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光電倍增管原理、特性與應用 |
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摘要：光電倍增管是一種能將微弱的光信號轉換成可測電信號的光電轉換器件。文中以北京濱松光子技術有限公司生產(chǎn)的R/CR系列產(chǎn)品為代表，介紹光電倍增管的一般原理、使用特性及其應用。并特別給出了在各種領域所適用的光電倍增管的型號。 關鍵詞：光子技術 光電倍增管 使用特性 1 概述 光電子應用技術是一門新興的高新技術，當前還處于發(fā)展階段。相信它在21世紀必將有重大創(chuàng)新并迅速崛起。光電子技術產(chǎn)業(yè)也必將發(fā)展成為一種新興的知識經(jīng)濟，從而在新興技術領域形成巨大的生產(chǎn)力。 光電倍增管（PMT）是光子技術器件中的一個重要產(chǎn)品，它是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件?？蓮V泛應用于光子計數(shù)、極微弱光探測、化學發(fā)光、生物發(fā)光研究、極低能量射線探測、分光光度計、旋光儀、色度計、照度計、塵埃計、濁度計、光密度計、熱釋光量儀、輻射量熱計、掃描電鏡、生化分析儀等儀器設備中。 2 光電倍增管的一般結構 光電倍增管是一種真空器件。它由光電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極及電子收集極（陽極）等組成。典型的光電倍增管按入射光接收方式可分為端窗式和側窗式兩種類型。圖1所示為端窗型光電倍增管的剖面結構圖。其主要工作過程如下： 當光照射到光陰極時，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入倍增系統(tǒng)，并通過進一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。 因為采用了二次發(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點。 3 光電倍增管的類型 3.1 按接收入射光方式分類 光電倍增管按其接收入射光的方式一般可分成端窗型（Head-on）和側窗型（side-on）兩大類。 側窗型光電倍增管（R系列）是從玻璃殼的側面接收入射光，兩端窗型光電倍增管（CR系列）則從玻璃殼的頂部接收射光。圖2和圖3分別是側窗式光電倍增管和端窗式光電倍過管的外形圖。 在通常情況下，側窗型光電倍增管（R系列）的單價比較便宜（一般數(shù)百元/只），在分光光度計、旋光儀和常規(guī)光度測定方面具有廣泛的應用。大部分的側窗型光電倍增管使用不透明光陰極（反射式光陰極）和環(huán)形聚焦型電子倍增極結構，這種結構能夠使其在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。 一般情況下，光譜響應特性的長波段取決于光陰極材料，短波段則取決于入射窗材料。 光電倍增管的陰極一般都采用具有低逸出功能的堿金屬材料所形成的光電發(fā)射面。 光電倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化鎂（或鎂氟化物）玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透過近紅外至300nm垢可見入射光，而其它3種玻璃材料則可用于對紫外區(qū)不可見光的探測。 端窗型光電倍增管（CR系列）也稱頂窗型光電倍增管。其價格一般在千元以上，它是在其入射窗的內表面上沉積了半透明的光陰極（透過式光陰極），這使其具有優(yōu)于側窗型的均勻性。端窗型光電倍增管的特點是擁有從幾十平方毫米到幾百平方厘米的光陰極，另外，現(xiàn)在還出現(xiàn)了針對高能物理實驗用的可以廣角度捕獲入射光的大尺寸半球形光窗的光電倍增管。 3.2 按電子倍增系統(tǒng)分類 光電倍增管之所以具有優(yōu)異的靈敏度（高電流放大和高信噪比），主要得益于基于多個排列的二次電子發(fā)射系統(tǒng)的使用。它可使電子在低噪聲條件下得到倍增。電子倍增系統(tǒng)，包括8～19極的叫做打拿極或倍增極的電極。 現(xiàn)在使用的光電倍增管的電子倍增系統(tǒng)有以下8類： a.環(huán)形聚焦型 環(huán)型聚焦型結構主要應用于側窗型光電倍增管中，其主要特點是結構緊湊和響應快速。 b.盒柵型 這種結構包括一系列的1/4圓柱形的倍增極，并因其具有相對簡單的倍增極結構和良好的一致性而被廣泛應用于端窗型光電倍增管中，但在某些應用場合，它的時間響應略顯緩慢。 c.直線聚焦型 直線聚焦型光電倍增管以其極快的時間響應而被廣泛應用于對時間分辨率和線性脈沖要求較高的研究領域以及端窗型光電倍增管中。 d.百葉窗型 百葉窗型結構的倍增極可以較大，能夠應用于大陰極的光電倍增管中。這種結構的一致性比較好，有大的脈沖輸出電流。多應用于對時間響應要求不高的場合。 e.細網(wǎng)型 該結構有封閉的精密組合網(wǎng)狀倍增級，因而具有極強的抗磁性、一致性和脈沖線性輸出特性。另外，在使用交疊陽極或多極結構輸出的情況下，還具有位置靈敏的特性。 f.微通道板（MCP）型 MCP微通道板型光電倍增管是將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的。這種結構的每個通道都是一個獨立的電子倍增器。MCP比任何分離電極的倍增極結構都具有超快的時間響應，并且當采用多陽極輸出結構時，這種結構的光電倍增管在磁場中仍具有良好的一致性和極強的二維探測能力。 g.金屬通道型 金屬通道型是濱松公司采用獨有的機械加工技術所創(chuàng)造的緊湊型陽極結構，其各個倍增極之間的狹窄通道空間特性使其比任何常規(guī)結構的光電倍增管都具有更快的時間響應速度。金屬通道型光電倍增管適用于位置靈敏度要求比較高的探測方面。 h.混合型 混合型是將上述結構中的兩種結構相互混合而形成的復合型結構?；旌辖Y構的倍增極一般都可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。 4 使用特性 4.1 光譜響應 光電倍增管由陰極收入射光子的能量并將其轉換為光子，其轉換效率（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系叫做光譜響應特性。 圖4給出了雙堿光電倍增管（其光陰極材料為Sb-Rb-Cs和Sb-K-Cs）的典型光譜響應曲線。 4.2 光照靈敏度 由于測量光電倍增管的光譜響應特性需要精密的測試系統(tǒng)和很長的時間，因此，要為用戶提供每一支光電倍增管的光譜響應特性曲線是不現(xiàn)實的，所以，一般是為用戶提供陰極和陽極的光照靈敏度。 陰極光照靈敏度，是指使用鎢燈產(chǎn)生的2856K色溫光測試的每單位通量入射光產(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能量產(chǎn)生的陽極輸出電流（即經(jīng)過二次發(fā)射極倍增的輸出電流）。 4.3 電流放大（增益） 光陰極發(fā)射出來的光電子被電場加速后撞擊到第一倍增極上將產(chǎn)生二次電子發(fā)射，以便產(chǎn)生多于光電子數(shù)目的電子流，這些二次發(fā)射的電子流又被加速撞擊到下一個倍增極，以產(chǎn)生又一次的二次電子發(fā)射，連續(xù)地重復這一過程，直到最末倍增極的二次電子發(fā)射被陽極收集，這樣就達到了電流放大的目的。這時光電倍增管陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流即被放大成較大的陽極輸出電流。 一般的光電倍增管有9～12個倍增極。 4.4 陽極暗電流 光電倍增管在完全黑暗的環(huán)境下仍有微小的電流輸出。這個微小的電流叫做陽極暗電流。它是決定光電倍增管對微弱光信號的檢出能力的重要因素之一。 4.5 磁場影響 大多數(shù)光電倍增管會受到磁場的影響，磁場會使光電倍增管中的發(fā)射電子脫離預定軌道而造成增益損失。這種損失與光電倍增管的型號及其在磁場中的方向有關。 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，端窗型尤其是大口徑的端窗型光電倍增管在使用中要特別注意這一點。 4.6 溫度特點 降低光電倍增管的使用環(huán)境溫度可以減少熱電子發(fā)射，從而降低暗電流。另外，光電倍增管的靈敏度也會受到溫度的影響。在紫外和可見光區(qū)，光電倍增管的溫度系數(shù)為負值，到了長度截止波長附近則呈正值。由于在長波截止波長附近的溫度系數(shù)很大，所以在一些應用中應當嚴格控制光電倍增管的環(huán)境溫度。 4.7 滯后特性 當工作電壓或入射光發(fā)生變化之后，光電倍增管會有一個幾秒鐘以幾十秒鐘的不穩(wěn)定輸出過程，在達到穩(wěn)定狀態(tài)之前，輸出信號會出現(xiàn)一些微過脈沖或欠脈沖現(xiàn)象。這種滯后特性在分光光度測試中應予以重視。 滯后特性是由于二次電子偏離預定軌道和電極支撐架、玻殼等的靜電荷引起的。當工作電壓或入射光改變時，就會出現(xiàn)明顯的滯后。對此，北京濱松公司側窗型光電倍增管采用了“抗滯后設計”方案，實際上已經(jīng)很好地消除了這種滯后現(xiàn)象。 5 光電倍增管的應用 光吸收和光發(fā)射應用所適用的光電倍增管的型號選擇及特性 一、利用光吸收原理 1.紫外/可見/近紅外光光度計 光電倍增管特性：寬光譜響應；高穩(wěn)定性；低暗電流；高子效率；低滯后效應；較好偏光特性 適用管型：R212，R374，R376，R928，R955，R1463，R1477，R3896，R6356，R6357，CR114，CR131 2.原子吸收分光光度計 分析各種元素時，需要專用的元素燈來照射燃燒并將霧化分離成厚子狀態(tài)的被測物質制成樣品，用光電倍增管檢測光被吸收的強度，您與預先得到的標準樣品進行比較 光電倍增管特性：同上 適用管型：R928，R955，CR131 3.旋光儀、糖度計 旋光儀、糖度計是測定物質旋光度的儀器，通過肇光度的測定，可以分析物質的濃度、含量及純度等 光電倍增管特性：高穩(wěn)定性；低蟬電流；低滯后效應；較好偏光特性 適用管型：R142（GDB142）；R221（GBD221） 二、利用發(fā)光原理 1.發(fā)光分光光度計 樣品接收外部照射后會發(fā)光，用單色器將這種光特征光譜線顯示出來，并用光電倍增管探測是否存在及其強度，可定性或定量檢測樣品中的各元素 光電倍增管特性：高靈敏度；高穩(wěn)定性；低音電流 適用管型：IP28，R106，R166，R212，R759，R6350，R6351，R6352，R6354，R6356，R6355，R4220，R7311，CR114，CR131 2.熒光分光光度計 用光電倍增管檢測熒光強度及光譜特性，可性或定時地分析樣品中的成份 光電倍增管特性：同上 適用管型：R928，R1527，R3788，R4220，R6353，R6358，CR131 3.拉曼分光光度計 由于拉曼發(fā)光極其微弱，因此檢測工作需要復雜光路系統(tǒng)，且采用單光子計數(shù)法 光電倍增管特性：高量子效率；低暗電流；羅的單光子分辨能力 適用管型：R943-02、R649，R1463P，R2949，CR129，CR130 4.其他 液相或氣相色譜、X光衍射儀、X光熒光分析電子顯微鏡 光電倍增管特性：同上 適用管型：IP21，R647，R580，R647-01，R1166，R3788，R6095 其它應用領域所適用的電倍增管的型號選擇及特性 光電倍增管特性：高穩(wěn)定性、高電流增益、低暗電流 適用管型：R474/515/595/596/2362/5150 2.環(huán)境監(jiān)測、塵埃粒子計數(shù)器 光電倍增管特性：低噪聲、低毛刺、高量子效率 適用管型：IR21、R105/647/3788/6350、CR114 3.濁度計 光電倍增管特性：低暗電流、低峰值噪聲、高量子效率 適用管型：IR21、R105/1924/6350 4.生物技術，細胞分類儀 光電倍增管特性：高量子效率、高穩(wěn)定性、低暗電流 適用管型：R928/1477/2368/3788/6353/6358/CR131 5.γ相、正電子CT 光電倍增管特性：高能量辨率、高管惡性循環(huán)較好均勻性 適用管型：R1307/6231/6237、CR119、R1450/1548/1635/5800/5900/6427 6.液體閃爍計數(shù) 光電倍增管特性：高量子效率、快速時間響應、高脈沖線性 適用管型：R331、CR129/135 7.臨床放射免疫檢查（RIA）；臨床酶標免疫檢查（EIA）；臨床熒光化學發(fā)免疫檢測 光電倍增管特性：高量子效率、高穩(wěn)定性、低暗電流 適用管型：R647/1166/1924/5611、CR105/120、R928/4220/6350/6357、CR131、R1925/1463/647、CR110/120、IP21/28 8.X光時間計 光電倍增管特性：高靈敏度、高穩(wěn)定性、低暗電流 適用管型：R105/913A/6350 9.射線測量儀 適用管型：R647/1635/1924、CR119/120/129/133 10.資源調查，石油測井應用 光電倍增管特性：穩(wěn)定性、抗震、較好的坪特性 適用管型：1281/1288/3991/4177 11.工業(yè)計測，厚度計 光電倍增管特性：寬動態(tài)范圍，高能量辨率 適用管型：R580/329/647/6231、CR120、129、CH126 12.半導體元件檢測系統(tǒng) 光電倍增管特性：高量子效率、低峰值噪聲、較好均勻性 適用管型：R647/928/1463/3896、CR115/131 13.攝影印刷、彩色掃描 光電倍增管特性：高穩(wěn)定性、低噪聲滯后、高量子效率 適用管型：R212/905/1463/1924/3811、CR110/114/115 14.輻射計數(shù)器 光電倍增管特性：時間響應好、小型化，抗磁場 適用管型：R647/1166/1450/1635、CR115 15.TOF計數(shù)器 光電倍增管特性：時間響應好、小型化，抗磁場 適用管型：R1828/1450/1635/2083/4998/5800/5924 16.契倫柯夫計數(shù)器 光電倍增管特性：高量子效率、高分辨力、高增益、抗磁性 適用管型：R1584/2059/2256/5113/5924 17.熱量計 光電倍增管特性：脈沖好，高分辨力，高穩(wěn)定性，抗磁性 適用管型：R329/580/5924/6091 18.中微子、正電子衰變實驗 光電倍增管特性：大直徑、高穩(wěn)定性、低暗計數(shù)、時間響應好 適用管型：R5912/3600-02 19.宇宙線檢測、宇宙線空氣浴計數(shù)器 光電倍增管特性：大直徑、高穩(wěn)定性、低暗計數(shù)、時間響應好 適用管型：R329/580/1166/1828/6091、CR115/129 20.天體X線檢測、星際塵埃測定 光電倍增管特性：高能量分辨率、耐振動沖擊 適用管型：R2486/R976/1080/6834/6835/6836 21.激光雷達、大氣觀察 光電倍增管特性：低暗計數(shù)、高電流增益，快速時間響應 適用管型：R3234/3237/3809/5916 22.熒光壽命測定、分子結構研究 光電倍增管特性：低暗計數(shù)、高電流增益，快速時間響應 適用管型：R3809U系列、R5916U系列 23.等離子體探測 光電倍增管特性：高量子效率、高微弱光檢測效率，可以作動作 適用管型：R636-10*R943-02，CR129、CR135 6 使用注意事項 在使用光電倍增管時，應特別注意以下幾點： （1）光電倍增管的工作電壓可能造成電擊，在儀器設計中應適當?shù)卦O置保護裝置。 （2）由于光電倍增管的封裝尾管易受外力或振動而損傷，故應盡量保證其安全。特別是對帶有過渡封裝的合成石英外殼的光電倍增管，應特別注意外力的沖擊和機械振動等影響。 （3）不要用手觸光電倍增管，面板上的光土和手印會影響光信號的穿透率，受到污染的管基會產(chǎn)生低壓漏光。光電倍增管受到污染后，可用酒精擦試干凈。 （4）當陽光或其他強光照射到光電倍增管時，會損傷管中的光陰極。所以光電倍增管存放時，不應暴露在強光中。 （5）玻璃管基（芯柱）光電倍增管比塑料管基更缺乏緩沖保護，所以對玻璃管基的管子應更加保護，例如，在管座上焊接分壓電阻時，應將光電倍增管先插入管座中。 （6）在使用中需要冷卻光電倍增管時，應經(jīng)常將光電倍增管的相關部件也進行冷卻。 |
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