光電倍增管特性參數的測試

光電倍增管特性參數的測試一、實驗目的了解光電倍增管的基本特性。學習光電倍增管基本參數的測量方法。學會正確使用光電倍增管。二、實驗內容暗電流的測量陰極靈敏度的測量陽極靈敏度的測量光電倍增管放大倍數的測量光電倍增管光電特性的測量三、實驗儀器光電倍增管實驗儀1臺四、實驗原理1、工作原理光電倍增管是一種真空光電器件，它主要由光入射窗、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、倍增極和陽極組成。其工作原理為：(1)光子透過入射窗入射到光電陰極上；(2)光電陰極上的電子受光子的激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中；(3)光電子通過電場加速和電子光學系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極上，倍增極將發(fā)射出比入射電子數目更多的二次光電子;(4)入射電子經N級倍增極倍增后，光電子就放大N次；(5)經過倍增后的二次電子由陽極收集起來，形成陽極光電流，在負載上產生信號電壓。2、供電分壓器和輸出電路從光電陰極到陽極的所有電極用串聯(lián)的電阻分壓供電，使管內各極間能形成所需的電場。光電倍增管的極間電壓的分配一般由圖二所示的串聯(lián)電阻分壓器執(zhí)行的，最佳的極間電壓分配取決于三個因素：陽極峰值電流，允許的電壓波動以及允許的非線性偏離。光電倍增管的極間電壓可按前極區(qū)，中間區(qū)和末極區(qū)加以考慮。前極區(qū)的收集電壓必須足夠高，以使第一倍增極有高的收集率和大的次極發(fā)射系數，中間級區(qū)的各級間通常具有均勻分布的極間電壓，以使管子給出最佳的增益。由于末極區(qū)各極，特別是末極區(qū)取較大的電流，所以末極區(qū)各極間電壓不能過低，以免形成空間電荷效應而使管子失去應有的直線性。當陽極電流增大到能與分壓器電流相比擬時，將會導致末極區(qū)間電壓的大幅度下降，從而使光電倍增管出現(xiàn)嚴重的非線性。為防止極間電壓的再分配以保證增益穩(wěn)定，分壓器電流至少為最大陽極電流的10倍。對于直線性要求很高的應用場合，分壓器電流至少為最大陽極平均電流的100倍。確定了分壓器的電流，就可以根據光電倍增管的最大陽極電壓算出分壓器的總電阻。再按適當的極電壓分配。由總電阻計算出分壓電阻的阻值。光電倍增管輸出的是電荷，且其陽極可以看成是一個理想的電流發(fā)生器來考慮。因此，輸出電流與負載阻抗無關。但實際上，對負載的輸入阻抗卻存在著一個上限。因為負載電阻上的電壓降明顯地降低了末極倍增管與陽極之間的電壓。對于直流信號，光電倍增管的陽極能產生達數十伏的電壓輸出。因此可以使用大的負載電阻。電倍增管的特性和參數光電倍增管的特性參數包括靈敏度、電流增益、光電特性、陽極特性、暗電流等。下面介紹本實驗涉及到的特性和參數。1）靈敏度靈敏度是衡量光電倍增管探測光信號能力的一個重要參數，一般是指積分靈敏度，其單位為uA/Lm。光電倍增管的靈敏度一般包括陰極靈敏度、陽極靈敏度。2）陰極光照靈敏度SK陰極光照靈敏度SK是指光電陰極本身的積分靈敏度。定義為光電陰極的光電流Ik除以入射光通量Φ所得的商光照度E陰極K面積為A光照度E陰極K面積為AG-VH光電倍增管陰極靈敏度的測量原理如圖所示。入射到陰極K的光照度為E，光電陰極的面積為A，則光電倍增管接受到的光通量為由式可以計算出陰極靈敏度。入射到光電光電陰極的光通量不太大，否則由于光電陰極層的電阻損耗會引起測量誤差。光通量也不能太小，否則由于歐姆漏電流影響光電流的測量精度，通常采用的光通量的范圍為10-5～10-2Lm。3）陽極光照靈敏度SA陽極光照靈敏度SA定義是指光電倍增管在一定工作電壓下陽級輸出電流與照射陰極上光通量的比值4）放大倍數(電流增益)G放大倍數G(電流增益)定義為在一定的入射光通量和陽極電壓下，陽極電流IA與陰極電流IK間的比值。由于陽級靈敏度包含了放大倍數的貢獻，于是放大倍數也可以由在一定工作電壓下陽極靈敏度和陰極靈敏度的比值來確定，即放大倍數G取決于系統(tǒng)的倍增能力，因此它是工作電壓的函數。5）暗電流Id當光電倍增管在完全黑暗的情況下工作時，在陽極電路里仍然會出現(xiàn)輸出電路，稱為暗電流，暗電流與陽極電壓有關，通常是在與指定陽極光照靈敏度相應的陽極電壓下測定的。引起暗電流的因素有：熱電子發(fā)射，場致發(fā)射、放射性同位素的核輻射，光反饋、離子反饋、極間漏電等。高壓供電與信號輸出為了使光電倍增管能正常工作，通常在陰極和陽級間加上近千伏的高壓。同時，還需在陰極、倍增極和陽極間分配一定的電壓，保證光電子能被有效地收集，光電流通過倍增系統(tǒng)得到增大。光電倍增管的供電方式有兩種，即負高壓接法(陰極接電源負高壓，電源正端接地)和正高壓接法(陽極接電源正高壓、而電源負端接地)IpIpRf-VHVIp負高壓的優(yōu)點是便于與后面的放大器連接，且即可以直流輸出，又可以交流輸出，操作安全方便。缺點是玻殼的電位與陰極電位接近，屏蔽罩應至少離開玻殼1～2cm。否則，由于靜電屏蔽的寄生影響，暗電流與噪聲都會增大。五、注意事項1、光電倍增管對光的響應極為靈敏。因此，在沒有完全隔絕外界干擾光的情況下，切勿對管施加工作電壓，否則會導致管內倍增極的損壞；2、即使管子處于非工作狀態(tài)，也要盡可能減少光電陰極和倍增極的不必要爆光，以免對管子造成不良影響；3、測量陰極電流時，加在其間的電壓不可超過50V，否則容易燒壞光電倍增管。六、實驗內容準備步驟：用同軸電纜將光電倍增管暗箱的“PMT輸出”接口與光電倍增管實驗儀實驗箱上的“PMT輸入”接口相連，用同軸電纜將光電倍增管暗箱上的“高壓輸入”接口與實驗箱上的“高壓輸出”接口相連，用同軸電纜將照度計探頭與實驗箱上的“照度計輸入接口”相連，將所有旋鈕逆時針調節(jié)到最小。注意：1、從光電倍增管拿下光源前，或進行陰極電流和陽極電流測量切換時，一定要將光電倍增管直流高壓調至零！2、本實驗采用的光電倍增管的受光面積為24mm×8mm1、暗電流測量（用擋光片）1）將電壓調節(jié)逆時針調到最小，陰極(陽極)開關斷開到陽極位置，光源開關斷開，然后打開實驗箱電源開關。2）將實驗箱上的“HV/LV”開關打到“HV”檔，將“靜態(tài)特性測試/時間特性測試”開關（以下簡稱靜態(tài)/時間開關）打到“靜態(tài)特性測試”檔。3）緩慢調節(jié)電壓調節(jié)旋鈕至電壓表顯示為1000V，記下此時電流表的顯示值，該值即為光電倍增管在1000V時的暗電流；4）將高壓調節(jié)旋鈕逆時針調節(jié)到零；2、陽極靈敏度測量（用擋光片）1）將電壓調節(jié)逆時針調到最小，將光電倍增管上的“陽極/陰極”開關打到“陽極電流”檔；2）將實驗箱上的“HV/LV”打到“HV”檔，將“靜態(tài)/時間”開關打到“靜態(tài)特性測試”檔；將光源與照度計探頭旋接，并與實驗箱上的“LED2”相連。連接完畢后，將光照度調節(jié)旋鈕逆時針調節(jié)到零，按下照度表的換檔開關將照度表的量程調節(jié)到20lx3）緩慢光照度調節(jié)旋鈕，將照度值調節(jié)到0.1lx；4）緩慢調節(jié)高壓調節(jié)旋鈕，當電壓分別為100V、200V、300V、400V、500V、600V、700V、800V、900V、1000V時記下陽極電流值；5）將高壓調節(jié)旋鈕逆時針調節(jié)到零；將光照度調節(jié)旋鈕逆時針調節(jié)到零；6）畫出該光照度下的IA—V關系曲線。3、陰極靈敏度測量（用通光片）1）將實驗箱上的“HV/LV”開關打到“LV”檔；將實驗箱上的“靜態(tài)/時間”開關打到“靜態(tài)特性測試”檔；將暗箱上的“陰極/陽極”開關打到“陰極電流”檔；2）將光源與照度計探頭旋接，并與實驗箱上的“LED2”相連。連接完畢后，將光照度調節(jié)旋鈕逆時針調節(jié)到零，按下照度表的換檔開光將照度表的量程調節(jié)到20lx3）調解光照度調節(jié)旋鈕使得照度表顯示為10lx。4）保持光照度調節(jié)旋鈕不變，將光源與照度計探頭分開；再將光源旋接在光電倍增管暗箱上；緩慢從零增加電壓，每隔1V紀錄對應的電流值（0~30V）。繪出電壓與電流之間的關系曲線，并找出曲線趨于飽和的電流值IK。5）將高壓調節(jié)旋鈕逆時針調節(jié)到零；將光照度調節(jié)旋鈕逆時針調節(jié)到零；6）按照公式計算陰極靈敏度。4、光電倍增管增益(放大倍數)的計算1）計算光照度為0.1lx時，陽極電壓分別為500V、600V、700V、800V、900V和1000V時的放大倍數；2）畫出該光強下的G~V曲線，并對曲線進行分析。5、光電倍增管光電特性測量（用擋光片）1）將實驗箱上的“靜態(tài)/時間”開關打到“靜態(tài)特性測試”檔；將暗箱上的“陰極/陽極”開關打到“陽極電流”檔；將實驗箱上的“HV/LV”開關打到“HV”檔；2）將光源與光