光的探測及光電倍增管的選擇

■引言對于“光信號”的探測要得到比較滿意的結果，首先要選擇合適測量方法，其次需正確選擇光探測器－光電倍增管，恰當地挑適它的工作狀態、注意光電倍增管輸出的傳輸方式、提高信噪比、注意環境條件的影響。光的探測及光電倍增管的選擇這里著重介紹三個部分：■第一部分光的探測■第二部分光電倍增管的選擇■第三部分使用中幾個問題第一部分光的探測光的世界，五彩繽紛、燦爛奪目，令人神往。“光是制造物質的粘合劑”。(物質之光)“光是向電子提供能量并控制其軌道”。

(電子之光)“光是控制著細胞新陳代謝，支配著細胞與細胞間的信息傳遞和功能調節”。

(生命之光)“光是探索人類、未知未踏領域的“關鍵因素”第一部分光的探測第一部分光的探測

■“電荷積分法”

(即將各個光電子產生的陽極脈沖進積分，用陽極輸出電流大小來表征光的輻射通量)“電荷積分法”▲直流法－是將光電倍增管輸出信號的直流成份，通過放大器低通帶濾波器的檢測方法(適用于光較強探測)。“電荷積分法”

▲

交流法－是將光電倍增管輸出信號，通過電容只取交流成份，或將光信號調制成一定頻率的調制光，再用交流放大器(鎖相放大器)的檢測方法(適用于光較弱探測)“電荷積分法”對光電倍增管的要求是：●穩定性高●暗電流小●伩噪比高●寬光譜(紫外～紅外)●滯后低在光分析儀器常采用“電荷積分法”該應用里常采用的石英玻璃窗和多堿側窗型、端窗型光電倍增管。

光子計數法■光子計數法－是把光電倍增管的輸出脈沖經過放大、幅度甄別，對幅度在某一甄別電壓以上的脈沖進行計數的方法(適用于極微弱光探測)。

光子計數法特點是：

▲有很高的信噪比。在極弱光測量時，比測量電流法高5-10倍。

▲可以探測極低的輻射通量，可探測到1x10-18w

或更低

▲有很高的穩定性。

光子計數法

▲有很寬的動態范圍

▲本底-計數可以很方便從二次測量之差方法扣除

▲消除了漏電流的影響

▲便于數據處理

光子計數法

對光電倍增管特性的要求是：▲單光電子分辨率要高▲暗脈沖計數少▲增益大(一般要求G＞1X106)

在生物、化學發光及生命科學等微弱中探測中常用“光子計數法”。時間相關的單光子計數激光器的驅動電路經延遲后，作為時幅變換器開始信號，光電倍增管的輸出信號作為時---幅變換器停止信號，利用多道脈沖分析器而獲得樣品光的發射的波形。“能譜分析法”通過光電倍增管探測射線+閃爍體的“簡接發光”確定樣品中的射線及活度。如γ、α、康普頓譜儀。第二部分光電倍增管的選擇選擇光電倍增管的原則是：

■入射光波長

■光的強度

■光束直徑

■光的速度光電陰極◆原則：選擇的光陰極的光譜響應應與待測光的光譜相似。光電陰極的初步選擇要考慮

▲窗材料

▲陰極材料

▲陰極大小

▲陰極形式

▲光電參數窗材料

常用的窗材料有：

★硼硅玻璃（300nm）★透紫玻璃（185nm）★合成（熔融）石英（160nm）★藍寶石(Al2O3)150nm★MgF2（115nm）

光電倍增管的短波閾由窗材料決定

光陰極材料

★Sb－Cs

特點是：◎陰極電阻低、允許強光下有大電流流過陰極的場合下工作

★雙堿-BA(Sb－Rb－Cs、Sb－K－Cs)

特點是：◎靈敏度較高◎暗電流小－熱電子發射小光陰極材料★高溫雙堿(Sb-K-Na)

特點是：◎耐高溫－200℃

★多堿(Sb-K-Na-Cs)

特點是：◎寬光譜◎靈敏度高光陰極材料

★Ag-O-Cs

特點是：◎光譜可到近紅外◎靈敏度低

★GaAs(砷化鎵)

特點是：◎高靈敏◎光譜平坦◎強光下容易引起靈敏度變壞光陰極材料

★Cs-I

特點是：◎日盲◎在115nm的短波也有高的靈敏度

★Cs-Te

特點是：◎日盲◎陰極面透過型和反射型光陰極材料

常用的陰極材料有：▲銻絕（SbCs）－650nm▲銻鉀絕（SbKCs）－650nm▲銻鉀鈉（SbKNa）－650nm▲銻鉀鈉絕（SbKCsNa）－850nm

光電倍增管光譜長波閾由陰極材料決定。陰極形式▲半透明陰極(入射光方向與電子運動方向一致)－－端窗光電倍增管。●端窗管特點：▲A陰極面積變化范圍大：

(直徑從10—200mm)。▲B陰極均勻性好，與光信號耦耦合好▲C陰極電阻率高。▲D磁場效應大。

陰極形式▲不透明光電陰極(入射光方向與電子運動方向一致)－－側窗光電倍增管

●側窗管特點：▲A陰極電阻率低▲B磁場效應小▲C陰極均勻性差▲D與光耦合較差一般光度學、光譜儀應用的光電倍增管大多數都選用不透明陰極的側窗光電倍增管

陰極大小

陰極大小的選擇取決于：光信號束的大小。

光電陰極極選擇舉例：

■對800nm左右紅外光譜，Ag-O-CS不是唯一的，而GaAs、InGaAs是候選者

■在光譜學應用：S-20(Sb-K-Na-Cs)是優選者

■譜特性與人眼睛靈敏度配合最好的是Bi-Ag-O-Cs、Sb-Rb-Cs

■對探測紫外輻射，陰極的選擇取決于特定要求：如要求紫外—可見區都靈敏度(S-20)陰極是最適合；就“日盲”而言要求光譜在300nm以下，則用CsI陰極。

■為了在火箭和人造衛星上研究宇宙中的太陽輻射最合適的窗材料是MgF2，可到115nm。倍增系統光電倍增管的增益、線性、時間特性由倍增系統決定。一個倍增系統通常包括三個部分：

▲結構形式

▲倍增極級數

▲倍增極材料。結構形式▲環形聚焦型（C.C）

特點：

■小型緊湊

■時間響應特性也

代表管型：側窗型和小型的部分端窗管如R1051P21R212CR131R5610R1705R980。結構形式▲盒柵型（BG）特點：■光電子收集效率高■均勻性好。■代表管型：R228R550CR110CR119（R1307）CR105結構形式▲直線聚焦型（L）

特點：■時間響應好（快速）■時間分辨率好■脈沖均勻性好代表管型：（端窗管型）R329R331R580CR166CR115結構形式

▲百葉窗型（VB）

特點■第一倍增極的有效面積大，易制成較大陰極的PMT■耐磁牲好、■輸出電流大、■增益高代表管型：R1513R887EMI9635QB等結構形式▲細網型（FM）

特點：■耐磁性能好（強磁場下工作）■均勻性好■倍增極短、平行電場、具有位置探測功能。代表管型：R3432-01R2490-05R5064R4721及細網型的多陽極的PMT（H41394140-01）等結構形式▲MCP（Microchannel微通道板）

特點是：■好的時間響應（0.1-0.3ns）■小型高增益、■強磁場下工作、■二維高空間圖像分辨率、■對帶電粒子、紫外線、X射線、r射線、中子都很靈敏。■低電耗、小型、重量輕代表管型：R2809UR2024R2566等。倍增極材料

對倍增極（二次電子發射）材料的要求是：■足夠大的二次發射系數■熱電子發射小■工作穩定性好■對高溫光電倍增管中，還要求倍增極高溫性能好。倍增極材料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

一次電子電壓與二次發射系數的關系曲線表（2）各種倍增極的特性上升時間(ns)脈沖線性(mA)磁特性（mT）均習性收集效率特

征環形聚焦型0.9-3.01-100.1△○小型高速盒柵型6-201-10○○高收集效率直線聚焦型0.7-310-250△○高速線性好百葉窗型6-1810-40○△大面積PMT細網型1.5-5.5300-1000700-1200以上○△高磁場用線性好MCP0.1-0.370015-1200以上○△超高速表（2）各種倍增極的特性不同結構的單電子譜不同結構的線性電流■三使用場合如石油測井要選擇：

▲高溫管、耐震管

光分析儀器一般選擇：

▲