PMT基礎(chǔ)知識(shí)之一(A)光電倍增管的工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用

#光電倍增管基礎(chǔ)知識(shí)之一光電倍增管的工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用）光電倍增管是一種真空光電器件（真空管）。它的工作原理是建立在光電效應(yīng)（光電發(fā)射）、二次電子發(fā)射、電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上的。它昀工作過(guò)程是：光子通過(guò)光窗入射到光電陰極L產(chǎn)生光電子，光電子通過(guò)電子光學(xué)輸入系統(tǒng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，電子得到倍增，最后陽(yáng)極把電子收集起來(lái)，形成陽(yáng)極電流或電壓。因此一個(gè)光電倍增管可以分為幾個(gè)部分：（1）入射光窗、（2）光電陰極、（3）電子光學(xué)輸入系統(tǒng)、4）4）二次倍增系統(tǒng)、5）陽(yáng)極。光電倍增管結(jié)構(gòu)如圖（1）所示。末級(jí)倍增極入射光入射窗\陽(yáng)極!Ie丫二次電子\光電面電子倍增部■-（倍末級(jí)倍增極入射光入射窗\陽(yáng)極!Ie丫二次電子\光電面電子倍增部■-（倍JS?）聚焦電極芯柱管針L芯柱IPMHCO0O6JA圖（1）光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖1入射光窗:讓光通過(guò)的光窗一般有（1）硼硅玻璃（3O0nm）、⑵透紫玻璃（185nm）、⑶合成（熔融）石英（160nm）、(4)藍(lán)寶石(Al2O3)150nm、MgF2<115nm)o光電倍增管光譜短波閾由入射光窗決定。2光電陰極光電陰極是接收光子而放出光電子的電極。一般分為半透明（入射光和光電子同一方問(wèn)）的端面或四面窗陰極和不透明（入射光的方向與光電子方向相反）。見(jiàn)圖（2）電子軌跡圖。3柵網(wǎng)入射光0屏蔽板93柵網(wǎng)入射光0屏蔽板97/。=光電陰極10=陽(yáng)極khF入射光-聚焦電極khF入射光-聚焦電極m圖（2）電子軌跡圖光電陰極的材料多用低逸出功的堿金屬為主的半導(dǎo)體化合物，到目前為止，實(shí)用的先電陰極材料達(dá)十種之多：（1）Sb-Cs特點(diǎn)是：陰極電阻低，允許強(qiáng)光下有大電流流過(guò)陰極的場(chǎng)合下工作）（2）雙堿（Sb-RbCs、Sb-K-Cs）特點(diǎn)是：靈敏度較高暗電流小-熱電子發(fā)射?。?）高溫雙堿（Sb-K-Na）特點(diǎn)是：耐高溫-200°C(4)多堿(Sb-K-Na-Cs)特點(diǎn)是：寬光譜(5)Ag-O-Cs多堿特點(diǎn)是：光譜可到近紅外靈敏度低）GaAs(Cs)特點(diǎn)是：高靈敏光譜平坦強(qiáng)光下容易引起靈敏度變壞）。Cs-I特點(diǎn)是日盲，在115nm的短波也有高Cs-Te特點(diǎn)是：日盲、陰極面透過(guò)型和反射型）我公司生產(chǎn)的PMT的陰極材料主要是(1)Sb-Cs⑵雙堿(Sb-RbCs、Sb-K-Cs)（3）高溫雙堿（Sb-K-Na）(4)多堿(Sb-K-Na-Cs)表（1）各種陰極材料的特性（硼硅玻璃窗材料）特性陰極材料光譜響應(yīng)（峰值（nm））線性電流（上限）（平均電流）Sb-Cs300-650（440）lyASb-Rb-Cs/Sb-K-Cs300-650（420）O.lyA/O.OlyASb-k-Na-Cs300-850（420）900紅外延長(zhǎng)10yASb-K-Na300-650（375）10yAGa-As300-930O.lyA電子光學(xué)輸輸入系統(tǒng)電子光學(xué)輸入系統(tǒng)由光電陰極和第=1位構(gòu)成，它使光電子盡可能多地聚焦在第一倍增極上。在快速光電倍增管中，還要求電子光學(xué)輸入系統(tǒng)使光電子渡越時(shí)間分散最小二次電子倍增系統(tǒng)=i=tTH二次電子發(fā)射倍增系統(tǒng)由若干倍增極組成（圖）。工作時(shí)各電極依次加上遞增的電位。從光電陰極發(fā)射的光電子，經(jīng)過(guò)電子光學(xué)輸入系統(tǒng)入射到第一倍增極上，產(chǎn)生一定數(shù)量的二次電子，這些二次電子在電場(chǎng)作用下入射到下一個(gè)倍增極，二次電子又得到倍增，如此不斷進(jìn)行，一直到電子流被陽(yáng)極收集。倍增極有許多種類(lèi)，由于它的結(jié)構(gòu)、級(jí)數(shù)等不同而使電流增益、時(shí)間響應(yīng)特性、線性電流、均勻性、二次電子收集效率等不同，要根據(jù)使用的目的作相應(yīng)的選擇。下面介紹各種倍增極的特點(diǎn)。=i=tTH（1）環(huán)形聚焦型（C?C）特點(diǎn)：特點(diǎn)：R212CR105R212CR1051小型緊湊2時(shí)間響應(yīng)特性也好O代表管型：側(cè)窗型和小型的部分端窗管如R1051P21CR131R5610R1705R980。⑵盒柵型（BG）特點(diǎn):1光電子收集效率高2均勻性好O代表管型：R228R550CR110CR119（R1307）⑶直線聚焦型（L）特點(diǎn)：1時(shí)間響應(yīng)好（快速）、2時(shí)間分辨率好3脈沖均勻性好代表管型：（端窗管型）R329R331R580CR166CR115（4）百葉窗型（VB）特點(diǎn)1第一倍增極的有效面積大，易制成較大陰極的PMT2耐磁牲好、3輸出電流大、4增益高代表管型：R1513R887EMI9635QB代表管型：R1513R887EMI9635QB等n⑸細(xì)網(wǎng)型（FM）特點(diǎn)：1耐磁性能好（強(qiáng)磁場(chǎng)下工作）2均勻性好3倍增極短、平行電場(chǎng)、具有位置探測(cè)功能。代表管型：R3432-01R2490-05R5064R4721及細(xì)網(wǎng)型的多陽(yáng)極的PMT（H41394140-01）等

⑹MCP（MicroChannel微通道板）特點(diǎn)是:1好的時(shí)間響應(yīng)(O.1-0.3ns)3強(qiáng)磁場(chǎng)下工作、二維高空間圖像分辨率、5對(duì)帶電粒子、些紫外線、X射線、r射線、中子都很靈敏、6低電耗、小型、重量輕代表管型：R2809UR2024R2566等i--JIIIi--JIIII對(duì)倍增極（二次電子發(fā)射）材料的要求是：（1）足夠大的二次發(fā)射系數(shù)（2）熱電子發(fā)射?。?）工作穩(wěn)定性好(4)對(duì)高溫光電倍增管中，還要求倍增(4)對(duì)高溫光電倍增管中，還要求倍增極高溫性能好。目前常用的倍增極的倍增極材料有：銻-堿(Sb-CsSb-K-Cs)、銅鈹合金（Cu-Be）、磷化鎵（GaP）磷砷化鎵（GaAsP）等。

Z6*/Z6*///珂GaP:Cs/K-Cs-SbJ局Sb—*^.Cu-BeO-CsJIfJq1010D1D00一次電子的加速電壓(V)圖(3)一次電子電壓與二次發(fā)射系數(shù)的關(guān)系曲線表(2)各種倍增極的特性\特性倍增極\上升時(shí)間(ns)脈沖線性(mA)磁特性(mT)均習(xí)性收集效率特征環(huán)形聚焦型0.9-3.01-10△O小型高速盒柵型6-201-100.1OO高收集效率直線聚焦型0.7-310-250△O高速線性好百葉窗型6-1810-40O△大面積PMT細(xì)網(wǎng)型1.5-5.5300-1000700-1200以上O△高磁場(chǎng)用線性好MCP0.1-0.370015-1200以上O△超咼速5陽(yáng)極陽(yáng)極是最后收集電子，并給出輸出電信號(hào)的電極。它與末級(jí)倍增極之間應(yīng)該有最的極間電容，允許有較大的電流密度，因此陽(yáng)極往往做成柵網(wǎng)狀。特點(diǎn)與應(yīng)用一特點(diǎn)高靈敏度（增益：106?107）,在常溫下可檢出單－光子輸出大的信號(hào)★快速響應(yīng)（易得到ns級(jí)的時(shí)間響應(yīng)，甚至可達(dá)幾十個(gè)ps。是目前最快的探測(cè)器）?！锊ㄩL(zhǎng)范圍寬（真空紫外110nm?近紅外）★大的受光面積（對(duì)于不同的使用目的，可選擇10mm?50cm的受光面）★在高溫下工作（高溫PMT可在200C工作）?！锛瓤蓽y(cè)量光又可探測(cè)射線★內(nèi)部高內(nèi)阻、分布電容小，是理想的恒流源。二應(yīng)用光電倍增管應(yīng)用非常廣泛，可以說(shuō)凡是有光的地方，大多數(shù)探測(cè)射線的場(chǎng)合，或者說(shuō)同位素應(yīng)用的場(chǎng)合，都會(huì)用到光電倍增管。利用光子技術(shù)耍做的事是無(wú)穹無(wú)盡。其應(yīng)用領(lǐng)域：★光分析儀器分析的儀器總稱。作為具體的分析儀器有：1紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（吸收、反射）2原子吸收分光度計(jì)3拉曼分光光度計(jì)4熒光光度計(jì)濃度計(jì)、比色計(jì)、色彩計(jì)等?！镝t(yī)療儀器（ECT、PET、Y相機(jī)等）★射線（計(jì)測(cè)）儀器－工業(yè)檢測(cè)（料位計(jì)、厚度計(jì)、密度計(jì)）等。★弱光檢測(cè)(拉曼散射、瑞利散射、生物發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、生命之光、天文、熒光分析等)。1化學(xué)發(fā)光免疫分析化學(xué)發(fā)光免疫分析(ChemiluminescenceimmunoassayCLIA)是將具有高靈敏度的化學(xué)發(fā)光測(cè)定技術(shù)與高特異性的免疫反應(yīng)相結(jié)合，用于各種抗原、半抗原、抗體、激素酶脂肪酸、維生素和藥物等的檢測(cè)分析技術(shù)。是繼熒光免疫分析、酶聯(lián)免疫分析和放射免疫分析之后發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)最新技術(shù)。它繼承了放射免疫的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了放射免疫和酶聯(lián)免疫各自的缺點(diǎn)，是臨床免疫檢測(cè)最理想的新方法，可采用光子計(jì)數(shù)法微弱光檢測(cè)技術(shù)。2生命系統(tǒng)的超弱光子輻射(PE)所有生命系統(tǒng)都呈現(xiàn)極弱的光子輻射，其強(qiáng)度為幾個(gè)?幾千光子/秒厘米。這種光輻射具有高度的相干性，它控制著整個(gè)細(xì)胞的新陳代謝，支配著細(xì)胞向的信息傳遞和功能調(diào)節(jié)。PE作為一項(xiàng)極其靈敏的生物指標(biāo)，在醫(yī)學(xué)、藥理學(xué)、農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)和地震預(yù)報(bào)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。要探測(cè)PE選用光電倍增管作為光探測(cè)器，運(yùn)用光子計(jì)數(shù)技術(shù)。4ATP熒光檢測(cè)ATP（三磷酸腺苷）廣泛存在于各種生物體中，活的菌體也含有ATP。通過(guò)ATP釋放液，破壞細(xì)胞壁使ATP釋放出來(lái)。當(dāng)ATP在熒光素酶的作用下與熒光素結(jié)合時(shí),發(fā)出一種生物熒光，熒光量與ATP成正比。因此通過(guò)對(duì)熒光量的測(cè)量即可測(cè)定ATP的含量，從而得知測(cè)