光电倍增管

光电倍增管（photomultiplier tube，PMT）是一种建立在光电效应、二次电子发射效应和电子光学理论基础上，能够把微弱入射光转换成光电子，并具有倍增效应的真空光电发射器件。

2.6.1 光电倍增管的结构与工作原理

1.光电倍增管的结构

光电倍增管由光电阴极、电子光学输入系统（光电阴极到第一个倍增极D1之间的系统）、二次发射倍增系统及阳极等构成。

1）入射窗、光电阴极与电子光学系统结构

光电倍增管按其倍增极形式的不同，通常有端窗式和侧窗式两种形式。端窗式光电倍增管倍增极的结构如图2－33（a）～（c）所示，光通过管壳的端面入射到端面内侧光电阴极面上。侧窗式光电倍增管倍增极的结构如图2－33（d）所示，光通过玻璃管壳的侧面入射到安装在管壳内的光电阴极面上。一般，光电阴极可根据设计需要采用不同的光电发射材料制成。端窗式光电倍增管通常采用半透明材料的光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗内侧面。一般半透明光电阴极的灵敏度均匀性比反射式阴极要好，而且阴极面可以做成从几十平方毫米到几百平方厘米面积大小各异的光敏面。为使阴极面上各处的灵敏度均匀、受光均匀，阴极面常做成半球形状。另外，球面形状的阴极面所发射出的电子经过电子光学系统汇聚到第一倍增极的时间散差最小，因此光电子能有效地被第一倍增极收集。侧窗式光电倍增管的阴极为独立的，且为反射型的，光子入射到光电阴极面上产生的光电子在聚焦电场的作用下汇聚到第一倍增极，因此它的收集率接近100％。

图2－33 光电倍增管倍增极的结构

典型的电子光学系统的结构如图2－34所示。系统形成的电场能很好地把来自光电阴极的光电子会聚成束并通过膜孔打到第一倍增极上，收集率可达85％以上，渡越时间的离散性Δt约为10ns。

图2－34 电子光学系统结构

此外，窗口玻璃的不同，将直接影响光电倍增管光谱响应的短波限。例如，同为光电阴极材料锑铯（Cs3Sb）光电倍增管，石英玻璃窗口的光谱响应要比普通光学玻璃窗口的光谱响应范围宽，尤其对紫外波段的光谱响应影响更大。

2）倍增极与阳极结构

光电倍增管按倍增极结构可分为聚集型与非聚集型两种。在聚集型结构的光电倍增管中，由前一倍增极来的电子被加速后会聚在下一倍增极上，在两个倍增极之间可能发生电子束交叉。如图2－33（c）所示的瓦片静电聚焦与图2－33（d）所示的圆形鼠笼两种结构均为聚集型结构。非聚集型结构光电倍增管形成的电场只能使电子加速，电子轨迹是平行的，如图2－33（a）所示的百叶窗型与图2－33（b）所示的盒栅型两种结构即为非聚集型的。

倍增极即二次电子发射极，它能将以一定动能入射的电子（或称光电子）的电子数目增大δ倍，显然，δ＞1。δ称为二次电子发射系数，即一个入射电子所产生的二次电子的平均数。若一次倍增极电子数增加δ倍，有n个倍增极，则阳极收集的电子数就是原来的δn倍。

倍增极发射二次电子的过程与光电发射的过程相似，所不同的是倍增极发射的电子由高动能电子的激发所产生，而不是光子激发所致。因此，一般光电发射性能好的材料也具有二次电子发射功能。

常用的倍增极材料有锑化铯（CsSb）、氧化的银镁合金（AgMgO［Cs］）、铜－铍合金（铍的含量为2％）、负电子亲和势材料GaP：Cs（用铯激活GaP形成）等。其中，负电子亲和势材料在电压为1000V时，其倍增系数一般大于50，甚至高达200。值得指出的是，不同的光电倍增管由于材料、结构和电场设计不同，其倍增系数也不同。

光电倍增管目前一般采用栅网状阳极，其结构如图2－35所示。

图2－35 阳极结构

图2－36 光电倍增管工作原理示意图

2.光电倍增管的工作原理

光电倍增管是光电子发射型光电检测器，其工作原理如图2－36所示，其中K是光电阴极， F是电子限束器电极（相当于孔径光阑），D是倍增极，A是阳极（或称收集极）。阳极与阴极之间的总电压可达千伏以上，分级电压在百伏左右。

光电倍增管的工作过程如下：当光子入射到光电阴极K上时，只要光子能量高于光电发射阈值，光电阴极就会产生电子发射。发射到真空中的电子在电场和电子光学系统的作用下，经电子限束器电极F会聚并加速运动到第一倍增极D1上，第一倍增极发射出的电子在高动能电子的作用下，将发射比入射电子数目更多的二次电子（即倍增发射电子）。第一倍增极发射出的电子在第一与第二倍增极之间电场的作用下高速运动到第二倍增极。同样，在第二倍增极上产生电子倍增。依此类推，经过n级倍增极倍增后，电子数倍增n次。最后，所有的电子被阳极收集，形成阳极电流IA。IA将在负载电阻RL上产生电压降，从而形成电压Uo。随着光信号的变化，在倍增极不变的条件下，阳极电流也随着光信号而变化，从而达到把小的光信号转换成较大的电信号的目的。

2.6.2 光电倍增管的基本特性参数

1.光谱响应度

光电倍增管的光谱响应曲线与光电阴极的光谱响应曲线相同，主要取决于光电阴极材料的性质。光电倍增管的阴极电流光谱响应度为

式中：IK（λ）为入射光波长为λ时的阴极电流；η（λ）为波长为λ的入射光的量子效率；Pi（λ）为波长为λ的入射光的功率。

光电倍增管的阳极电流光谱响应度为

SA（λ）＝GSK（λ） 　（2－66）

式中：G为光电倍增管的放大倍数（增益）。积分光谱响应度是以标准光光源（色温为2 856K的自然灯）为入射光时的光电倍增管响应度。阴极积分电流响应度为

阳极积分电流响应度为

SA＝GSK 　（2－68）

2.放大倍数（电流增益）

在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极电流之比称为光电倍增管的放大倍数M或电流增益G。即

式中：IA为阳极电流；IK为阴极电流。放大倍数也可按一定工作电压下的阳极响应度和阴极响应度的比值来确定。

图2－37所示为某光电倍增管阳极灵敏度和放大倍数随工作电压而变化的关系曲线。

3.暗电流

光电倍增管的暗电流是指加有电源但无光照时光电倍增管的输出电流。

1）引起暗电流的因素

引起暗电流的因素有如下几种。

（1）光电阴极和第一倍增极的热电子发射 在室温下，即使无光照也会有部分电子逸出表面，并经倍增放大到达阳极成为暗电流。这是光电倍增管的主要暗电流。

图2－37 光电倍增管阳极灵敏度和放大倍数随工作电压而变化的关系曲线

1—最大灵敏度；2—典型放大倍数；3—典型灵敏度；4—最小灵敏度

（2）极间漏电流 光电倍增管各极绝缘强度不够或极间灰尘放电会引起漏电流。

（3）离子和光的反馈作用 由于抽真空技术的限制，管内总会存在一些残余气体，它们被运动电子碰撞电离，这种电离的电子经放大将形成暗电流。并且，这些离子打在管壁上产生荧光再反射至阴极造成光反馈，也可形成暗电流。

（4）场致发射 场致发射是一种自持放电，且只有当电极上的尖端、棱角、粗糙边缘处在高电压下（一般电场强度达105V／cm或极间电压UD≥200V）时才发生。

（5）放射性同位素和宇宙射线的影响 光电倍增管的光窗材料40K（钾40）衰变产生一种发光的β粒子、宇宙射线中的μ介子穿过光窗而形成的光子，它们射到光电阴极上，都可产生暗电流。通常，可采用无钾的石英窗来减弱这种暗电流。

2）减弱暗电流的方法

减弱暗电流的方法主要是选好光电倍增管的极间电压。有了合适的极间电压，就可避开光反馈、场致发射及宇宙射线等造成的不稳定状态的影响。此外，还可采取下述方法：

①在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿；

②在倍增输出电路中加一选频或锁相放大环节来滤掉暗电流；

③利用冷却法减少热电子发射。

4.伏安特性

光电倍增管的伏安特性又称阳极特性或输出特性，即在一定光照下，阳极电流IA与最后一级倍增极Dn和阳极A之间的电压的关系（见图2－38），其中E3＞E2＞E1。由图可见：照度E（或入射辐射通量ΦK）越大，阳极电流越大，且饱和电压也越大；曲线饱和区的水平部分相当长，直到相当大时，曲线才略为下降。这说明光电倍增管具有工作范围宽和线性好的特点。

图2－38 光电倍增管的阳极伏安特性

5.时间特性和频率响应

由于光电倍增管是光电发射型器件，而光电发射的延迟时间≤3×10－13s，所以光电倍增管的时间常数非常小，具有很高的频率响应（即f上高）。虽然目前快速光电倍增管的响应时间已达0.23ns，但输出的光电子还是有一定的渡越时间，而且如果在结构上没有补偿，从光电阴极边缘发射的光电子与从中央发射的光电子到达阳极的时间会有差别，这个时间差称为渡越时间。一般聚集型结构光电倍增管的渡越时间小。

对输出脉冲波形的时间特性一般用下列两个主要参数表示：一是脉冲上升时间tr，即输出脉冲幅度为1时输出电流从满幅度的10％上升到90％时所需的时间；二是脉冲响应宽度（或半宽度），即电流脉冲的半幅值或对应于脉冲前、后沿满幅度的50％的两点之间的时间宽度。

光电倍增管的时间特性决定了器件的频率响应。当输入正弦光信号，光电倍增管的负载电阻为50Ω时，其上限频率f上可用以下经验公式算出：

6.噪声

光电倍增管的噪声主要有散粒噪声和负载电阻的热噪声。光电倍增管的散粒噪声的表达式为

式中：δ为二次电子发射系数；M为光电倍增管的放大倍数；IDK为阴极的平均电流。当δ≫1时，δ／（δ－1）≈1，则式（2－71）可简化为

而负载电阻的热噪声为

一般来说，选择光电倍增管总是使热噪声远小于器件固有的散粒噪声，即4kTΔf／RL≪2qIDKΔfM2。由此可得出RL的选择原则（或范围），即

当IDK＝10－10A，M＝105时，可计算出在室温下RL≫0.05Ω。一般情况下RL都比0.05Ω大很多倍，所以，对光电倍增管主要考虑散粒噪声，而不考虑热噪声。

2.6.3 光电倍增管的应用

光电倍增管可用来测量辐射光谱在狭窄波长范围内的辐射功率。它在生产过程的控制、元素的鉴定、化学成分分析和冶金学分析仪器中都有广泛的应用。以上分析仪器适用的光谱范围比较宽，如可见光分光光度计适用的波长范围为380nm～800nm，紫外可见光分光光度计适用的波长范围为185nm～800nm，因此，需采用宽光谱范围的光电倍增管。为了能更好地与分光光度计的长方形狭缝匹配，通常使用侧窗式结构的光电倍增管。在光谱辐射功率测量中，还要求光电倍增管稳定性好、线性范围宽。

现在以光谱辐射仪为例，介绍光电倍增管在光谱测量系统中的应用。光谱辐射仪原理如图2－39所示。它主要用于光源、荧光粉或其他辐射源的发射光谱测量。测量光源时，将反光镜M0移开，光源的发射光通过光纤进入测量系统，经光栅单色仪分光后，出射光谱由光电倍增管接收，光电倍增管输出的光电流经放大器放大、模／数转换后进入计算机。计算机输出信号驱动步进电动机，使单色仪对光源进行光谱扫描，光电倍增管逐一接收各波长的光谱信号。仪器通过对标准光源（已知光谱功率分布）和被测光源的比较测量，获得被测光源的光谱功率分布。测量荧光样品时，将反光镜M0置入光路，紫外灯发射的激光经过紫外滤光片照到荧光样品上，激发的荧光经反光镜M0进入测量系统。

图2－39 光谱辐射仪原理