光電倍增管新1第一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日§3.1.1光電培增管

光電培增管是外光電效應(yīng)探測(cè)器，把微弱的入射光轉(zhuǎn)換成光電子，并獲得培增的重要的真空光電發(fā)射器件。一．結(jié)構(gòu)與原理光電倍增管由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽(yáng)極等五個(gè)主要部分組成，其外形如圖。1、結(jié)構(gòu)第五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日2、工作原理光子透過(guò)入射窗口入射到光電陰極上光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開(kāi)表面發(fā)射到真空中光電子通過(guò)電場(chǎng)加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極D1上，倍增極將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級(jí)倍增極倍增后，光電子就放大N次。經(jīng)過(guò)倍增后的二次電子由陽(yáng)極A收集起來(lái)，形成陽(yáng)極光電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號(hào)電壓。hKAD1D2DnR1R2RnRlV0第七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日二．組成部分1、光窗光窗是入射光的通道，是對(duì)光吸收較多的部分。通常有側(cè)窗和端窗兩種，側(cè)窗一般使用反射式光電陰極，而端窗一般使用半透明光電陰極，光電陰極材料沉積在入射窗的內(nèi)側(cè)面。常用的光窗材料有鈉鈣玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟鎂玻璃等。如：硼硅玻璃，其透射光譜范圍從300nm到紅外熔融石英，其透紫外波長(zhǎng)可達(dá)到160nm第八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日2、光電陰極它的作用是接收入射光，向外發(fā)射光電子。制作光電陰極的材料多是化合物半導(dǎo)體，它決定了倍增管光譜特性的長(zhǎng)波閾值，同時(shí)也決定了整管的靈敏度。3、電子光學(xué)系統(tǒng)主要有兩方面的作用：①使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部會(huì)聚到第一倍增極上，而將其它部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比，一般用電子收集率o表示。②使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中渡越時(shí)間盡可能相等，使渡越時(shí)間差異最小，以保證光電倍增管的快速響應(yīng)，一般渡越時(shí)間的離散性△t用表示。第十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日4、倍增系統(tǒng)倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個(gè)倍增極都是由二次電子倍增材料構(gòu)成的，具有使一次電子倍增的能力。因此倍增系統(tǒng)是決定整管靈敏度最關(guān)鍵的部分。（1）二次發(fā)射電子具有足夠動(dòng)能的電子轟擊某些材料時(shí)，材料表面將發(fā)射新的電子，種現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射。轟擊材料的入射電子稱為一次電子。（2）倍增極的原理及結(jié)構(gòu)第十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日4、倍增系統(tǒng)第十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日－－由許多倍增極組成，決定整管靈敏度最關(guān)鍵部分作用－－倍增10-15級(jí)倍增極4、倍增系統(tǒng)第十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日入射光照射到光電陰極K上，發(fā)射光電子，經(jīng)電子光學(xué)系統(tǒng)加速，聚焦到倍增極上，發(fā)射出多個(gè)二次電子；電子經(jīng)n級(jí)倍增極，形成放大的陽(yáng)極電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生放大的信號(hào)輸出。4、倍增系統(tǒng)第十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日如果每個(gè)電子落到某一倍增極上從該倍增極打出σ個(gè)二次電子，那么很明顯地：式中，I—陽(yáng)極電流；i0

—光陰極發(fā)出的光電流；n—光電倍增極的級(jí)數(shù)。光電倍增管的電流放大系數(shù)β可用下式表示:

β==圖為倍增管各電極的連接線路。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只畫(huà)了四個(gè)倍增極。倍增系統(tǒng)有聚焦型和非聚焦型兩類。聚焦型倍增系統(tǒng)倍增極的結(jié)構(gòu)形式有直瓦片式、圓瓦片式；非聚焦倍增系統(tǒng)倍增極的結(jié)構(gòu)形式有百葉窗式和盒柵式。第十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日（3）倍增極結(jié)構(gòu)光電倍增管中的倍增極一般由幾級(jí)到十五級(jí)組成，光電倍增管按倍增極結(jié)構(gòu)可分為聚焦型與非聚焦型兩種。非聚焦型光電倍增管有百葉窗型（圖a）與盒柵式（圖b）兩種結(jié)構(gòu)；聚焦型有瓦片靜電聚焦型（圖c）和圓瓦片式（圖d）兩種結(jié)構(gòu)。

第十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日倍增極結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)聚焦型直瓦片式極間電子渡越時(shí)間零散小，但絕緣支架可能積累電荷而影響電子光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圓瓦片式結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，但靈敏度的均勻性差些。非聚焦型百葉窗式工作面積大，與大面積光電陰極配合可制成探測(cè)弱光的倍增管，但極間電壓高時(shí)，有的電子可能越級(jí)穿過(guò)，收集率較低，渡越時(shí)間零散較大。盒柵式收集率較高（可達(dá)95%），結(jié)構(gòu)緊湊，但極間電子渡越時(shí)間零散較大。（3）倍增極結(jié)構(gòu)第十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日陽(yáng)極作用：－－收集最末一級(jí)倍增極發(fā)射出來(lái)的二次電子，向外電路輸出電流。結(jié)構(gòu)：－－具有較高電子收集率，能承受較大電流密度，在陽(yáng)極附近空間不產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)。陽(yáng)極廣泛采用柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。第十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日光電倍增管分類1.按進(jìn)光方式：

A側(cè)窗式B端窗式；第十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日2.電極工作方式：A透射式B反射式；3.倍增極數(shù)目：A單極B多極；4.倍增極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

A盒狀B圓籠式

C百葉窗式D直線瓦片式5.光電陰極材料：CsSb、Ag-O-Cs、多堿光電倍增管分類第二十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日三、光電倍增管的主要特性參數(shù)1．靈敏度

2．電流增益3．光電特性4．光譜特性5．伏安特性6．時(shí)間特性7．暗電流8．疲勞特性9．噪聲第二十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日1、光電特性陽(yáng)極光電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數(shù)關(guān)系，稱為倍增管的光電特性。

在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)為直線。當(dāng)光通量很大時(shí)，特性曲線開(kāi)始明顯偏離直線。在工作時(shí)陰極不能有強(qiáng)光照射，否則易損壞管子。因它的靈敏度高，光電倍增管允許測(cè)量非常小的光通量，或所需放大器的級(jí)數(shù)可以較少。第二十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日2、光譜特性圖中示出了銻鉀銫（Sb-K-Cs）光電陰極的光譜特性，最靈敏的光譜波長(zhǎng)約在4000埃處。同時(shí)還要注意環(huán)境溫度對(duì)光電倍增管光譜相應(yīng)的影響。第二十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日3、伏安特性陽(yáng)極伏安特性定義為：當(dāng)入射光通量一定時(shí)，陽(yáng)極電流Ia與最后一級(jí)倍增極和陽(yáng)極之間電壓U的關(guān)系。相應(yīng)于不同光通量值的陽(yáng)極伏安特性示于圖中，它表示陽(yáng)極電流Iα對(duì)于最后一級(jí)倍增極和陽(yáng)極間的電壓U的關(guān)系。作此曲線時(shí)，其余各電極的電壓保持恒定。第二十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日4、放大特性光電倍增管的電流放大系數(shù)β或靈敏度隨電源電壓U增大的關(guān)系，稱為放大特性。隨著電源電壓升高，電子在電場(chǎng)中的速度加快，動(dòng)能增大，電子在倍增電極中可打出更多的二次發(fā)射電子，因而放大系數(shù)或靈敏度增大。工程上有時(shí)利用這一性質(zhì)來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)光電倍增管的靈敏度。第二十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日5、頻率特性

光電倍增管的頻率特性很好，f高達(dá)106HZ或更高時(shí)仍能保持高的靈敏度。6、疲乏特性

光電倍增管在工作過(guò)程中靈敏度要降低，其原因是最后幾極倍增極的疲勞。曲線1和2各畫(huà)出了相應(yīng)于橫坐標(biāo)所給陽(yáng)極電流Iα值，經(jīng)過(guò)20分鐘和40分鐘后的靈敏度降低的情況。管子工作的頭幾分鐘，疲勞得最快，以后疲勞過(guò)程就逐漸緩慢了。即使陽(yáng)極電流非常微弱，還是有疲勞現(xiàn)象，只是靈敏度的降低相當(dāng)慢而已。若測(cè)量過(guò)程中，陽(yáng)極電流不超過(guò)1毫安，則每次測(cè)量后，把管子放在暗室中幾晝夜，其靈敏度能恢復(fù)到近于初始值。而管子的衰老是不可逆的變化第二十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第二十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日7、暗電流

光電倍增管的暗電流是指在施加規(guī)定的電壓后，在無(wú)光照情況下測(cè)定的陽(yáng)極電流。在測(cè)量微弱光強(qiáng)時(shí)，其影響特別大。

暗電流的來(lái)源：①光電陰極和光電倍增管的熱電子發(fā)射②光電倍增管的極間漏電流③場(chǎng)致發(fā)射

減少暗電流的辦法：①采用熱電子發(fā)射能力弱的光電陰極和倍增極②采用合適的屏蔽減小自然界中輻射線照射③致冷④將入射光調(diào)制成一定頻率的周期信號(hào)，而輸出電路中加一選頻放大器第二十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日第二十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日四、光電倍增管的工作電路－－是保證其正常工作的必要條件，在常用的光探測(cè)器件中，其工作電路是最為復(fù)雜的。工作電路：高壓供電電路分壓電阻的確定并聯(lián)電容的確定高壓電源接地方式第三十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日四．光電倍增管的供電1、高壓供電

為了使光電倍增管能正常工作，通常需要在陰極(K)和陽(yáng)極(A)之間加上近千伏的高壓。同時(shí)還需要在陰極、聚焦極、倍增極和陽(yáng)極之間分配一定的極間電壓，保證光電子能被有效收集，光電流通過(guò)倍增極系統(tǒng)得放大。最常用的分壓器是采用一組電阻跨接在陰極與陽(yáng)極之間。第三十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日高壓供電電路－－分壓電阻的確定

總電壓UAK

在1000～1500V之間，倍增極極間電壓UD在80～100V之間－－可以確定分壓電阻IRIAmax第三十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日高壓供電電路－－分壓電阻的確定

實(shí)例：說(shuō)明：i.第一級(jí)對(duì)陰極電流形成影響最大,高出20~30Vii.中間級(jí)均勻分配iii.最后一級(jí),要高,克服空間電荷區(qū)的影響.第三十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日高壓供電電路－－并聯(lián)電容的確定

探測(cè)光脈沖，最后幾級(jí)脈沖電流很大，極間電壓不穩(wěn)－－最后幾級(jí)并聯(lián)旁路電容C1、C2、C3。第三十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月28日四．光電倍增管的供電2、供電電壓的極性一般的分壓電路中采用陽(yáng)極接地，負(fù)高壓供電。如圖。

這種供電方式的好處：可消除外部信號(hào)輸出電路與陽(yáng)極之間的電位差

這種供電方式的缺點(diǎn)：由于靠近管子玻殼的金屬支架或磁屏蔽筒接地，它們與陰極和倍增極之間存在較高的電位差，結(jié)果使某些光電