光電倍增管使用特性

1、光電倍增管簡介及使用特性我們做化學(xué)發(fā)光的儀器檢測部分都是用光電倍增管來檢測我們化學(xué)反應(yīng)所發(fā)出的微弱的光信號，我在這里給大家介紹一下光電倍增管的一些參數(shù)，僅供大家參考。介紹今天我們使用的光電器件中，光電倍增管（PMT）是一種具有極高靈敏度和超快時(shí)間響應(yīng)的光探測器件。典型的光電倍增管如圖1所示，在真空管中，包括光電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極和電子收集極（陽極）的器件。當(dāng)光照射光陰極，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進(jìn)入倍增系統(tǒng)，通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大。放大后的電子被陽極收集作為信號輸出。因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，光電倍增管在可以探測到紫外、可見和近紅外區(qū)

2、的輻射能量的光電探測器件中具有極高的靈敏度和極低的噪聲。光電倍增管還有快速響應(yīng)、低本底、大面積陰極等特點(diǎn)。下面將講解光電倍增管結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)和基本使用特性。結(jié)構(gòu)一般，端窗型（Head-on）和側(cè)窗型（Side-on）結(jié)構(gòu)的光電倍增管都有一個(gè)光陰極。側(cè)窗型的光電倍增管，從玻璃殼的側(cè)面接收入射光，而端窗型光電倍增管是從玻璃殼的頂部接收入射光。通常情況下，側(cè)窗型光電倍增管價(jià)格較便宜，并在分光光度計(jì)和通常的光度測定方面有廣泛的使用。大部分的側(cè)窗型光電倍增管使用了不透明光陰極（反射式光陰極）和環(huán)形聚焦型電子倍增極結(jié)構(gòu)，這使其在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。端窗型（也稱作頂窗型）光電倍增管在其入射窗的

3、內(nèi)表面上沉積了半透明光陰極（透過式光陰極），使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性。端窗型光電倍增管的特點(diǎn)還包括它擁有從幾十平方毫米到幾百平方厘米的光陰極。端窗型光電倍增管中還有針對高能物理實(shí)驗(yàn)用的，可以廣角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光電倍增管。電子倍增系統(tǒng)光電倍增管的優(yōu)異的靈敏度（高電流放大和高信噪比）得益于基于多個(gè)排列的二次電子發(fā)射系統(tǒng)的使用，它使電子低噪聲的條件下得到倍增。電子倍增系統(tǒng)包括從8至19極的被叫做打拿極或倍增極的電極?，F(xiàn)在使用的電子倍增系統(tǒng)主要有以下幾類：1） 環(huán)形聚焦型環(huán)形聚焦型結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于側(cè)窗型光電倍增管。其主要特點(diǎn)為緊湊的結(jié)構(gòu)和快速時(shí)間響應(yīng)特性。2） 盒柵型這種結(jié)構(gòu)包括了一

4、系列的四分之一圓柱形的倍增極，并因其相對簡單的倍增極結(jié)構(gòu)和一致性的改良而被廣泛地應(yīng)用于端窗型光電倍增管，但在一些應(yīng)用中，其時(shí)間響應(yīng)可能略顯緩慢。 3） 直線聚焦型直線聚焦型因其極快的時(shí)間響應(yīng)而被廣泛地應(yīng)用于要求時(shí)間分辨和線性脈沖研究用的端窗型光電倍增管中。 4） 百葉窗型百葉窗型結(jié)構(gòu)因倍增極可以較大而被用于大陰極的光電倍增管中，其一致性較好，可以有大的脈沖輸出電流。這種結(jié)構(gòu)多用于不太要求時(shí)間響應(yīng)的場合。 5） 細(xì)網(wǎng)型細(xì)網(wǎng)型結(jié)構(gòu)擁有封閉的精密組合的網(wǎng)狀倍增極，而使其具有極強(qiáng)的抗磁性、一致性和脈沖線性輸出特性。另外，當(dāng)使用交疊陽極或多陽極結(jié)構(gòu)輸出情況下，還具有位置靈敏特性。6） 微通道板（MCP）

5、型MCP是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。每個(gè)通道都是一個(gè)獨(dú)立的電子倍增器。MCP比任何分離電極倍增極結(jié)構(gòu)具有超快的時(shí)間響應(yīng)，并且當(dāng)采用多陽極輸出結(jié)構(gòu)時(shí)，在磁場中仍具有良好的一致性和二維探測能力。7） 金屬通道型金屬通道型擁有濱松公司獨(dú)有的機(jī)械加工技術(shù)創(chuàng)造的緊湊陽極結(jié)構(gòu)，各個(gè)倍增極之間狹窄的通道空間，使其比任何常規(guī)結(jié)構(gòu)的光電倍增管可以達(dá)到更快的時(shí)間響應(yīng)速度。并可適用于位置靈敏探測。此外，上述結(jié)構(gòu)中兩種結(jié)構(gòu)相混合也是可能的?；旌系谋对鰳O可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：簡介  光電倍增管  特性  相關(guān)儀器：化學(xué)發(fā)

6、光儀  毛細(xì)管電泳  芯片分析系統(tǒng) 收藏帖子： wolf007_12006-9-15 9:37:00光譜響應(yīng)光電倍增管的陰極將入射光的能量轉(zhuǎn)換為光電子。其轉(zhuǎn)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(guān)系叫做光譜響應(yīng)特性。圖4給出了雙堿光電倍增管的典型光譜響應(yīng)曲線。光譜響應(yīng)特性的長波端取決于光陰極材料，短波端則取決于入射窗材料。在本書的附件里給出了不同型號的光電倍增管的光譜響應(yīng)特性，其中長波端的截止波長，對于雙堿陰極和Ag-O-Cs陰極的光電倍增管定義為其靈敏度降至峰值靈敏度的1%點(diǎn)，多堿陰極則定義為峰值靈敏度的0.1%。附

7、件后的光譜響應(yīng)特性曲線為典型值，對于每一支光電倍增管來講，真實(shí)的數(shù)據(jù)可能會略有差異。光陰極材料光電倍增管的陰極一般是具有低逸出功的堿金屬材料形成的光電發(fā)射面。常用的陰極材料有以下幾種：1） Ag-O-Cs用此材料的透過型陰極具有典型的S-1譜，即具有從可見到紅外（300-1200nm）的譜響應(yīng)。因?yàn)锳g-O-Cs陰極有較高的熱電子發(fā)射（請參考陽極暗電流章節(jié)），所以這種光電倍增管一般要在制冷器中工作，用于近紅外區(qū)的光探測。2） GaAs（Cs）摻入活性Cs的GaAs材料也可以用作光陰極。這種光陰極比多堿光陰極復(fù)蓋更寬的光譜范圍，可以從近紫外到930nm，并且響應(yīng)曲線在300-850nm范圍內(nèi)較為

8、平直。3） InGaAs（Cs）這種陰極材料比GaAs在紅外區(qū)有了較大的擴(kuò)展，可以達(dá)到900 -1000nm，比Ag-O-Cs陰極有更高的信噪比。4） Sb-Cs這是一種具有在紫外和可見光范圍光譜響應(yīng)的廣泛應(yīng)用的光陰極材料。主要應(yīng)用在反射式光陰極上，不太適合于透過式光陰極。5） 雙堿材料（Sb-Rb-Cs）（Sb-K-Cs）這些材料與Sb-Cs材料具有相似的光譜響應(yīng)特性，但比Sb-Cs材料具有更高的靈敏度和更低的噪聲。透過式雙堿材料光陰極更具有與NaI（Tl）閃爍晶體匹配的良好的靈敏度光譜特性，所以這種光電倍增管常用于放射性領(lǐng)域中的閃爍探測工作。6） 高溫雙堿和低噪聲雙堿材料（Na-K-Sb）

9、這種材料因?yàn)榭梢怨ぷ髟诟哌_(dá)175，所以常用于高溫環(huán)境場合，比如石油測井行業(yè)等。在室溫下，這種陰極材料具有很低的暗電流，在光子計(jì)數(shù)應(yīng)用方面較為理想。7） 多堿陰極（Na-K-Sb-Cs）多堿陰極在紫外到近紅外區(qū)很寬的光譜范圍內(nèi)具有較高的靈敏度。所以常用于寬光譜范圍的分光光度計(jì)。應(yīng)用特殊的陰極制作方法可以將光譜響應(yīng)范圍擴(kuò)展至930nm。8） Cs-Te，Cs-I這些材料的光譜響應(yīng)范圍在真空紫外和紫外線區(qū)，因?yàn)閷梢姽鉀]有響應(yīng)，所以也叫做日盲材料。Cs-Te材料光譜響應(yīng)范圍可以達(dá)到320nm，Cs-I材料也可達(dá)到200nm。窗材料光電倍增管一般使用以下窗材料：1） 硼硅玻璃這是一種常用的玻璃材料，可

10、以透過從近紅外至300nm的入射光，但不適合于紫外區(qū)的探測。在一些應(yīng)用中，常將雙堿陰極與低本低硼硅玻璃（也稱無鉀玻璃）組合使用。無鉀玻璃中只有極低含量的鉀，其中的K40會造成暗計(jì)數(shù)。所以通常用于閃爍計(jì)數(shù)的光電倍增管不僅入射窗，而且玻璃側(cè)管也使用無鉀玻璃，就是為了降低暗計(jì)數(shù)。2） 透紫玻璃（UV玻璃）這種玻璃材料就象其名字所表達(dá)的那樣，可以很好地透過紫外光，和硼硅玻璃一樣被廣泛使用。分光應(yīng)用領(lǐng)域一般都要求用透紫玻璃，其截止波長可接近185nm。3） 合成石英合成石英可以將透過的紫外光波長延伸至160nm，并且在紫外區(qū)比熔融石英玻璃有更低的吸收。合成石英材料的膨脹系數(shù)與芯柱用玻璃的膨脹系數(shù)有很大差

11、別，所以，用熱膨脹系數(shù)漸變的封接材料與合成石英逐漸過渡。因此，此類光電倍增管的強(qiáng)度易受外界震動(dòng)的破壞，使用中要采取足夠的保護(hù)措施。4） 氟化鎂（鎂氟化物）該材料具有極好的紫外線透過性，但同時(shí)也有易潮解的不利因素。盡管如此，氟化鎂仍以其接近115nm的紫外透過能力而成為一種實(shí)用的光窗材料。如上所述，光電倍增管的光譜響應(yīng)特性同時(shí)取決于光陰極和光窗材料，這一點(diǎn)對選擇適當(dāng)?shù)墓怆姳对龉芎苤匾?。輻射靈敏度和量子效率如圖4所示，光譜響應(yīng)經(jīng)常以不同波長下的輻射靈敏度和量子效率來表示。輻射靈敏度（S）即為某一波長下的光電倍增管陰極發(fā)射出的光電子電流與該波長的入射光能量的比值，單位為A/W（安培/瓦）。量子效率（

12、QE）為光陰極發(fā)射出來的光電子數(shù)量與入射光光子的數(shù)量之比。一般用百分比來表示量子效率。在給定波長下輻射靈敏度和量子效率有如下關(guān)系： 這里S為給定波長下的輻射靈敏度，單位為A/W，為波長，單位為nm（納米）。光照靈敏度由于測量光電倍增管的光譜響應(yīng)特性需要精密測試系統(tǒng)和很長的時(shí)間，所以提供給用戶每一支光電倍增管的光譜響應(yīng)特性不現(xiàn)實(shí)，所以我們提供陰極和陽極的光照靈敏度。陰極光照靈敏度是使用鎢燈產(chǎn)生的2856K色溫光測試的每單位通量入射光（實(shí)際用10-510-2Lm）產(chǎn)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通量（實(shí)際用10-1010-5Lm）產(chǎn)生的陽極輸出電流（經(jīng)過二次發(fā)射極倍增后）

13、。雖然同樣是用鎢燈，測量時(shí)所加電壓要作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。當(dāng)光電倍增管具有相同或相似的光譜響應(yīng)范圍時(shí)，這些參數(shù)顯然很有用。除了對鎢燈產(chǎn)生的光沒有響應(yīng)的Cs-I和Cs-Te陰極的管子（這些管子將給出特定波長下的輻射靈敏度），濱松公司的光電倍增管的最終測試數(shù)據(jù)也常常提供這些參數(shù)。陰極和陽極的光照靈敏度都是以A/Lm（安培/流明）為單位，請注意，流明是在可見光區(qū)的光通量的單位，所以對于光電倍增管的可見光區(qū)以外的光照靈敏度數(shù)值可能是沒有實(shí)際意義的（對于這些光電倍增管，常常使用藍(lán)光靈敏度和紅白比來表示）藍(lán)光靈敏度和紅白比一般使用陰極藍(lán)光靈敏度和紅白比來簡單地比較光電倍增管的光譜響應(yīng)特性。陰極藍(lán)光靈敏度是使用鎢燈

14、產(chǎn)生的2856K色溫光通過藍(lán)色濾光片（康寧公司CS No.5-58磨光至一半厚度）后測試的每單位通量入射光（實(shí)際用10-510-2Lm）產(chǎn)生的陰極光電子電流。對于光通量，通過藍(lán)色濾光片后就不能再用流明表示了，所以藍(lán)光靈敏度表示為A/Lm-b（安培/流明-藍(lán)光）。因?yàn)榕c閃爍計(jì)數(shù)用的NaI（Tl）晶體產(chǎn)生的藍(lán)色光譜非常相近，藍(lán)光靈敏度在使用NaI（Tl）晶體的場合比較重要，對于能量分辨率更是決定性的參數(shù)。紅白比用于光譜響應(yīng)擴(kuò)展到近紅外區(qū)的光電倍增管。這個(gè)參數(shù)是使用鎢燈產(chǎn)生的2856K色溫光通過紅色濾光片（東芝公司專門用于S-1譜光陰極的IR-D80A或用于其它陰極的R-68濾光片）后測試的陰極光照

15、靈敏度除以去掉上述濾光片時(shí)的陰極光照靈敏度的商。電流放大（增益）光陰極發(fā)射出來的光電子被電場加速撞擊到第一倍增極，以便發(fā)生二次電子發(fā)射，產(chǎn)生多于光電子數(shù)目的電子流。這些二次電子發(fā)射的電子流又被加速撞擊到下一個(gè)倍增極產(chǎn)生又一次的二次電子發(fā)射，連續(xù)地重復(fù)這一過程，直到最末倍增極的二次電子發(fā)射被陽極收集，從而達(dá)到了電流放大的作用。這時(shí)可以觀測到，光電倍增管的陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流，已經(jīng)被放大成較大的陽極輸出電流。電流增益就是光電倍增管的陽極輸出電流與陰極光電子電流的比值。在理想情況下，具有n個(gè)倍增極，每個(gè)倍增極的平均二次電子發(fā)射率為的光電倍增管的電流增益為n。二次電子發(fā)射率由下式給出：=A

16、83;E這里的A為一常數(shù)，E為極間電壓，為一由倍增極材料及其幾何結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)，的數(shù)值一般介于0.7和0.8之間。這樣，具有n個(gè)倍增極，陰極和陽極間加入電壓V的光電倍增管，其電流增益即可表示為： 一般的光電倍增管有912個(gè)倍增極，所以陽極靈敏度與所加電壓可以有1061010的變化。光電倍增管的輸出信號也特別地容易受到所加電壓的波動(dòng)的影響，所以供電電壓一定要有很好的穩(wěn)定性、較小的紋波、漂移和溫度系數(shù)?；谝陨显?，我公司亦可提供充分考慮上述因素設(shè)計(jì)開發(fā)的專供光電倍增管使用的可控高壓電源，請參閱相關(guān)樣本。wolf007_12006-9-15 9:59:00陽極暗電流光電倍增管在完全黑暗的環(huán)境中仍會

17、有微小的電流輸出。這個(gè)微小的電流叫做陽極暗電流。陽極暗電流是決定光電倍增管對微弱光信號的檢出能力的重要因素。如圖9所示，陽極暗電流受電壓的影響非常大。陽極暗電流的主要來源有以下幾種：1） 電子熱發(fā)射因?yàn)楣怅帢O和倍增極材料具有較低的逸出功，所以在室溫下會發(fā)射出大量的熱電子。大部分的暗電流源于這種熱電子發(fā)射，特別是那些來自光陰極的熱電子，因?yàn)樗鼈円?jīng)過倍增極的放大。將光電倍增管冷卻是降低熱電子發(fā)射的有效手段，這一點(diǎn)對諸如光子計(jì)數(shù)等要求光電倍增管具有極低暗計(jì)數(shù)特性的應(yīng)用顯得及其重要。圖10給出了幾種光陰極的暗電流與溫度的關(guān)系。在室溫下，那些在紅光和紅外區(qū)具有靈敏度的，特別是S-1譜的光陰極具有較高的

18、暗電流。濱松公司同樣提供了各種尺寸光電倍增管使用的電子制冷器（C659、C4877等）。詳情請參閱相關(guān)樣本。2） 殘留氣體電離（離子反饋）光電倍增管內(nèi)的殘留氣體與電子碰撞會產(chǎn)生電離。當(dāng)這些離子撞擊光陰極或前幾極倍增極時(shí)也會發(fā)射出二次電子，導(dǎo)致較大的陽極脈沖噪聲輸出。這些噪聲脈沖常常在主信號脈沖后作為后脈沖被觀察到，從而可能在測試光脈沖時(shí)產(chǎn)生問題?，F(xiàn)在的光電倍增管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)采取措施最小化后脈沖。3） 玻璃發(fā)光當(dāng)電子脫離預(yù)定軌道飛出，打擊到玻璃殼時(shí)會產(chǎn)生輝光并導(dǎo)致暗脈沖輸出。為了減小此類暗脈沖，可以將光電倍增管的陰極與地等電位，使用正電壓，但是使用不方便。為此，濱松公司提供了一種在光電倍增

19、管的玻殼上涂覆導(dǎo)電層并聯(lián)接至陰極的稱作“HA涂層”的服務(wù)。需詳細(xì)信息請與我公司聯(lián)系。4） 漏電電流漏電電流源于光電倍增管的芯柱和管基、管座等，是暗電流的一部分。尤其是當(dāng)光電倍增管工作在較低電壓和較低溫度時(shí)其所占暗電流成分愈大。圖9和圖10中暗電流曲線的過分傾斜主要是有漏電電流引起的。光電倍增管的表面污染和水分附著造成漏電電流增大，因此要盡量避免。在測定微弱電流時(shí)，要清潔、干燥芯柱、管基、管座等。5） 場致發(fā)射當(dāng)光電倍增管工作電壓接近極限工作電壓時(shí)，強(qiáng)大的電場使電極發(fā)出場致發(fā)射電子，從而造成暗脈沖輸出。因此，建議光電倍增管工作在比極限工作電壓低20%30%的電壓以下。黑暗環(huán)境中的光電倍增管，其暗

20、電流隨時(shí)間而減小。一般樣本中給出的暗電流值為光電倍增管在黑暗中30分鐘后所測得。等效輸入噪聲ENI等效輸入噪聲ENI是為了得到與陽極暗電流相等的陽極輸出電流所需要的入射光，用瓦特（W）或流明（Lm）為單位表示?？捎上率接?jì)算：其中： q = 電量Idb = 黑暗中30分鐘后的陽極暗電流（單位：安培）= 電流增益f = 系統(tǒng)的帶寬（一般為1赫茲）S = 固定波長下的陽極輻射靈敏度（安培/瓦）或陽極光照靈敏度（安培/流明）對于一般的光電倍增管，ENI的值可由上式得出。通常ENI的值約為10-15和10-16瓦。磁場影響大多數(shù)的光電倍增管會受到磁場的影響。磁場會使電子脫離預(yù)定軌道而造成增益的減少。這種

21、減少由與光電倍增管的型號及其在磁場中的方向有關(guān)。圖11給出了幾種不同結(jié)構(gòu)和電子倍增系統(tǒng)的光電倍增管在磁場中的所受影響的典型曲線。一般而言，從陰極到第一倍增極的距離越長，光電倍增管就越容易受到磁場的影響。因此，端窗型，特別是大口徑的光電倍增管，使用中要特別注意這一點(diǎn)。 當(dāng)光電倍增管不得不工作在磁場中的時(shí)候，可能需要使用磁屏蔽套筒來減小管子所處環(huán)境的磁場強(qiáng)度。濱松公司同樣可以提供各式各樣的磁屏蔽套筒，詳情請與我公司聯(lián)系。為了表示磁屏蔽的效果，我們引入一磁屏蔽效果的系數(shù)，即光電倍增管的磁屏蔽的外部磁場強(qiáng)度Hout與磁屏蔽內(nèi)部的磁場強(qiáng)度Hin的比值，稱為透磁系數(shù)，磁屏蔽筒的厚度t（mm），內(nèi)壁直徑D（

22、mm）有下式關(guān)系： 需要注意的是，如圖12所示，磁屏蔽效果與磁屏蔽筒長出光電倍增管端面的距離有關(guān)。可以看到，磁屏蔽筒至少應(yīng)長出光電倍增管端面一個(gè)半徑的長度。濱松公司可以提供細(xì)網(wǎng)型光電倍增管，與其他電子倍增系統(tǒng)的光電倍增管相比，細(xì)網(wǎng)型光電倍增管可以避免很高的外界磁場影響。此外，當(dāng)環(huán)境磁場較強(qiáng)，而測試光也較強(qiáng)時(shí)，可以考慮使用三倍增極型或四倍增極型的光電倍增管。均勻性均勻性是指入射光照射光陰極的不同位置時(shí)的靈敏度變化。盡管光電倍增管在結(jié)構(gòu)、電子軌跡等的設(shè)計(jì)上考慮將陰極和倍增極產(chǎn)生的二次電子有效地收集到第一倍增極或下一倍增極上，但在聚焦和放大過程中仍然會有電子偏離預(yù)定軌道，造成收集效率的降低。這種收集

23、效率的降低，受光電子從陰極上發(fā)射出來的位置的影響，從而反應(yīng)出了光電倍增管的均勻性。當(dāng)然，均勻性也取決于光陰極本身表面鍍層的均勻特點(diǎn)。一般，端窗型光電倍增管因其陰極與第一倍增極的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在均勻性方面優(yōu)于側(cè)窗型光電倍增管。特別是用于相機(jī)的光電倍增管的均勻性，因?yàn)楣怆姳对龉艿木鶆蛐詫ο鄼C(jī)的整體性能而言是個(gè)決定性的因素。wolf007_12006-9-15 10:14:00溫度特性降低光電倍增管的環(huán)境溫度，可以減少熱電子發(fā)射，從而降低暗電流。光電倍增管的靈敏度也受到溫度的影響。在紫外和可見光區(qū)，光電倍增管的溫度系數(shù)為負(fù)值，到了長波截止波長附近則呈正值。圖14給出了典型光陰極的溫度系數(shù)與波長的關(guān)系

24、。由于在長波截止波長附近溫度系數(shù)變得很大，所以在一些應(yīng)用中需要很好地控制光電倍增管的環(huán)境溫度。滯后特性當(dāng)工作電壓或入射光產(chǎn)生變化之后，光電倍增管會有一個(gè)幾秒鐘到幾十秒鐘的不穩(wěn)定輸出過程。在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，輸出信號會有些微的過脈沖或欠脈沖現(xiàn)象（參見圖15）。這個(gè)不穩(wěn)定的過程叫做滯后，滯后特性在分光光度測試中應(yīng)予以重視。滯后特性是由于二次電子偏離預(yù)定軌道和電極支撐物、玻殼等的靜電荷引起的。當(dāng)工作電壓或入射光產(chǎn)生改變時(shí)，就會出現(xiàn)明顯的滯后。對此，濱松公司的側(cè)窗型光電倍增管采用的“反滯后設(shè)計(jì)”，實(shí)際上已經(jīng)消除了滯后現(xiàn)象。時(shí)間及壽命特性長時(shí)間連續(xù)使用光電倍增管，盡管使用條件沒有任何改變，其輸出電流隨時(shí)

25、間也會出現(xiàn)輕微的變化。這個(gè)變化叫做漂移，或者，當(dāng)時(shí)間長至103到104小時(shí)的時(shí)候，叫做壽命特性。圖16給出了典型的壽命特性。漂移主要是由于最末倍增極受到大電流轟擊造成的。所以，稍低的工作電壓有利于減小漂移。在強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性的場合，平均陽極電流最好在1A或更低的水平。時(shí)間特性在測試脈沖光信號時(shí)，陽極輸出信號必須真實(shí)地再現(xiàn)一個(gè)輸入信號的波形。這種再現(xiàn)能力受到電子渡越時(shí)間、陽極脈沖上升時(shí)間和電子渡越時(shí)間分散（TTS）的很大影響。電子渡越時(shí)間就是脈沖入射光信號（脈沖寬度低于50nm）入射到光陰極的時(shí)刻，與陽極輸出脈沖幅度達(dá)到峰值的時(shí)刻兩者之間的時(shí)間差異。陽極脈沖上升時(shí)間定義為全部光陰極被脈沖光信號（脈沖寬

26、度低于50nm）照射時(shí)，陽極輸出幅度從峰值的10%到90%所需的時(shí)間。對于不同的脈沖入射光信號，電子渡越時(shí)間會有一些起伏。這種起伏就叫做電子渡越時(shí)間分散（TTS），并定義為單光子入射時(shí)的電子渡越時(shí)間頻譜的半高寬（FWHM）（參見圖18）。渡越時(shí)間分散（TTS）在時(shí)間分辨測試中是較主要的參數(shù)。時(shí)間響應(yīng)特性取決于倍增極結(jié)構(gòu)和工作電壓。通常，直線聚焦型和環(huán)形聚焦型倍增極結(jié)構(gòu)的光電倍增管比盒柵型和百葉窗型倍增極結(jié)構(gòu)的光電倍增管有較好的時(shí)間特性。而將常規(guī)的倍增極替換為MCP的微通道板型光電倍增管，比其他類型倍增極的光電倍增管有更好的時(shí)間特性。例如，因?yàn)樵陉帢O、MCP和陽極間加入了較短的平行電場，相對于普

27、通的光電倍增管，微通道板型光電倍增管的渡越時(shí)間分散（TTS）得到了極大的改善。圖19展示了R2059型光電倍增管（直徑51mm，端窗型，12倍增極，線性聚焦型）的時(shí)間響應(yīng)特性與工作電壓的關(guān)系。分壓器設(shè)計(jì)光電倍增管各倍增極的極間電壓，一般由包括一系列電阻的分壓器來提供。圖20為典型的分壓電路示意圖。電路（a）為直流（DC）輸出型得基本電路，圖（b）為測試脈沖信號時(shí)使用。圖21為使用電路（a）作為分壓器的光電倍增管的入射光通量與平均陽極輸出電流的對應(yīng)關(guān)系曲線。在入射光通量區(qū)域（B區(qū)），理想的線性發(fā)生了背離，這主要是因?yàn)楣怆姳对龉艿暮髱讟O（倍增極和陽極）的電壓降低，使得分壓器電壓重新分配，而造成其它

28、倍增極電壓略有提高所導(dǎo)致，其結(jié)果是光電倍增管的靈敏度略有提高。隨著入射光通量的增加，不斷增加的陽極輸出電流已接近了流過分壓器的電流值而趨于飽和（C區(qū)）。因此，一定要保證分壓器電流達(dá)到光電倍增管可能達(dá)到的平均陽極電流的至少20倍以上。測試脈沖信號光時(shí)需要有較大的電流輸出。為了使倍增極正常工作，在脈沖持續(xù)時(shí)間里獲得較大的峰值電流，通常按圖20（b）所示接入大的電容。電容值有賴于輸出的電荷。如果線性要求優(yōu)于1%，電容的取值要達(dá)到每個(gè)脈沖的輸出電荷的至少100倍，即：這里的I為峰值輸出電流（安培），t為脈沖寬度（秒），V是電容所加電壓（伏）。在高能物理等高脈沖輸出應(yīng)用時(shí)，極間電壓保持不變，而隨著入射光

29、的增強(qiáng)，輸出會在某一點(diǎn)出現(xiàn)飽和。這是由于隨著電極間的電荷密度的增加，逐漸增強(qiáng)的空間電荷效應(yīng)擾亂了電子束電流的緣故。為了降低空間電荷效應(yīng)影響，在電荷密度較高的后幾個(gè)倍增極和陽極上所加的電壓應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣?，增?qiáng)后幾個(gè)倍增極和陽極的電壓梯度?；谶@種考慮，一般使用錐型分壓器（圖22）。錐型分壓器的使用使得脈沖線性度較使用普通分壓器線路（均分壓線路）提高了510倍。濱松公司可以提供一系列的分壓器管座一體化組件。這些組件緊湊、堅(jiān)固、輕便，采用短線聯(lián)接，便于使用，可以最大限度地發(fā)揮光電倍增管的性能。陽極接地與HA涂層如圖20所示，對于分壓器電路，從一般技術(shù)上講，我們習(xí)慣于將陽極接地，而使用負(fù)高壓電源聯(lián)接至陰

30、極使用。這種設(shè)計(jì)方案有利于將光電倍增管作為電流源，或方便與前置放大器的聯(lián)接。但是將陽極接地卻使光電倍增管的管殼與接地端或磁屏蔽筒的電場作用，導(dǎo)致電子撞擊光電倍增管的內(nèi)壁，從而產(chǎn)生噪聲。另外，對于端窗型光電倍增管，如果接近陰極的面板或側(cè)壁接地，玻璃材料的微小的電導(dǎo)將會在陰極（接入負(fù)高壓時(shí)）與地之間形成微小的電流，而可能造成陰極的惡化。對此，在設(shè)計(jì)光電倍增管的屏蔽殼，或使用磁屏蔽套筒時(shí)要特別注意。另外，光電倍增管在使用諸如海綿乳膠等的固定材料時(shí)也一定要選擇絕緣性能好的材料。對于這個(gè)問題，可以使用如圖23所示的在光電倍增管的外殼涂覆黑色導(dǎo)電層并聯(lián)接到陰極（即HA涂層）的方法加以解決。如上面提到的，H

31、A涂層可以有效地消除外部電壓對光電倍增管側(cè)壁的影響。但是如果入射窗處有地電位物料，就沒有太好的辦法了。如果入射窗玻璃產(chǎn)生打火現(xiàn)象，會對噪聲有極大的影響，并且會造成陰極的損壞而降低靈敏度，而這種損壞對于光電倍增管來說是不能恢復(fù)的。為了解決這個(gè)問題，需要象圖24那樣將光電倍增管的陰極接地，而將陽極接入正高壓。例如在閃爍計(jì)數(shù)領(lǐng)域，為了避免打火，習(xí)慣地將陰極接地，而陽極接入正高壓。這種設(shè)計(jì)方案，需要使用一個(gè)隔直電容Cc將正高壓與后續(xù)電路分隔開，并使DC信號得不到輸出。wolf007_12006-9-15 10:35:00單光子計(jì)數(shù)光子計(jì)數(shù)法對于使用光電倍增管探測極微弱光是個(gè)有效的方法，并在天文光度測量

32、、化學(xué)發(fā)光和生物發(fā)光等領(lǐng)域有較多應(yīng)用。對于一般的應(yīng)用，大量光子進(jìn)入光電倍增管并在陽極輸出大量的如圖25（a）的脈沖序列。陽極輸出是一個(gè)如圖25（b）的帶有波動(dòng)的直流信號。當(dāng)入射光強(qiáng)逐漸降低，以至于入射的光子分散得類似圖26時(shí)，這種狀態(tài)稱作單光子（或光電子）情況。輸出的脈沖數(shù)與入射光成正比例，并且對這些脈沖計(jì)數(shù)的方法在信噪比和穩(wěn)定性等方面，優(yōu)于采用平均脈沖的電流測定方法。這個(gè)對脈沖計(jì)數(shù)的光量測量技術(shù)叫做光子計(jì)數(shù)法。如圖27，由于光電倍增管在輸出由入射光子產(chǎn)生的單個(gè)脈沖的同時(shí)，也會輸出一系列的噪聲脈沖。簡單地統(tǒng)計(jì)這些脈沖而不采取有效的手段排除噪聲脈沖，將得不到正確的結(jié)果。排除噪聲最有效的方法就是采

33、用區(qū)分每個(gè)脈沖的大小、高度的方法。圖28為光電倍增管輸出的典型的脈沖高度分布（PHD）。在PHD中，低脈沖高度基準(zhǔn)（LLD）在波谷的位置，而高脈沖高度基準(zhǔn)（ULD）是在輸出脈沖較少的底部。絕大部分低于LLD的脈沖是噪聲，同時(shí)絕大部分高于ULD的脈沖來源于宇宙射線等外界因素。這樣，通過對介于LLD和ULD之間的脈沖的計(jì)數(shù)，可以正確地探測光的強(qiáng)度。在PHD中，Hm是脈沖的高度，通常LLD為Hm的1/3，ULD為Hm的3倍。大多數(shù)情況下，ULD可以忽略掉?？紤]上述內(nèi)容，PHD中清晰的波峰和波谷是用于光子計(jì)數(shù)的光電倍增管的一項(xiàng)重要特性。wolf007_12006-9-15 10:48:00閃爍計(jì)數(shù)閃爍

34、計(jì)數(shù)是探測射線的有效方法，它具有探測效率高和靈敏的特點(diǎn)。閃爍計(jì)數(shù)器是接收射線后產(chǎn)生光的被叫作閃爍體的透明晶體與光電倍增管的組合體。射線探測中有兩個(gè)參數(shù)需要測試，一個(gè)是單個(gè)粒子的能量，另一個(gè)是粒子數(shù)。射線探測就是要測試這兩個(gè)數(shù)字，即射線的能譜和強(qiáng)度。當(dāng)射線進(jìn)入閃爍體，閃爍體立即發(fā)出閃光。這種發(fā)光量與射線的能量有一定的比例關(guān)系。光電倍增管探測到單個(gè)的閃光，并形成包括了能量與脈沖數(shù)信息的脈沖輸出，如圖30所示。通過多道脈沖高度分析儀（MCA）分析這些信息，可以得到脈沖高度分布（PHD）或能譜，從而準(zhǔn)確地得出不同能量的輻射粒子數(shù)。圖31為光電倍增管與NaI（Tl）閃爍體相結(jié)合探測射線（Fe55、Cs1

35、37、Co60）得出的脈沖高度分布圖以及能譜圖。對于脈沖高度分布曲線，較為重要的是在各能量水平有一特征峰，進(jìn)而得出脈沖幅度分辨率（能量分辨率），即放射探測的最主要的特性參數(shù)。圖32給出了探測Cs137源能量分辨率的定義。波高分布譜線取決于響應(yīng)閃爍體閃光光譜的光電倍增管的量子效率，因此應(yīng)該選擇光譜響應(yīng)接近閃爍體發(fā)光光譜的管子。因此，端窗型雙堿陰極光電倍增管與最常用的鉈激活的碘化鈉閃爍體，即NaI（Tl）的組合有著廣泛的應(yīng)用。負(fù)載電阻光電倍增管輸出一個(gè)電流信號，而與其相聯(lián)的后續(xù)電路，一般是基于電壓信號而設(shè)計(jì)的，因此，常用一個(gè)負(fù)載電阻來完成電流-電壓的轉(zhuǎn)換。在此，我們來研究一下負(fù)載電阻的選取。由于光

36、電倍增管輸出電流很小，而且實(shí)際上常常將其看作一個(gè)恒流源，因此，一般認(rèn)為負(fù)載電阻可以任意大地選取，從而從一個(gè)較低的電流信號，得到一個(gè)很高的電壓信號。但是實(shí)際上，較大的負(fù)載電阻會導(dǎo)致頻率響應(yīng)和輸出線性的惡化。在圖34里，若負(fù)載電阻為RL，光電倍增管陽極和其它電極之間的靜電電容量以及由于布線等引起的雜散電容量的總和為Cs，則截止頻率fc見下式上式可以看到，盡管光電倍增管和放大器有極快的響應(yīng)時(shí)間，輸出線路響應(yīng)也將受到截止頻率fc的限制。如果負(fù)載電阻RL值較高，在較高輸出電流情況下，負(fù)載電阻將導(dǎo)致陽極電位電壓降增大，造成陽極-末倍增極電壓降低，從而降低了輸出線性（輸出電流與入射光的比例關(guān)系）。下面再討論

37、一下前置放大器的輸入阻抗問題，如圖35，負(fù)載電阻為RL，放大器內(nèi)部輸入阻抗為Rin，則兩項(xiàng)并聯(lián)合成電阻R0可由下式計(jì)算：顯然，R0低于光電倍增管的負(fù)載電阻RL，而且，比如RL =Rin，則有效負(fù)載為RL的1/2?？梢?，負(fù)載電阻的上限實(shí)際上就是放大器的輸入阻抗，高于放大器的輸入阻抗已沒有實(shí)際效果。上面我們只是考慮了線路的阻抗問題，實(shí)際上還應(yīng)考慮線路的雜散電容、雜散電感等的影響。使用頻率較高時(shí)，要考慮到包括這些因素的特性阻抗。綜上所述，決定負(fù)載電阻值時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：在重視頻率和振幅特性的場合，務(wù)必使用小的電阻；注重輸出幅度線性的場合，使用輸出電壓低于幾伏水平的電阻；負(fù)載電阻值等于或小于后接放大

38、器的輸入阻抗。快速輸出電路在檢測具有高速脈沖光信號時(shí)，通常使用如圖36所示的具有50或75特性阻抗的同軸電纜，來連接光電倍增管和后續(xù)電路。為了使波形在傳輸中不失真，后續(xù)回路應(yīng)與電纜的特性阻抗相匹配。這時(shí)，從光電倍增管來看，阻抗與電纜的長度無關(guān)，就是電纜的特性阻抗，因此，傳輸波形不會失真。如果后續(xù)回路匹配不好，從光電倍增管來看，阻抗同頻率有關(guān)，而且這個(gè)阻抗值因電纜的長度而變，波形將發(fā)生畸變。因此必須使用同相應(yīng)頻率范圍的電纜相匹配的連接器。后續(xù)回路的不匹配，使得光電倍增管的輸出脈沖能量未被完全接收，一部分反射到光電倍增管，如果光電倍增管的電纜一端匹配的話，這種反射的能量回被接收；如果不匹配，光電倍增管是開放的，這種反射能量再次反射給后續(xù)端，也就是說，一部分脈沖在電纜中往復(fù)，形成散彈反射現(xiàn)象，給后續(xù)端，在主脈沖后顯示一個(gè)振蕩脈沖。