光电倍增管的性能及参数有哪些？
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发布时间：2022-04-20 08:01
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时间：2023-07-04 07:54
光电倍增管应用
光电倍增管是将光转变为电信号并具有放大作用（增益为104~107）的电真空器件。它具有低噪声、高增益、快速响应。可以说光电倍增管是一种理想的低噪声、宽频带、高增益的放大器。由于光电倍增管具有这些特性，使其在天文、地理、地质、物理、化学、生物、医学、考古学等领城中获得越来越广泛的应用；在科学研究、军事技术和工农业生产中起着日益重要的作用。
光电倍增管应用非常厂泛，可以说凡是有光的地方，大多数探测射线的场合，或者说同位素应用的场合，都会用到光电倍增管，利用光子技术要做的事是无穷无尽的。光电倍增管在光分析仪器、医疗仪器、环境监测、微弱光检查、工业检查（射线探测仪器---同位素应用仪器）、高能物理等领城中得到广泛应用。
使用最多的是闪烁体和光电倍增管的组合，组成的闪烁探测器。利用闪烁体的闪光现象是最早、最常用的核测量方法之一。由闪烁体和光电倍增管组合的闪烁探测器是目前：核医学、食品、安全检查、工业控制仪表测量等方面中最常用、最关键的探测器
光电倍增管工作原理
光电倍增管是一种真空光电器件（真空管）它具有光电转换并具有放大作用的器件。它的工作原理建立在：
1、光电效应
2、二次电子发射
3、电子光学理论基础
工作过程：
光子通过光窗入射到光电 阴极 上产生电子，电子通过 电子光学输入系统 进去 倍增系统 ，电子得到倍增，最后 阳极 把电子收集起来，形成阳极电流或电压。
光电效应 ：在光线作用下能使电子从物体表面逸出的称外光电效应或者光电发射
对于光电发射（外光电效应）它遵从以下两个基本定律
斯托夫定律 ：入射光的频谱成分不变时（同一波长的单色光或者相同频谱的光线），光电阴极的饱和光电发射电流 被阴极吸收的入射光的光通量 成正比：
是表征光电发射灵敏度的系数（光电阴极的光照灵敏度）
爱因斯坦定律 ：发射光电子最大动能与光的强度无关，随入射光频率的提高而线性增加，即：
表示光电子的速度， 代表入射光的频率， 代表光电阴极的逸出功（ ）
因此理论上有一个临界波长 ，当光波波长等于这个临界波长的时候，光电子刚刚能从阴极逸出。这个波长通常称为“红限波长”
二次电子发射的基本原理 ：
当足够能量的电子轰击固体表面的时候，就有一定数量的电子从固体表面发射出来，如图
二次发射过程可以分为三个阶段 ：
1、入射电子与发射体中的电子相互作用，一部分电子被激发到较高能级
2、一部分受激电子向发射体——真空界面运动
3、到达表面的电子中，能量大于表面势垒的那些电子发射到真空中
我们称入射的电子为一次电子，发射的电子为二次电子。二次电子发射系数定义为发射的二次电子数 和入射的一次电子数 之比：
一个光电倍增管可以分为以下几个部分：
1、 入射窗
形状多样（球面窗、凹面窗多棱镜窗、六角形、四角形）
材料多样（氟化镁、蓝宝石、合成石英，透紫玻璃、硼硅玻璃）材料不同，对不同波长的透过率不同
2、 光电阴极
接收光子放出电子的电子电极，阴极材料有很多，一般为光谱范围和灵敏度，光强，温度要求不一
3、 电子光学输入系统
电子光学输入系统由光电阴极和第一倍增极之间的电极结构（加速极、聚焦极）以及所加的电位构成，它使光电子尽可能多地聚焦在第一倍增极上。在快速光电倍增管中，还要求电子光学输入系统使光电子渡越时间分散最小
4、 二次倍增系统
二次电子发射倍增系统由若干倍增极组成（图）。工作时各电极依次加上递增的电位。从光电阴极发射的光电子，经过电子光学输入系统入射到第一倍增极上，产生一定数量的二次电子，这些二次电子在电场作用下入射到下一个倍增极，二次电子又得到倍增，如此不断进行，一直到电子流被阳极收集。
倍增极种类 ：
倍增极有许多种类，由于它的结构、级数等不同而使电流增益、时间响应特性、线性电流、均匀性、二次电子收集效率等不同，要根据使用的目的作相应的选择。
环形聚焦型（C.C）
1、小型紧凑
2、时间响应特性好
盒栅型（BG）
1、光电子收集效率高
2、均匀性好
直线聚焦型（L）
1、时间响应好（快速）
2、时间分辨率好
3、脉冲均匀性好
补偿电极设计 ：
在直线聚焦结构中，由于电极形状和相对位置的设计，使得电极表面不同点发射的电子几乎具有相等的渡越时间一补偿设计。如下图，这种较长和较短的轨迹交替结果，使得总的渡越时间差减小
百叶窗型（VB）
1、第一倍增管有效面积大，容易制成较大阴极的PMT
2、耐磁性好
3、输出电流大
4、增益高
细网型（FM）
1、耐磁性好（强磁场下工作）
2、均匀性好
3、倍增极短、平行电场、具有位置探测功能
5、 阳极
最后收集电子，并给出电信号的电极
性能参数 ：
光电倍增管的参数和特性是评价管子性能的主要标指
1、基本参数
基本参数是光电倍增管质量的最本质的反应，他们通常与光子的工作机理、结构特征、材料性质和制造工艺紧密相关
1、阴极光照灵敏度
2、辐射灵敏度
3、量子效率
4、阳极灵敏度
5、光电流放大倍数（增益）
6、暗电流
7、光谱响应
2、应用参数和特性
1、脉冲幅度分辨率
2、噪声能当量
3、计数坪特性
4、光子计数中的暗噪声计数
5、单电子分辨率和谷峰比
3、运行特性
温度特性
稳定性
最大线性电流
抗磁干扰特性和抗冲击振动特性
灵敏度 ：
灵敏度是衡量光电倍增管的重要参数。灵敏度一般分为辐射灵敏度和光照灵敏度
辐射灵敏度定义：光电倍增管的输出的光电流除以入射辐射功率所得的商，通常用 或 表示
光照灵敏度定义：光电倍增管输出光电流除以入射光通量所得的商，通常以 或 表示
光电阴极的灵敏度一般用光照灵敏度表示，有些运用场合（如闪烁计数）需要用蓝光灵敏度表示，因为它与闪烁计数使用的闪烁体发射光谱非常相近
在分光光度计应用中需要探测近红外的光谱，通常采用红光灵敏度或“红白比”表示
量子效率 ：
量子效率定义为：（在给定辐射波长下）阴极发射的光电子数与入射光子数的比值，这个值常用百分比数表示，可按下式进行计算：
( 为给定波长下的辐射灵敏度)
光谱响应 ：
光电阴极的光电发射是选择性的光电效应，长波响应截止波长由光电阴极材料的性质决定，而短波阈主要决定于窗材料。不同的窗材料和光电发射层有不同的光谱响应曲线。就是同一类型的管子，其光谱响应曲线也因制造工艺不同而在极大范围内变化。
电流放大倍数（增益） ：
光电倍增管的电流增益是光电倍增管的阳极输出电流与光阴极的光电流的比值。在理想情况下，假定每个倍增极的平均二次发射倍数为 ,具有n个倍增极光电倍增管的电流增益为 ,一般二级发射系数由下式确定：
为常数， 为极间电压， 为倍增极材料及其n个结构决定的系数， 一般介于0.7~0.8之间
暗电流 ：
当光电倍增管无光照时候（严格来说完全隔离辐射时）所产生的电流为暗电流
1、欧姆漏电
欧姆漏电主要是指管内漏电和管外漏电。管壁玻璃表面（包括芯柱）管座、管基上的电阻漏电，即所谓“管外漏电”。而管子在制造过程中还有一些碱金属蒸汽附凝在绝缘支架上，形成“管内漏电”。欧姆漏电通常比较稳定，因而它对暗电流噪声的贡献是小的。管子在低电压工作时欧姆漏电为暗电流的主要成分。
2、热电子发射
由于光电阴极和倍增极的材料具有较低的逸出功，即使在室温下也有一定的热电子发射，与阴极光电子一样被倍增。在管子正常工作条件下，阴极的热发射是暗电流的最主要成分。这种热发射的电流对非常弱的光信号探测显得极为重要。
3、残余气体电离（离子反馈）
4、场致激发
5、玻璃发光
当电子脱离预定轨道飞出，打在玻璃壳时会产生辉光（玻璃荧光）并导致暗电流增加。当金属屏蔽与玻璃壳接触时（负高压使用），金属屏蔽与管壳表面之间会产生放电，引起暗电流增加和工作不稳定。解决的方法，可以使用正高压，或者采用滨松公司在光电倍增管玻壳上涂敷导电层并与阴极同电位的所谓“HA”涂层加以解决
6、契伦科夫光子
光电倍增管的窗材料可能含有少量钾（也有少量的镭和钍），它衰变时产生 粒子；另外宇宙射线中的 介子它们穿过窗时，产生契伦柯夫光子，从而引起暗电流。暗脉冲的大幅度闪烁脉冲就是由于这个效应引起的。虽然用石英窗的管子可以大大克服这个效应，由于外来宇宙射线和辐射的影响，这个效应仍然不能完全消除。
时间特性 ：
为了表征光电倍增管的时间特性，一般采用
1、脉冲上升时间
阳极脉冲上升时间是管子由非常短闪光（ 函数光源）照射税，从输出脉冲前沿峰值的10%上升到90%所需的时间。
2、脉冲响应宽度
3、渡越时间
渡越时间是指光脉冲闪光到达阴极的瞬间与管子输出脉冲上升到一定数值的瞬间（例如输出脉冲前沿半幅度处的时刻）两者之间的时间间隔。
4、渡越时间分散（TTS）——时间分辨率等参数表示
稳定性 ：
在闪烁计数和光度学测量中，光电倍增管的稳定性是非常重要的。尤其是甄别接近于相等能量的核衰变所产生的全吸收峰，光电倍增管的稳定性是必须认真考虑的一个参数。它与管子的工作电压、阳极与末极电压、阳极输出电流大小、工作时间、休息时间、工作前管子的经历、倍增极的材料及制造工艺有关。
实验证明：光电倍增管输出信号随工作时间变化表现为两个过程，所不同的只是过程的“建立时间”不同而已，而以后都表现为稳定而平衡的工作状态。
要使光电倍增管处于比较稳定的工作状态，必须对光电倍增管进行“老化”。老化可以改善光电倍增管的稳定性。但是，稳定性的改善程度与老化电流、老化时间及制造工艺有关。同时也可以进行“预热处理”
（亚工作状态，即小信号下工作），这也能达到提高稳定性的目的，见图。建议最好在光电倍增管工作30分钟后再取数据，并也可以采用稳定技术，例如“稳峰技术”。
第一过程 是“快变化”过程。其建立时间一般有几十分钟到几小时。
第二过程 是“慢变化”过程。它与倍增极的二次发射系数随时间很慢变化相联系。在强调稳定性工作的场合，建议平均阳极电流最好在1 或更低。
脉冲参数 ：
1、脉冲幅度分辨率
脉冲幅度分辨率是表示光电倍增管在光（脉冲光或闪烁光）照射下，其输出的脉冲幅度谱上所研究的峰的半宽度△P与峰值脉冲幅度P的比值，见图。即：
2、坪特性：
坪特性是光电倍增管在光子计数和闪烁计数测量中的一个应用参数。它是表征在光子数一定时，在一定甄别阈电压下，在计数电路中测得的计数率随光电倍增管的高压变化的特性。在某一区域内，其计数率基本上不随高压的变化而改变，如继续增加高压时，计数率就迅速增加，我们把这一特性称之为光子计数器的坪特性（闪烁计数器的坪特性）如图所示。
A点为坪的起点，B点为坪的结束，AB区被称作坪区为了表征光子计数器的坪特性，通常采用坪长、坪斜二个参数。如图所示，以VB和VA分别表示坪两端电压，以NB和NA分别表示坪两端处的计数率，则：
表示坪长
表示坪斜
显然这个坪特征与
光电倍增管的阳极灵敏度（增益）
与暗电流相关的噪声有关。如图所示。一般说来，光电倍增管增益低、噪声小坪就长
滞后效应 ：
当工作电压或入射光产生变化之后，光电倍增管会有一个几秒钟到几十秒钟的输出不稳定过程。在达到稳定状态之前，输出信号会有些微小的过脉冲或欠脉冲现象。
光电倍增管特点 ：
1、高灵敏度（增益可达 ~ ）进行单光子测量
2、能输出大的信号电流（脉冲电流可达几百mA）
3、快速响应（脉冲上升时间可达1ns，甚至几十ps）
4、既可以探测光，又可以探测射线
5、波长范围宽（真空紫外100nm~近红外）
6、大的受光面积
7、可在高温下工作（最高工作温度可达200℃）
8、内部高内阻，分布电流小，是理想的恒流源
