PMT基础知识之三(分压器设计)
光电倍增管PMT
雪崩光电二极管（APD）、
增强型光电二极管（IPD）、 微通道板（MCP）、 微球板（MSP） 真空光电二极管（VAPD）
6
1.光电倍增管（PMT）单光子探测器
单光子探测需要的光电倍增管要求增益高、暗电流小、
噪声低、时间分辨率高、量子效率高、较小的上升和下 降时间。
特点：
具有高的增益（104～107）； 大光敏面积； 低噪声等效功率（NEP）；
光子探测了，一般选用InGaAs-APD，但由于制造工艺的 问题，目前还没有专门针对单光子探测的商用InGaAsAPD。目前对这两个波段的单光子探测一般都是关于利用 现有针对光纤通信的商用APD，通过优化外围驱动电路， 改善工作环境，使其达到单光子探测的目的。
14
目前对单光子探测器将主要从两个方面去研究
32
阳极接地的优点：可直接与前置放大器耦合。缺点是噪声
比较大。
这种接法：阴极为负高压，光电倍增管工作时为了安全一
般外罩必须接地，这就意味着外罩的壁和光电倍增管内部电 极之间有很大的负压，特别是对阳极和靠近阳极的倍增极， 由于这个高压，可能在阴极和倍增极与外罩间形成漏电流， 这个漏电流流经玻璃时会产生荧光。荧光发射的光子将会到 达光阴极，产生误计数。
Δ τ 很小，渡越时间τ 也较小。若将其光阴极也制成曲面形状， 则这种管子最为适宜作光子计数器使用。
聚焦电极
K
A
22
3.PMT的增益与二次电子发射系数回顾
倍增管的增益G定义为
Ia G Ik
二次电子发射系数δ又称为倍增系数
δ值一般为3~6，视倍增极的材料和工作偏压而定。
N2 N1
23
在理想情况下，设阴极和倍增极发射的电子都被阳极所
PCT中PMT供电电路的设计与实现
摘
要 ：光 子计 数技 术 （ Ｐ Ｃ Ｔ）在 现代检 测技 术 已广 泛应 用 ，光 子计数 技 术的核 心 器件 是 光 电倍
增管 （ Ｐ ＭＴ ） 。 电倍 增 管的性 能 直接 决定 了光子 计数 系统 的计数 率 。 系统地 介 绍 了 Ｐ Ｍ Ｔ的供 电电
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｃ ｏ ｕ ｎ ｔ ｉ ｎｇ；ＰＭＴ；ｗｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕｉ ｔ ．
０ 引 言
光子计 数 技术 （ Ｐ Ｃ Ｔ ） 是低 噪声 、 高 灵 敏度 、 宽 光 谱、 大动 态范 围 的光 电子 探 测 成 像 技 术 ， 在天文、 预
２ ０ ０ ０ Ｖ ， 各倍增极 电压 为 ８ ０ Ｖ一１ ５ ０ Ｖ 。Ｐ Ｍ Ｔ各 电极 的电位按 照 阴极 Ｋ， 第一、 二、 三、 四 等光 电倍 增 极 ， 阳极的次序递增 ， 并建立 了依次递增 的使 电子加速 的电场 。要使 Ｐ ＭＴ具 有稳 定 的增 益 ， 各 个倍 增极 之
路设计、探讨 了电容值和 电阻值的决定因素等。实验结果表 明：设计的 电路性 能稳定 ，Ｐ Ｍ Ｔ能 输 出高质 量 的信 号 。 关键词 ：光子计数 ；光 电倍增管；工作电路
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ＰＭ Ｔ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｓ ｕ ｐ ｐ ｌ ｙ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｆ ｏ ｒ ＰＣＴ
间就要用 稳定 的 电压差对 电子 进行 加速 。常用 的供 电电路 为均分 电压 电路 和锥形 电阻分压 电路 。在高
Hale Waihona Puke 警、 医学诊断等多领域有着广泛的应用价值。 目前， 普 遍并 且最 有 效 的探 测 微弱 光 辐 射 的器 件 是 Ｐ ＭＴ 。 Ｐ ＭＴ利用 外光 电效 用 和二 次 电子发 射 相 结 合 ， 即 把 微弱的光输入转化为光 电子 ， 并使光 电子获得倍增 的一种光探测器件。由于 Ｐ Ｍ Ｔ多为手工制作 ， 个体
第三章 PMT
② 二次电子发射的过程：
a) 材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态 （二次电子）； b) 体内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面 运动； c) 到达界面的二次电子中能量大于表面势垒的电子发 射到真空中，成为二次电子。
要求：二次电子发射系数要大
③ 倍增极材料
I. II. III. IV. 主要是Ag-O-Cs、CsSb，灵敏的光电发射体一般 也是良好的二次电子发射体； 氧化物：MgO、BaO； 合金型：银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等； 负电子亲合势材料；
外光电效应发生的条件： h
E
3. 光电效应中有红限存在，即光电发射的
长波限为：
（三）光电发射的基本过程
光电发射大致可分三个过程： 1) 光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量， 从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。 2) 受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程 中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失 去一部分能量。 3) 达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克 服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即 可从表面逸出，形成光电子。
2、电源电压
极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数 δ，或管子的增益G。因此，根据增益G的要求可以设 计出极间供电电压UDD与电源电压Ubb。
由
0.7n G (0.2)n U DD （锑化铯倍增极材料）
G (0.025) U
n
n DD
（银镁合金材料）
可以计算出UDD与Ubb， U bb NU DD
S a ,λ
Ia Φe, λ
若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为Sa
Sa
Ia
0 e, λ d
皮托管介绍(相关知识)
皮托管介绍1. 测量原理和结构1.1 测量原理皮托静压管(以下简称皮托管)是由一个垂直在支杆上的圆筒形流量头组成的管状装置。
本装置在侧壁周围有一些静压孔, 顶端有一个迎流的全压孔。
它能测出差压，并根据差压确定流场中某处的流速，由流速与面积的乘积计算出流量。
皮托管的测量原理是基于伯努利方程在空气中应用的一个实例，如图1所示。
当理想流体均匀的平行流向静止物体时，设想其中一条流线撞在物体上（即图1中的A 点），在此处流体发生分岔，A 点称为滞止或驻点，A 点的流速为零，V A ＝0。
图1 皮托管静压管原理结构图如果我们选择两个截面Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ、Ⅰ－Ⅰ截面流动没有受到任何的影响，流束是平行的，流速形成规则的速度分布，截面上各点的静压力相等。
Ⅱ－Ⅱ截面流动受到影响，流束密集，流速加快，静压降低。
则两个面上的伯努利方程为222222222221111V V K P V K P ζρρ++=+ （1） 式中：ζ－Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ区间的流体阻力系数，这里可以不考虑即：ζ＝0； ρ— 流体密度，因为是均匀的12ρρρ==K －速度分布不均匀系数，这里可设K 1＝K 2＝1； P －两个截面的静压力；V －两个截面的流速，V 2＝V A ＝0。
整理得到公式为：22112P P V ρ-=（2）式中：P 2－总压力（因为动压为零）； P 1－静压力。
如图1所示，若在物体B 点开一个孔，由于均匀流场中静压力相等，则 P 1＝P B ＝P 0；令P 2＝P 1，V 1＝V ，公式（2）就变成为2021V P P ρ=-(3)()ρ02P P V -=(4)式中：P-P 0实际上是流场中某一点流体的动压力P 。
1.2 皮托管结构皮托管的原理结构如图2所示,当一台差压计两端分别与总压管和静压管连接,这样差压计上就可以显示出动压值来。
图2 皮托管静压管结构图2是一般皮托管的结构,为了能看清楚把两端放大。
如图中可以看到皮托管外形是一个直角弯折的金属管，与管轴平行安置的直角边是测头，其顶端有一个总压孔，在其侧壁有若干个静压孔。
PMT基础知识之三(分压器设计)
光电倍增管基础知识之三(分压器设计)1基本原则：合理设计分压器对正确使用光电倍增管是非常重要的，不恰当的分压器会引起管子的分辨率，线性和稳定性变化。
分压器的设计应根据对管子的要求（最佳信噪比，高增益，大电流输出等）来考虑。
光电倍增管的分压器可细分为三个部分：前级（阴极—第一倍增极），中间级，末级。
A 阴极—第一倍增极维持阴极与第一倍增极之间具有适当高的电场是很重要的。
前级电压的分配是由电子收集效率，第一倍增极二次电子发射系数和时间特性，信噪比决定的，应用于能谱分析的光电倍增管前级电压应从脉冲幅度分辨率或噪声这些参数来确定。
B 中间倍增极中间倍增极的电压可根据需要的增益来选择。
在某些场合，希望降低管子的增益而不改变总电压，简单方法是调节中间倍增极之间的电位来达到（在一定范围内是适用的）中间倍增极一般采用均匀分压器，但对聚焦型结构（直线聚焦结构）。
前面几个倍增极之间的电压，对脉冲幅度分辨率和时间特性等参数仍有相当大的影响，应仔细挑选。
C 末级倍增极末级倍增极分压器由输出线性决定。
在一些应用中（如高能物理）有强的脉冲信号输出，为了降低空间电荷效应，在电荷密度较高的后几个倍增极和阳极上所加电压应适当的提高，增加后几个倍增极和阳极的电位梯度，基本这种考虑，一般采用锥形分压器（图13）。
为了避免在最后几个倍增极由于信号脉冲电流过大而影响倍增极电位分布，往往需要在最后若干个倍增极接上去耦电容（脉冲信号型分压器）电容值依赖于输出电荷。
如果线性要求优于10%，电容的取值要达到每个脉冲的输出电荷的至少100倍，即VItC 100这里I 为峰值输出电流（安培）t 为脉冲宽度（秒）V 是电容上所加的电压（伏）。
图13基本分压器电路图2通用分压器A直流（DC）输出型AK图14直流工作分压器回路B脉冲信号型如图(15)所示，在最后几个倍增极上接上去耦电容，在脉冲期间，补充光电倍增管电荷，以抑制末极倍增极和阳极的电压下降，而大大改善脉冲信号的线性。
PMT基础知识(内部培训资料 演示文稿
这种结构在灵敏度上比GaAs(Cs)更向红外 方向延伸，而且在900 nm～1000 nm附近 的量子效率比Ag-O-Cs好得多
(11) InP/InGaAsP(Cs), InP/InGaAs(Cs)
电场辅助型光阴极面(Field-assisted photocathode)使用了PN结，这种PN结是 通过使用InP基板生长InP/InGaAsP,或 InP/InGaAs层形成的。电场辅助性光阴极 面在研发中采用了我们独有的半导体微细
0
c
0
ch W
1240
/W
2 二次电子发射的基本原理
当足够能量的电子轰击固体表面时， 就有一定数量的电子从固体表面发 射出来。如图所示。
一次电子
二次电子 二次电子发射面
基板电极
二次发射过程可以分为三个阶段：
(1) 入射电子与发射体中的电子相互作用， 一部分电子被激发到较高能级； (2) 一部分受激电子向发射体－真空界面运 动； (3) 到达表面的电子中，能量大于表面势垒 的那些电子发射到真空中
温度 (℃)
阴极电阻与温度关系曲线
特
阴极材料
Ag-O-Cs Sb-Cs Sb-Rb-Cs / Sb-K-Cs Sb-Na-K
-Na-K-Cs
Cs-As Cs-Te Cs-I
性
光谱响应范围、〔峰值波长〕 （nm）
线性电流（上限）（平均电流）
400~1200 (800) 300~650 (440) 300~650 (420) 300~650 (370) 185~850 (420) 900 (600) Exterior line extended type 185~930 (300~700) 115~320 (210) 115~200 (140)
第三章光电技术PMT
K
二、 光电倍增管的基本特性
1.
灵敏度
（1）阴极灵敏度 定义光电倍增管阴极电流Ik与入射光谱辐射通量 之比为阴极的光谱灵敏度，并记为
S k ,λ
Ik Φe, λ
若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，IK与 光谱辐射通量的积分之比，记为Sk
Sk Ik
0 e, λ d
（2）阳极灵敏度 定义光电倍增管阳极输出电流Ia与入射光谱辐射 通量之比为阳极的光谱灵敏度，并记为
影响暗电流的主要因素：
1. 欧姆漏电 2. 热发射 3. 残余气体放电
4. 场致发射
5. 玻璃壳放电和玻璃荧光
8.
疲劳与衰老
光电阴极材料和倍增极材料中一般都含有铯金 属。当电子束较强时，电子束的碰撞会使倍增极和 阴极板温度升高，铯金属蒸发，影响阴极和倍增极
的电子发射能力，使灵敏度下降。甚至使光电倍增
2.
为什么纯金属不适合用作光电阴极材料？ 金属材料是否满足上述4点？
——其反射率为90%，吸收光能少； ——体内自由电子多，由于碰撞引起的能量散射损 失大，逸出深度小； ——逸出功大（>3eV），难逸出金属表面，量子 效率低； —— 光 谱 响 应 在 紫 外 或 远 紫 外 区 （ 红 限 不 长 于 600nm），适于紫外灵敏的光电器件。
EcN
Ec
EA
Eg
E
本征半导体
Eg
E
(a ) (b)
N型半导体
ED
Eg
E
(c )
P型半导体
P
EA
电子亲和势（EA）—— 指导带底上的电子向真空逸出所需要 的能量。 光电逸出功 —— 指材料在绝对零度时光电子逸出表面所需的 最低能量。描述材料表面对电子束缚的强弱。
PMT基础
数字发生器调至高阻抗，避免反射信号影响输出波形。
=0
t=0 时 q 0 =CU 整理积分后得：)
) （分析知，RC 有时间量纲，表征电容充放电快慢）
RC≧32.84 T w 即 R≧32.84 T w /C 将（1）式代入得 R≧211114.2Ω
考虑电阻分配及热功率，取 R 15 =600000Ω 即： K G1 200K
G2&Dy1 400K 400K
级为避免电子密度增大带来的空间电荷效应（附） ，影响饱和电流大小，采用倾斜式 分压。并联电容，及时补充电荷，保持分压电阻的电压稳定。电容的取值要大于此 级脉冲电荷的 100 倍（保持 1％输出线性，即 I p /I b =1％,相同时间内，电容储存电 荷量至少为输出电荷量的 100 倍） 。 前置放大器 应用： 一：对于 R1828-01 型： 端窗型 PMT，12 个打拿极，峰值 QE
电流实际流向：
流过分压器的电流 I b 近似表示为：I b =
������
������ 1 +������ 2 +������ 3 +������ 4
实际流过分压器的电流是 I b 和与 I b 方向相反流过 P-Dy 3 -R 4 -P 回路的阳极电流 I p 之差。 保持所加高压不变，随着光通量增大，由倍增极放大的电子流引起的阳极与末极倍增极 间电压下降最明显（不影响末级倍增极的二次电子发射系数，而影响到末级以前的电压 分配） ，阳极的收集效率降低，产生饱和现象。 4， 工作方式： 直流工作指 PMT 一直受光照射，适用于长时间或重复测量弱光事件。 脉冲工作指 PMT 仅在信号来到时才受到光照射， 适用于短时间或一次性测量弱光事件。 5， 暗电流：PMT 在完全黑暗的环境下仍有微小电流输出，主要由光电面、倍增极表面的热 电子发射（材料）及管脚间（接分压器）的漏电流引起的。实验前置于黑暗中 30 分钟 或更久。 二：相关参数： 1， 辐射灵敏度：光电面的发射电流与某一波长的入射光的辐射功率（附）之比：
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光电倍增管基础知识之三
(分压器设计)
1基本原则：
合理设计分压器对正确使用光电倍增管是非常重要的，不恰当的分压器会引起管子的分辨率，线性和稳定性变化。
分压器的设计应根据对管子的要求（最佳信噪比，高增益，大电流输出等）来考虑。
光电倍增管的分压器可细分为三个部分：前级（阴极—第一倍增极），中间级，末级。
A 阴极—第一倍增极
维持阴极与第一倍增极之间具有适当高的电场是很重要的。
前级电压的分配是由电子收集效率，第一倍增极二次电子发射系数和时间特性，信噪比决定的，应用于能谱分析的光电倍增管前级电压应从脉冲幅度分辨率或噪声这些参数来确定。
B 中间倍增极
中间倍增极的电压可根据需要的增益来选择。
在某些场合，希望降低管子的增益而不改变总电压，简单方法是调节中间倍增极之间的电位来达到（在一定范围内是适用的）中间倍增极一般采用均匀分压器，但对聚焦型结构（直线聚焦结构）。
前面几个倍增极之间的电压，对脉冲幅度分辨率和时间特性等参数仍有相当大的影响，应仔细挑选。
C 末级倍增极
末级倍增极分压器由输出线性决定。
在一些应用中（如高能物理）有强的脉冲信号输出，为了降低空间电荷效应，在电荷密度较高的后几个倍增极和阳极上所加电压应适当的提高，增加后几个倍增极和阳极的电位梯度，基本这种考虑，一般采用锥形分压器（图13）。
为了避免在最后几个倍增极由于信号脉冲电流过大而影响倍增极电位分布，往往需要在最后若干个倍增极接上去耦电容（脉冲信号型分压器）电容值依赖于输出电荷。
如果线性要求优于10%，电容的取值要达到每个脉冲的输出电荷的至少100倍，即
V
It
C 100
这里I 为峰值输出电流（安培）t 为脉冲宽度（秒）V 是电容上所加的电压（伏）。
图13基本分压器电路图
2通用分压器
A直流（DC）输出型
A
K
图14直流工作分压器回路
B脉冲信号型
如图(15)所示，在最后几个倍增极上接上去耦电容，在脉冲期间，补充光电倍增管电荷，以抑制末极倍增极和阳极的电压下降，而大大改善脉冲信号的线性。
A
K C L
图15脉冲信号型分压器回路
C时间型
-HV信号
H3284分压器
快速响应分压器电路图
3典型分压器
3.1高线性(大电流) 输出分压器电路
A 递增型(锥型分压器)
HV
R R R R R 2R 3R
2.5R
R L
A K
D 1
D 2
D 3
D 4
D n-3
D n-2
D n-1
D n
C n-3C n-2C n-1C n
C L
图17递增型(锥型分压器)回路
图18采用锥形分压器的线性
B稳压管分压器
HV R 1R2R3R4R n-3R n-2R n-1R n
R L
A
K
D1D2D3D4D n-3D n-2D n-1D n
图19齐纳二极管分压器)回路
如图(19)所示。
在前级和未极二级把分压器电阻改用齐纳二极管，不管阴极--阳极间加的电压大小，都能维持电极电压一定而能使光电倍增管稳定工作，并能取得最大输出线性。
C倍压整流分压器
图20a所示的回路里串联二极管，每个接点各例串联一个电容(倍压整流)。
这种兼有电源的分压器回路，具有高输出线性外还具有小型、低功耗。
图20a用多个整流器构成的直流分压器回路
图20b 高输出直流线性
D 晶体管分压器
在闪烁计数应用里，当光电倍增管用在高计数率时，常发生输出线性问题。
在这种场合，可用晶体管来代替分压器电阻。
这种由分压器电阻引起的输出线性降低可得到改善。
图21晶体管分压器回路
3.3减少震荡分压器
在快速(10ns 以下)应用场合，可采用下图(22 )所示,最后二级倍增极接上阻尼电阻 R n ＋1R n ＋2(10～100Ω) 可以减轻震荡如图( 23)
HV
R 1
R 2
R 3
R n-3
R n-2
R n-1
R n
R L
A
K
D 2
D 3
D n-3
D n-2
D n-1D n
C n-3C n-2C n-1C n
C L
F
R n+1
R n+2
图22减少震荡分压器回路
图23阻尼电阻的效果图
3.4增益可控制的分压器电路
光电倍增管输出控制，通常以改变所加的电压来实现的。
但有时不希望改变高压，而且在管子增益较高、工作电压较低的场合，由于倍增极电压低，会使收集效率、二次发射系数变低，这时可采用下面两种方法：
A 倍增极与阳极短接
如图(24a)所示，这实际上是减少倍增极级数来控制增益，并可提高极间电压提高信噪比。
可从阳极或倍增极输出。
HV
R1R2R3R L
A K
D 1
D 2
D 3
D n-3
D n-2
D n-1
D n
C L
R4
图24a 倍增极短路分压器回路
B 调节中间倍增板电位
如图(24b)所示，在中间倍增极加可调电阻(电位器)。
调节中间倍增极电压，控制光电倍增管增益，试验表明保持前级空间电位恒定，仅改变中间倍增极电压来调节光电倍增管增益是有效的。
K C L
A Array
图24b 调节中间倍增极分压器回路。