條件：●光吸收系數(shù)大；●光電子在體內(nèi)傳輸時(shí)受到的能量損失小，使溢出深度大；●表面勢(shì)壘低（電子親和勢(shì)?。?，使電子從表面溢出的概率大；●熱電子發(fā)射系數(shù)小。這些材料的真空能級(jí)在導(dǎo)帶之中，從而使有效的電子親和勢(shì)變?yōu)樨?fù)值，這種材料稱(chēng)作負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極材料。常用的有:GaAs(Cs)和InGaAs(Cs)

第七頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日光電管主要由玻殼（光窗）、光電陰極和陽(yáng)極三部分組成

PT內(nèi)可以抽成真空也可以充入低壓惰性氣體，有真空型和充氣型兩種。二光電管與光電倍增管(一).光電管(PT)

簡(jiǎn)述真空型和充氣型兩種光電管的工作原理?工作原理第八頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

這種型式一般應(yīng)用在光譜儀和發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量中側(cè)窗式光電倍增管一般使用反射式光電陰極，而且大多數(shù)采用鼠籠式倍增極結(jié)構(gòu)PMT的光窗是入射光的通道

側(cè)窗型光電倍增管是通過(guò)管殼的側(cè)面接收入射光，

端窗式光電倍增管通常使用半透明光電陰極，光電陰極材料沉積在入射窗的內(nèi)側(cè)面端窗式光電倍增管是通過(guò)管殼的端面接收入射光

光電倍增管是在光電管的基礎(chǔ)上研制出來(lái)的一種真空光電器件，在結(jié)構(gòu)上增加了電子光學(xué)系統(tǒng)和電子倍增極，因此極大的提高了檢測(cè)靈敏度。

光電倍增管主要由入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽(yáng)極五個(gè)主要部分組成。(1).入射窗口

a.窗口形式光窗有側(cè)窗和端窗兩種

(二).光電倍增管(PMT)1．光電倍增管的結(jié)構(gòu)側(cè)窗端窗該管是一種超小型的PMT，適用于光譜學(xué)、電子顯微鏡、閃爍計(jì)數(shù)和高能物理研究等方面。由于它采用了端窗式半透明銻鉀銫（雙堿）光電陰極和10級(jí)直線靜電聚焦式倍增系統(tǒng)及銻鉀銫二次發(fā)射極，因而具有尺寸小、陽(yáng)極靈敏度高、暗電流小、脈沖上升時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。其主要技術(shù)指標(biāo)為:(１)陰極靈敏度≥30μA/lｍ；(２)陽(yáng)極靈敏度為80Ａ/lｍ時(shí)，陽(yáng)極電壓典型800Ｖ(最大1000Ｖ)，暗電流典型值5ｎＡ（最大50ｎＡ);(３)光譜響應(yīng)范圍為300～650ｎｍ。GDB-223第九頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

光窗材料對(duì)光的吸收與波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)越短吸收越多，所以倍增管光譜特性的短波閾值決定于光窗材料。b.PMT常用的窗口材料

硼硅玻璃:透射范圍從300nm到HW

透紫外玻璃:紫外短波透射截止波長(zhǎng)可延伸到185nm

熔融石英（SiO2）:在遠(yuǎn)紫外區(qū)有相當(dāng)好的透過(guò)率，短波截止波長(zhǎng)可達(dá)到160nm

藍(lán)寶石(Al2O3晶體):紫外透過(guò)率處于熔融石英和透紫外玻璃之間，紫外截止波長(zhǎng)可以達(dá)到150nm。

MgF2:短波透射波長(zhǎng)可到115nm

PMT常用的窗口材料硼硅玻璃透紫外玻璃熔融石英藍(lán)寶石MgF2第十頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

1)使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部匯聚到第一倍增極上，而將其他部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比.倍增極收集電子的能力通常用電子收集率表示；(2).電子光學(xué)系統(tǒng)

電子光學(xué)系統(tǒng):陰極到倍增系統(tǒng)第一倍增極之間的電極空間.包括:光電陰極、聚焦極、加速極及第一倍增極。

電子光學(xué)系統(tǒng)的主要作用有兩點(diǎn)

2)使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中渡越的時(shí)間盡可能相等，這樣可以保證光電倍增管的快速響應(yīng).通常用渡越時(shí)間離散性表示。第十一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日2)內(nèi)二次電子中初速指向表面的那一部分向表面運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中因散射而損失部分能量；1)材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能態(tài)，這些受激電子稱(chēng)為內(nèi)二次電子；3)到達(dá)界面的內(nèi)二次電子中能量大于表面勢(shì)壘的電子發(fā)射到真空中，成為二次電子。

當(dāng)具有足夠動(dòng)能的電子轟擊倍增極材料時(shí)，倍增極表面將發(fā)射新的電子。稱(chēng)入射的電子為一次電子，從倍增極表面發(fā)射的電子為二次電子

(a)二次電子發(fā)射原理

把二次發(fā)射的電子數(shù)N2與入射的一次電子數(shù)Nl的比值定義為該材料的二次發(fā)射系數(shù)

(3)．電子倍增極

倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成，每個(gè)倍增極都是由二次電子倍增材料構(gòu)成的，具有使一次電子倍增的能力。倍增系統(tǒng)決定整管靈敏度。二次電子發(fā)射過(guò)程三個(gè)階段什么是一次和二次電子？第十二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日這種結(jié)構(gòu)的光電倍增管具有極好的均勻性和脈沖線性，抗磁場(chǎng)影響能力強(qiáng)。當(dāng)陽(yáng)極采用多電極結(jié)構(gòu)時(shí)，可以做成位置敏感型器件。最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，時(shí)間響應(yīng)快。

主要特點(diǎn)是光電子收集率高，均勻性和穩(wěn)定性較好，但時(shí)間響應(yīng)稍慢一些。多用于端窗式光電倍增管;主要特點(diǎn)是時(shí)間響應(yīng)很快，線性好。適用于端窗式光電倍增管。特點(diǎn):管子的均勻性好，輸出電流大并且穩(wěn)定，但響應(yīng)時(shí)間較慢，最高響應(yīng)頻率僅幾十兆赫。微通道板式光電倍增管的響應(yīng)速度極快，抗磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)、線性好。1）銀氧銫和銻銫兩種化合物:是靈敏的光電發(fā)射體和良好的二次電子發(fā)射體。3）合金型:銀鎂、鋁鎂、銅鎂、鎳鎂、銅鈹?shù)群辖?）負(fù)電子親合勢(shì)材料:銫激活的磷化鎵等

光電倍增管中的倍增極一般由幾級(jí)到十五級(jí)組成。根據(jù)電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型兩大類(lèi)。

（b）倍增極材料(大致可分以下四類(lèi))2）氧化物型:氧化鎂、氧化鋇等。(3)倍增極結(jié)構(gòu)

聚焦不是指使電子束會(huì)聚于一點(diǎn)，而是指電子從前一級(jí)倍增極飛向后一級(jí)倍增極時(shí)，在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌跡，可能有交叉。非聚焦則是指在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌跡是平行的倍增極結(jié)構(gòu)形式:

光電倍增管的性能取決于倍增極的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和光電陰極的尺寸和聚焦系統(tǒng)。

鼠籠式盒柵式直線聚焦型百葉窗式近貼柵網(wǎng)式微通道板式第十三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

陽(yáng)極的作用：(4).陽(yáng)極

對(duì)陽(yáng)極的要求：●有較高的電子收集率；是收集從末級(jí)倍增極發(fā)射出的二次電子●能承受較大的電流密度；●具有小的輸出電容；●其附近空間不產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)；●目前廣泛采用的結(jié)構(gòu)是柵網(wǎng)狀。第十四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

為了使光電子能有效地被各倍增極電極收集并倍增，陰極與第一倍增極、各倍增極之間以及末級(jí)倍增極與陽(yáng)極之間都必須施加一定的電壓。

最基本的方法是在陰極和陽(yáng)極之間加上適當(dāng)?shù)母邏?，陰極接負(fù)，陽(yáng)極接正，外部并接一系列電阻，使各電極之間獲得一定的分壓:(二).PMT的工作原理④經(jīng)過(guò)倍增后的二次電子由陽(yáng)極P收集起來(lái)，形成陽(yáng)極光電流Ip，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號(hào)電壓Ｕ0。①光子透過(guò)入射窗口入射在光電陰極K上②光電陰極K受光照激發(fā)，表面發(fā)射光電子③光電子被電子光學(xué)系統(tǒng)加速和聚焦后入射到第一倍增極D1上，將發(fā)射出比入射電子數(shù)更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級(jí)倍增后，光電子數(shù)就放大N次D2D1DnPKUORnRn-1R2R1-HVRL第十五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日了解：PMT的特性參數(shù)：暗電流、噪聲、線性、穩(wěn)定性、滯后效應(yīng)、時(shí)間特性、磁場(chǎng)特性;了解：PMT的供電和信號(hào)輸出電路;理解：微通道管的結(jié)構(gòu)，工作原理；微通道板的結(jié)構(gòu)、工作原理以及MCPPMT的結(jié)構(gòu)、工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)；了解：PMT的應(yīng)用。理解：PMT的特性參數(shù)：靈敏度、電流放大倍數(shù)、伏安特性;第十六頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

陰極的光譜靈敏度取決于光電陰極和窗口的材料性質(zhì)。陽(yáng)極的光譜靈敏度等于陰極的光譜靈敏度與光電倍增管放大系數(shù)的乘積，而其光譜響應(yīng)曲線基本上與陰極的相同。(1)光譜響應(yīng)

靈敏度是衡量光電倍增管探測(cè)光信號(hào)能力的一個(gè)重要參數(shù):包括光譜響應(yīng),陰極靈敏度,陽(yáng)極靈敏度.三PMT的主要特性參數(shù)1．靈敏度(2)陰極靈敏度

陰極的光照靈敏度定義為光陰極產(chǎn)生的光電流與入射到它上面的光通量之比

陽(yáng)極光照靈敏度表示光電倍增管在接收分布溫度為2856K的光輻射時(shí)陽(yáng)極輸出信號(hào)電流與入射到陰極上的光通量之比(3)陽(yáng)極靈敏度

與陰極靈敏度相對(duì)應(yīng)，陽(yáng)極靈敏度也有藍(lán)光靈敏度、紅光靈敏度及單色靈敏度陽(yáng)極的光譜響應(yīng)曲線基本上與陰極的相同。第十七頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

C是常數(shù)；k值與倍增極的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般為0.7~0.8;Ud為倍增極之間電壓。

光電倍增管倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)

是倍增極間電壓的函數(shù)，有以下關(guān)系:放大倍數(shù)與光電倍增管所加電壓U的關(guān)系為:

可知：光電倍增管的放大倍數(shù)隨所加電壓的kN次方指數(shù)變化

2.電流放大倍數(shù)

可得出結(jié)論：電壓的穩(wěn)定度應(yīng)比測(cè)量精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，為什么？例如:要求系統(tǒng)測(cè)量精度為1%,那么所用電源電壓的穩(wěn)定度應(yīng)為0.1%其中為什么呢！第十八頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

暗電流來(lái)源：陰極或其他零件的熱發(fā)射、極間歐姆漏電、殘余氣體以及場(chǎng)致發(fā)射等的再生效應(yīng)。(2)歐姆漏電是指光電倍增管內(nèi)支撐電極的絕緣體如玻璃芯柱、陶瓷片、塑料管基等在高電壓下的漏電流。絕緣體的電阻率很高,但是管內(nèi)吸附有多余的堿金屬或者管外被其他贓物污染時(shí),表面電阻降低,歐姆漏電便增加.

低電壓時(shí)，暗電流由漏電流決定；電壓較高時(shí)，主要是熱電子發(fā)射；(3)當(dāng)光電倍增管的工作電壓很高時(shí)，可能產(chǎn)生電極尖端的場(chǎng)致發(fā)射和殘余氣體離子發(fā)射。

電壓再大，則導(dǎo)致場(chǎng)致發(fā)射和殘余氣體離子發(fā)射，使暗電流急劇增加，甚至可能發(fā)生自持放電

實(shí)際使用中，為了得到比較高的S/N，所加的電源電壓必須適當(dāng)，一般工作在右圖的b段(1)熱電子發(fā)射是光電倍增管暗電流的主要部分。

3．暗電流

PMT的暗電流是指在施加規(guī)定的電壓后，在無(wú)光時(shí)的陽(yáng)極電流。暗電流決定了光電倍增管的極限靈敏度。暗電流主要來(lái)源:陰極,歐姆漏電和電極尖端場(chǎng)致發(fā)射。

暗電流的產(chǎn)生與電源電壓有密切關(guān)系強(qiáng)調(diào):看書(shū)時(shí)注意理解:離子反饋,光反饋和自持放電電極間氣體被擊穿后,即使沒(méi)有外界電離因素作用,仍能保持電離,使放電持續(xù)的現(xiàn)象第十九頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D中，當(dāng)陽(yáng)極電壓大于一定值后,陽(yáng)極電流趨向飽和，與入射到陰極面上的光通量成線性關(guān)系。(2)當(dāng)入射光通量一定時(shí)，陽(yáng)極電流與最后一級(jí)倍增極和陽(yáng)極之間電壓(陽(yáng)極電壓UP)的關(guān)系稱(chēng)為陽(yáng)極伏安特性.下圖為不同光通量下測(cè)得的陽(yáng)極伏安特性。(1)當(dāng)入射光通量一定時(shí)，陰極光電流與陰極和第一倍增極之間電壓(陰極電壓UK)的關(guān)系稱(chēng)為陰極伏安特性。下圖為不同光通量下測(cè)得的陰極伏安特性。5．伏安特性從圖可見(jiàn)，當(dāng)陰極電壓大于一定值(幾十伏)后，陰極電流開(kāi)始趨向飽和，飽和電流與入射光通量成線性關(guān)系。第二十頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

光電倍增管會(huì)受到周?chē)h(huán)境磁場(chǎng)的影響。磁場(chǎng)會(huì)使本來(lái)由靜電場(chǎng)確定的電子軌跡產(chǎn)生偏移。這種現(xiàn)象在陰極到第一倍增極區(qū)域最為明顯，因?yàn)樵谶@一區(qū)域，電子路徑最大。在磁場(chǎng)的作用下電子運(yùn)動(dòng)偏離正常軌跡，引起光電倍增管靈敏度下降，噪聲增加。

光電倍增管的穩(wěn)定性是指在恒定光照情況下，陽(yáng)極電流隨時(shí)間的變化。光電倍增管的穩(wěn)定性與工作電流、極間電壓、運(yùn)行時(shí)間、環(huán)境條件和光照情況等許多因素有關(guān)。

光電倍增管的時(shí)間響應(yīng)主要是由從光陰極發(fā)射光電子、經(jīng)過(guò)倍增極放大到到達(dá)陽(yáng)極的渡越時(shí)間，以及由每個(gè)光電子之間的渡越時(shí)間差決定的。光電倍增管的時(shí)間響應(yīng)通常用陽(yáng)極輸出脈沖的上升、下降時(shí)間、電子的渡越時(shí)間及渡越時(shí)間離散來(lái)表示。

光電倍增管的噪聲主要有光電器件本身的散粒噪聲和熱噪聲、負(fù)載電阻的熱噪聲、光電陰極和倍增極發(fā)射時(shí)的閃爍噪聲等。散粒噪聲中一大部分是暗電流被倍增引起的。

光電倍增管具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，能夠在很大光強(qiáng)變化范圍內(nèi)保持線性。但如果入射光強(qiáng)過(guò)大，輸出信號(hào)電流就會(huì)偏離理想的線性。

為了使光電倍增管能正常工作，通常在陰極(K)和陽(yáng)極（P）之間加上近千伏的高壓。為保證光電子能被有效地收集，光電流通過(guò)倍增系統(tǒng)能得到有效放大，還需將高壓在陰極、聚焦極、倍增極和陽(yáng)極之間按一定規(guī)律進(jìn)行分配。

當(dāng)入射光或者所加電壓以階躍函數(shù)變化時(shí)，光電倍增管并不能輸出完全相同的階躍函數(shù)信號(hào)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“滯后”。滯后效應(yīng)主要由于電子偏離設(shè)計(jì)的軌跡以及倍增極的陶瓷支架和玻殼等靜電作用引起的。

6.噪聲

減小噪聲和暗電流的常用有效方法是制冷。制冷對(duì)降低其它光電器件的噪聲很有效。7.線性8.穩(wěn)定性9.滯后效應(yīng)10.時(shí)間特性11.磁場(chǎng)特性

目前由于分別采用了近貼柵網(wǎng)和微通道板代替普通的倍增極結(jié)構(gòu)，這些類(lèi)型的光電倍增管抗磁場(chǎng)干擾能力得到很大的加強(qiáng)，可在磁場(chǎng)強(qiáng)度很強(qiáng)的環(huán)境中使用。四光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路第二十一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

PMT必須工作在高壓狀態(tài)下，一般電源電壓的穩(wěn)定性應(yīng)比PMT所要求的穩(wěn)定性約高10倍。在精密的光輻射測(cè)量中，通常要求電源電壓的穩(wěn)定度達(dá)到0.01％～0.05％。

PMT常用一種體積小巧的高壓電源模塊:輸入直流電壓為+15伏，可獲得上千伏的負(fù)高壓輸出，電壓穩(wěn)定度為0.02%～0.05%。1.高壓電源也可以通過(guò)微機(jī)編程自動(dòng)設(shè)定高壓，根據(jù)測(cè)量的光信號(hào)強(qiáng)度可自動(dòng)調(diào)整PMT測(cè)量系統(tǒng)靈敏度。

該部分為調(diào)節(jié)控制端的電阻或電壓值，輸出的電壓可在-200V至-1200V之間變化?？勺冸娮铻?0kΩ的精密電阻。第二十二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

PMT工作時(shí)，需在陰極和陽(yáng)極之間加上500~1000伏的高壓。

陰極接地,陽(yáng)極接高壓電源的方式但在這種方案中，由于靠近PMT玻殼的金屬支架或磁屏蔽套管接地，它們與陰極和倍增極之間存在比較高的電位差，結(jié)果會(huì)使某些光電子打到玻殼內(nèi)側(cè)，產(chǎn)生玻璃閃爍現(xiàn)象，從而導(dǎo)致噪聲的顯著增加.

采用陽(yáng)極接地、陰極接負(fù)高壓方式該電壓以適當(dāng)?shù)谋壤峙浣o聚焦極、倍增極和陽(yáng)極，保證光電子能被有效地收集，光電流通過(guò)倍增系統(tǒng)得到放大。2．高壓分壓電路(1)高壓分壓電路(2)高壓分壓電路的接地方式

強(qiáng)調(diào):為了保證陰極,聚焦極,倍增極和陽(yáng)極之間電壓的穩(wěn)定,可在陰極與第一倍增極之間和陽(yáng)極與最末一級(jí)倍增極之間采用齊納二極管代替電阻.實(shí)際應(yīng)用中各極間的電壓都是由連接于陽(yáng)極與陰極之間的分壓電阻所提供的，這一電路被稱(chēng)為高壓分壓電路。消除了外部電路與陽(yáng)極之間的電壓差，便于電流-電壓轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器直接與PMT相連接。這種方法,必須使用耐高壓的耦合電容來(lái)輸出信號(hào)，只適合于交流或脈沖信號(hào)的測(cè)量。第二十三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

流經(jīng)分壓電路的電流被稱(chēng)為分壓電流3.分壓電流與輸出線性的關(guān)系

入射光通量與陽(yáng)極電流理想的線性關(guān)系,從一個(gè)特定的電流值(B段)開(kāi)始發(fā)生變化，并最終使PMT的輸出飽和(C段)。分壓電流約等于供電電壓除以各分壓電阻阻值的和。無(wú)論是陽(yáng)極還是陰極接地，無(wú)論是直流還是脈沖信號(hào)工作，當(dāng)入射到PMT光陰極的光通量增加時(shí)，輸出電流也隨著相應(yīng)增加。第二十四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日(1)在頻響要求比較高的場(chǎng)合，負(fù)載電阻應(yīng)盡可能小一些;PMT的響應(yīng)能力受到后繼輸出電路的截止頻率的限制.(2)

當(dāng)輸出信號(hào)的線性要求較高時(shí)，選擇的負(fù)載電阻應(yīng)使信號(hào)電流在它上面產(chǎn)生的壓降在幾伏以下;(一)用負(fù)載電阻實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換負(fù)載電阻為RL,放大器的輸入阻抗為Rin.

PMT陽(yáng)極與導(dǎo)線電容雜散電容及其他各極間的總電容為Cs,那么截止頻率可以由下面的等式給出

4.信號(hào)輸出方式選擇負(fù)載電阻時(shí)要注意三點(diǎn)(3)

負(fù)載電阻應(yīng)比放大器的輸入阻抗小得多。PMT的有效負(fù)載電阻由RL和Rin并聯(lián)結(jié)果決定.例如，要測(cè)100MHz的光脈沖，負(fù)載電阻應(yīng)小于150ΩDn+-PPMTUoRLCSIpKE第二十五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

為了防止PMT輸出端發(fā)出高壓，采用一只電阻RP和二極管VDl及VD2組成保護(hù)電路,可防止前置放大器被損壞。(二)用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換-+

由于IC的Rin非常高，PMT的Ip大多數(shù)流過(guò)反饋電阻Rf。另外，IC的開(kāi)環(huán)增益高達(dá)105，基于虛地概念，可知IC的輸出電壓Uo為：U0=-IPRf。

由運(yùn)算放大器構(gòu)成的I/V轉(zhuǎn)換電路Dn+-PPMTRfIpUoDn+-PPMTRfIpUoRPVD1VD2兩個(gè)二極管應(yīng)有最小的漏電流和結(jié)電容，通常采用一個(gè)小信號(hào)放大晶體管的BE結(jié)。RP太小起不到保護(hù)作用,太大測(cè)量大電流時(shí)有誤差,一般為幾千歐~幾十千歐.第二十六頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

MCP光電倍增管尺寸縮小，電子渡越時(shí)間短，陽(yáng)極電流上升時(shí)間幾乎降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，可以響應(yīng)更窄的脈沖或更高頻率的輻射

MCP廣泛用于PMT,像增強(qiáng)器,微光電視,x光像增強(qiáng)器,高速示波管,以及光子計(jì)數(shù),X射線,紫外光子,電子,離子,帶電粒子等的探測(cè).

MCP是一個(gè)含有許多小孔(通道)且表面涂有金屬膜的小玻璃盤(pán),具有二次電子發(fā)射特性.

MCP是一種先進(jìn)的具有傳輸增強(qiáng)電子圖象功能的電子倍增器,具有體積小,重量輕,分辨力好,增益高,噪聲低,工作電壓低.

大約有200-300萬(wàn)個(gè)小孔,一個(gè)小孔對(duì)應(yīng)一個(gè)通道,小孔的數(shù)目在很大程度上決定了它的分辨率要知道什么是微通道板,先看什么是微通道?五微通道板光電倍增管(MCPPMT)

用微通道板代替PMT中的電子倍增極，就構(gòu)成微通道板光電倍增管(MCPPMT)。那么什么是微通道板?微通道板具有自飽和效應(yīng)，這種飽和效應(yīng)在各個(gè)通道內(nèi)各自獨(dú)立發(fā)生而互不影響。

微通道是一根根很細(xì)的玻璃管。內(nèi)壁鍍有高阻的二次發(fā)射材料，加高電壓后內(nèi)壁將出現(xiàn)電位梯度，光電陰極發(fā)出的一次電子轟擊微通道的一端，發(fā)射出的二次電子因電場(chǎng)加速而轟擊另一處，再發(fā)射二次電子，這樣連續(xù)多次發(fā)射二次電子，可獲得約104的增益。

微通道板是由成千上萬(wàn)根直徑為15～40μm、長(zhǎng)度為0.6～1.6mm的微通道排成的二維列陣，簡(jiǎn)稱(chēng)MCP。第二十七頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

為了獲得較高的增益，通道的長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)。

可將通道制成人字形或z形的折線通道，以減小離子自由飛行的路程，和由離子轟擊發(fā)射的二次電子；由于通道中存在殘余離子，其與電子的移動(dòng)方向相反，撞擊管壁時(shí)將釋放出更多的二次電子，可能產(chǎn)生雪崩擊穿或在負(fù)端離開(kāi)通道，破壞光電陰極;為了減小高壓時(shí)殘余空氣離子的雪崩擊穿，一般采用彎曲通道。一般K到前面端0.3mm，電壓150V；后端面到A約1.5mm，加電壓300V；微通道板上電壓可獨(dú)立調(diào)節(jié)，以改變?cè)鲆妗CP端面與PMT的陰陽(yáng)極面不平行，夾角大約為7o~15o；可增加內(nèi)二次電子發(fā)射數(shù)，可消除正離子反饋。帶有兩個(gè)串聯(lián)的MCP光電倍增管的基本電路第二十八頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日微通道板光電倍增管特點(diǎn)●尺寸??；●渡越時(shí)間短；●頻率響應(yīng)好；●對(duì)磁場(chǎng)不敏感；●靈敏度高；●位置分辨高可放大圖像信號(hào)或檢測(cè)位置信號(hào)；●噪聲低；●功耗低。

微通道板光電倍增管，是利用固體二次電子發(fā)射特性，實(shí)現(xiàn)電流倍增；不僅具有更高的靈敏度，還具有對(duì)二維空間電子流圖像放大的能力，得到廣泛的應(yīng)用:激光技術(shù)、高能物理研究、光學(xué)儀器、物理化學(xué)分析、宇宙射線檢測(cè)等。單陽(yáng)極MCP-PMT多陽(yáng)極MCP-PMT多陽(yáng)極的MCP一PMT可以獲得信號(hào)的二維分布，當(dāng)眾多陽(yáng)極陣列的數(shù)量增加時(shí)，可以獲得圖像的細(xì)節(jié)，而普通打拿極結(jié)構(gòu)的光電倍增管是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。第二十九頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日因此,廣泛應(yīng)用于航天、材料、生物、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)等等領(lǐng)域。

PMT可用來(lái)測(cè)量光源在某個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射功率。它在元素的成分鑒定、各種化學(xué)分析和冶金學(xué)分析儀器中都有廣泛的應(yīng)用。

PMT放大倍數(shù)很高，常用來(lái)進(jìn)行光子計(jì)數(shù)。當(dāng)測(cè)量光微弱到一定的水平時(shí)，探測(cè)器本身的背景噪聲(熱噪聲、散粒噪聲等)給測(cè)量帶來(lái)很大的困難。

六光電倍增管的應(yīng)用(一)光譜測(cè)量

光電倍增管具有靈敏度高、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，在探測(cè)微弱光信號(hào)及快速脈沖弱光信號(hào)方面是一個(gè)重要的探測(cè)器件。(二)光子計(jì)數(shù)np個(gè)光子η量子效率到達(dá)陽(yáng)極：106個(gè)電子mA5~15nsη·np光電子可探測(cè)能力：10~20個(gè)光子Ip倍增級(jí)的作用？例如，銻銫倍增級(jí)，級(jí)間電壓為500V時(shí)，σ=8-12，正常使用時(shí)，σ=5，假設(shè)倍增級(jí)級(jí)數(shù)為9，則PMT的電流增益為106如果選擇適當(dāng)?shù)谋对黾?jí)材料、級(jí)數(shù)和級(jí)間電壓，PMT的電流增益系數(shù)可達(dá)109數(shù)量級(jí)，此時(shí)PMT可用于單光子檢測(cè)第三十頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日(三).射線的探測(cè)1.閃爍計(jì)數(shù)

閃爍計(jì)數(shù)是將閃爍晶體與光電倍增管結(jié)合在一起探測(cè)高能粒子的有效方法。當(dāng)高能粒子照到閃爍體上時(shí)，它產(chǎn)生光輻射并由倍增管接收轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，而且，光電倍增管輸出脈沖的幅度與粒子的能量成正比。常用的閃爍體是NaI，用端窗式光電倍增管與之配合。在放射線或原子核粒子作用下發(fā)生閃光現(xiàn)象的晶體材料第三十一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日2.在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

射線探測(cè)在核醫(yī)學(xué)上已經(jīng)應(yīng)用的PET系統(tǒng)，這種正電子CT與一般CT的區(qū)別在于它可以對(duì)生物的動(dòng)機(jī)能進(jìn)行診斷

把發(fā)射正電子的同位素藥物(示蹤劑)注入人體,以閃爍體探測(cè)示蹤劑在人體內(nèi)的分布及其隨時(shí)間變化的信息是用于診斷和指導(dǎo)治療心臟病\腫瘤\神經(jīng)系統(tǒng)疾病的最優(yōu)手段第三十二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日正確使用光電倍增管，應(yīng)該注意如下幾點(diǎn)1.陽(yáng)極電流要小于1μA，以減緩疲勞和老化效應(yīng)。2.分壓器中流過(guò)的電流應(yīng)大于陽(yáng)極最大電流的1000倍，但是不應(yīng)過(guò)分加大，以免發(fā)熱。3.高壓電源的穩(wěn)定性必須達(dá)到測(cè)量精度的10倍以上。電壓的紋波系數(shù)一般應(yīng)小于0.001%。4.陰極和第一倍增極之間、末級(jí)倍增極和陽(yáng)極之間的級(jí)間電壓應(yīng)設(shè)計(jì)得與總電壓無(wú)關(guān)。5.用運(yùn)算放大器作光電倍增管輸出信號(hào)的電流電壓變換，可獲好的信噪比和線性度。6.電磁屏蔽時(shí)最好使屏蔽筒與陰極處于相同電位。第三十三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日12.光電倍增管參數(shù)的離散性很大，要獲得確切的參數(shù)，只能逐個(gè)測(cè)定。

7.光電倍增管使用前應(yīng)接通高壓電源，在黑暗中放置幾小時(shí)。不用時(shí)應(yīng)貯存在黑暗中。8.光電倍增管的冷卻溫度一般取-20℃9.在光電陰極前放置優(yōu)質(zhì)的漫射器，可減少因陰極區(qū)域靈敏度不同而產(chǎn)生的誤差。10.光電倍增管不能在有氦氣的環(huán)境中使用，因?yàn)樗鼤?huì)滲透到玻殼內(nèi)而引起噪聲。11.光電倍增管使用前應(yīng)讓其自然老化數(shù)年，已獲得良好的穩(wěn)定性。第三十四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日思考題

1.PMT是由哪幾部分組成的?并說(shuō)明其工作原理?

2.什麼是二次電子?并說(shuō)明二次電子發(fā)射的三個(gè)過(guò)程?

3.什麼是負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極?它與正電子親和勢(shì)光電陰極相比具有哪些優(yōu)點(diǎn)?