PMT基础知识之六(光电倍增管“坪特性”)
《光电倍增管》课件
案例二：光电倍增管在环境监测领域的应用
总结词
光电倍增管在环境监测领域中发挥着重要作用，能够实现高精度、高灵敏度的气体和水质监测，为环境保护提供 科学依据。
详细ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ述
光电倍增管在环境监测中主要用于气体和水的分析。对于气体监测，光电倍增管可以检测空气中的有害气体和温 室气体，如二氧化碳、甲烷等。对于水质监测，光电倍增管可以检测水中的重金属离子、有机污染物等有害物质 ，为水处理和水质管理提供依据。此外，光电倍增管还可用于气象观测和遥感监测等领域。
高增益与低噪声
通过改进倍增级结构和材料，提高光电倍增管的 增益和降低噪声，从而提高探测器的信噪比和灵 敏度。
多通道并行处理
采用多通道并行处理技术，实现多个光电倍增管 同时工作，提高探测器的响应速度和测量精度。
光电倍增管的市场展望
不断增长的市场需求
随着科学技术的进步和应用领域的拓 展，光电倍增管的市场需求将持续增 长，尤其在医疗、环保、安全等领域 的应用前景广阔。
污染物等。
02 光电倍增管的结构与特性
光电倍增管的结构
光电阴极
将光信号转换为电子的过程发生在此区域，通常 使用材料如硫化锑或硒化铊。
倍增极
一系列的电子倍增器，用于放大由光电阴极产生 的电子。
阳极
收集倍增后的电子并产生最终的电流或电压输出 。
光电倍增管的特性
01
02
03
高灵敏度
能够检测到微弱的入射光 信号，通常在亚纳瓦级别 。
05 光电倍增管的典型案例分析
案例一：光电倍增管在医疗仪器中的应用
总结词
光电倍增管在医疗仪器中具有广泛的应用， 能够提高医疗设备的检测精度和灵敏度，为 医疗诊断和治疗提供有力支持。
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
PMT基础知识(内部培训资料 演示文稿
四 百叶窗型（VB） 特点
1第一倍增极的有效面积大，易制成较大阴 极的PMT 2 耐磁牲好、 3 输出电流大、 4 增益高 ▲ 代表管型：R1513 R887 EMI9635QB 等
五 细网型（FM） 特点：
1 耐磁性能好（强磁场下工作） 2 均匀性好 3 倍增极短、平行电场、具有位置探测功 能。
光窗材料透过率曲线
光电倍增管光谱短波阈由入射 光窗决定。
光电阴极
光电阴极是接收光子而放出光 电子的电极。一般分为半透明 （入射光和光电子同一方问） 的端面或四面窗阴极和不透明 （入射光的方向与光电子方向 相反）。见图（2）电子轨迹图。
电子轨迹图
(1) 单碱 Sb-Cs
特点是： 阴极电阻低，允许强光下有大电流流过阴 极的场合下工作）
加工技术。在光阴极面上加偏置电压，降 低导带壁垒。使得这种结构在到1.4μm或到 1.7μm长波方向的大范围内具有高灵敏度， 而目前为止光电倍增管还无法实现如此大
范围波长探测。不过，由于在常温下暗电 流大，这种光阴极面工作时必须冷却到60 ～ -80 ℃。
电压 (V)
光阴极电流与所加电压的关系曲线
我们称入射的电子为一次电子，发射的 电子为二次电子。二次电子发射系数 定义为发射的二次电子数NS和入射的 一次电子数Ne之比：
NS
Ne
光电倍增管结构如图所示。
一个光电倍增管可以分为几个部分：
（1）入射光窗、 （2）光电阴极、 （3）电子光学输入系统、 （4）二次倍增系统、 （5）阳极。
入射光窗
1μA 1μA 0.1μA / 0.01μA 10μA
10μA
(*)0.1μA 0.1μA
我公司生产的PMT的阴极材料主要是：
(1) Sb-Cs (2) 双碱（Sb-RbCs、Sb-KCs） (3) 高温双碱（Sb-K-Na） (4) 多碱（Sb-K-Na-Cs）
光电倍增管主要特性(精)
光电倍增管的主要特性
（1）倍增系数M
◆倍增系数M 等于各倍增电极的二次电子发射电子 的乘积。
如果n 个倍增电极的 都一样，则M = ，因此，阳极电流I 为：
◆ M 与所加电压有关，一般在 之间。
如果电压有波动，倍增系数也
要波动。
一般阳极和阴极的电压为1000V ～2500V ，两个相邻的倍增电极的电压差为50V ～ 100V 。
（2）阴极灵敏度和总灵敏度
一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。
一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。
光电倍增管的放大倍数或总灵敏度如图所示。
极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。
另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照 射，否则将会损坏。
光电倍增管的特性曲线
（3）光谱特性
光电倍增管的光谱特性与相同材料光电管的光谱特性很相似。
对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。
光谱特性
（4）暗电流及本底电流
◆当管子不受光照，但极间加入电压时在阳极上会收集到电子，这时的电流称为暗电流。
◆如果光电倍增管与闪烁体放在一起，在完全避光情况下，出现的电流称本底电流，其值大于暗电流。
增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的。
本底电流具有脉冲形式，因此也成为本底脉冲。
n i I i δ=581010i δn i δi δ。
光电倍增管的使用方法与调试技巧
光电倍增管的使用方法与调试技巧光电倍增管（Photomultiplier Tube，简称PMT）作为一种高灵敏度的光电探测器，广泛应用于光谱分析、核物理、生物医学等领域。
本文将介绍光电倍增管的使用方法和调试技巧，帮助读者更好地了解和掌握这一高精度的仪器。
一、PMT的基本原理光电倍增管的核心部分是光阴极和若干倍增极。
当入射光子击中光阴极时，光子能量被转化为电子能量。
这些电子经过倍增极的级联放大后，最终通过输出极产生电流信号。
光电倍增管的放大倍数可达数千倍甚至百万倍，因此其灵敏度极高，能够检测到极微弱的光信号。
二、PMT的使用方法1. 光阴极保护PMT的光阴极十分脆弱，需要在使用中特别注意保护。
事先应在实验室中设置良好的光源控制环境，并确保光阴极不暴露在空气、灰尘或化学气体中。
光阴极的污染会降低PMT的响应灵敏度，甚至损坏其稳定性。
2. PMT电源调节在连接PMT电源之前，应按照PMT的额定工作电压范围设置电源。
频繁调整电源参数会对PMT产生不可逆的损伤，因此应量好电压值后再连接。
3. 光电倍增管放大倍数选择光电倍增管的放大倍数决定了其灵敏度和线性范围。
在实际应用中，需要根据实验需求选择合适的放大倍数。
一般情况下，灵敏度要求较高时可以选择较大的放大倍数，但注意不要超过PMT的承受范围。
4. 信号调制和滤波在实验中，常常需要对PMT的输出信号进行调制和滤波，以提取出感兴趣的信号成分。
这可以通过在电路中加入合适的调制器和滤波器实现。
调制器可以对信号进行放大、限幅、滞后等处理，滤波器则可以去除噪声和杂散干扰。
三、PMT的调试技巧1. 定位调试当PMT的输出信号异常或无反应时，首先应进行定位调试。
可以通过更换光阴极、放大极、输出极等部件，逐一排除故障。
同时，还要检查连接线路是否有松动或损坏导致信号中断。
2. 背景噪声降低一些实验环境中存在背景噪声，会对PMT的信号检测产生负面影响。
为了降低背景噪声，可以采用暗箱、屏蔽罩等方法进行隔离。
光电倍增管
光电倍增管1 概述光电倍增管（PMT）是光子技术器件中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。
可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。
2 光电倍增管的一般结构光电倍增管是一种真空器件。
它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。
典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。
其主要工作过程如下：当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。
这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。
然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。
因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。
另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。
3 光电倍增管的类型3.1 按接收入射光方式分类光电倍增管按其接收入射光的方式一般可分成端窗型（Head-on）和侧窗型（si de-on）两大类。
侧窗型光电倍增管（R系列）是从玻璃壳的侧面接收入射光，两端窗型光电倍增管（CR系列）则从玻璃壳的顶部接收射光。
在通常情况下，侧窗型光电倍增管（R系列）的单价比较便宜（一般数百元/只），在分光光度计、旋光仪和常规光度测定方面具有广泛的应用。
大部分的侧窗型光电倍增管使用不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这种结构能够使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。
端窗型光电倍增管（CR系列）也称顶窗型光电倍增管。
其价格一般在千元以上，它是在其入射窗的内表面上沉积了半透明的光阴极（透过式光阴极），这使其具有优于侧窗型的均匀性。
端窗型光电倍增管的特点是拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极，另外，现在还出现了针对高能物理实验用的可以广角度捕获入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。
光电倍增管原理、特性与应用
接收入射光 Œ而端窗型光电倍增管 ˆ£ ² 系列‰ 则从 玻璃壳的顶部接收入射光 " 图 ’ 和图 “ 分别是侧窗 式光电倍增管和端窗式光电倍增管的外形图 "
在通常情况下 Œ侧窗型光电倍增管 ˆ ² 系列‰ 的 单价比较便宜 ˆ一般数百元• 只‰ Œ在分光光度计 !旋 光仪和常规光度测定方面具有广泛的应用 " 大部分 的侧窗型光电倍增管使用不透明光阴极 ˆ反射式光 阴极‰和环形聚焦型电子倍增极结构 Œ这种结构能够 使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度 "
端窗型光电倍增管 ˆ£ ² 系列‰ 也称顶窗型光电
图 ’ 侧窗型光电倍增管
图 “ 端窗型光电倍增管
倍增管 " 其价格一般在千元以上 Œ 它是在其入射窗 的内表面上沉积了半透明的光阴极 ˆ透过式光阴 极‰ Œ这使其具有优于侧窗型的均匀性 " 端窗型光电 倍增管的特点是拥有从几十平方毫米到几百平方厘 米的光阴极 Œ另外 Œ现在还出现了针对高能物理实验 用的可以广角度捕获入射光的大尺寸半球形光窗的 光电倍增管 " “ Ž’ 按电子倍增系统分类
图 ‘ 端窗型光电倍增管的剖面图
” 小结
电子点火系统在现代汽车电子系统中有着广泛 的应用 Œ 用 ¬”˜” 专用集成电路可构成高能电子点 火器 Œ应当注意的是 š在使用中应合理选择工作点的 参数 Œ 以利提高电子点火系统乃至汽车发动机的可 靠性 "
收稿日期 š’••‘ • •‘ • •’ 咨询编号 š•‘•˜•”
图 ” 给出了双碱光电倍增管 ˆ其光阴极材料为 ³Â • ²  • £Ó和 ³Â • «• £Ó‰ 的典 型光 谱响 应曲 线"
光电倍增管和硅光电倍增管
光电倍增管和硅光电倍增管
光电倍增管（Photo Multiplier Tube，简称PMT）是一种高灵敏度的光电探测器件，能够将微弱的光信号转化为电信号，广泛应用于光子计数、弱光探测、核医学等领域。
光电倍增管由光电阴极、倍增极和阳极组成，其核心部分是光电阴极和倍增极。
当光子入射到光电阴极上时，会激发出光电子，这些光电子在倍增极上经过多次倍增后，最终到达阳极，输出电信号。
硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，简称SiPM）是一种新型的光电探测器件，是二十世纪九十年代末发明的一种基于PN结的传感器。
它由多个雪崩二极管（APD）并联组成，具有增益高、灵敏度高、偏置电压低、对磁场不敏感、结构紧凑等特点。
硅光电倍增管的工作原理是当光子入射到硅光电倍增管的敏感区域时，会产生光电子，这些光电子在雪崩二极管中经过电场加速后与半导体晶体发生碰撞，激发出更多的电子，这些电子再经过电场加速后继续碰撞，形成雪崩效应，最终产生大量的电子和空穴，输出电信号。
硅光电倍增管与光电倍增管的区别：
1.材料不同：硅光电倍增管使用的是硅材料，而光电倍增管使用的是玻璃材料。
2.结构不同：硅光电倍增管是由多个雪崩二极管并联组成，而光电倍增管是由光电阴极、倍增极和阳极组成。
3.增益不同：硅光电倍增管的增益通常比光电倍增管更高，可以达到数千倍甚至更高。
4.尺寸不同：硅光电倍增管通常比光电倍增管更小，更便于集成和使用。
总之，硅光电倍增管是一种基于PN结的新型光电探测器件，具有高灵敏度、高分辨率和高稳定性等特点，适用于多种领域的光电探测和测量。
- 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六
(光电倍增管“坪特性”)
闪烁计数器的“坪”不是光电倍增管的固有特性，而是闪烁计数器在一定条件下所具有的特性，光电倍增管输出信号极噪声幅度随着夹在光电倍增管电压而变化，只有在一定电压范围内光电倍增管输出信号幅度大于仪器甄别阈，而噪声幅度又小于甄别阈是才产生计数坪，这种坪显然和脉冲幅度分布，晶体，光电倍增管的性能，仪器放大倍数，甄别阈(仪器参数)及其应用条件等因素有关。所以坪石综合因素的体现。但是它主要决定于光电倍增管的性能。这里只谈谈“坪”与管子性能的关系。
constructionurbangreenspacesystempromotingperipheralgreenspacehistorical光电倍增管基础知识之六光电倍增管坪特性闪烁计数器的坪不是光电倍增管的固有特性而是闪烁计数器在一定条件下所具有的特性光电倍增管输出信号极噪声幅度随着夹在光电倍增管电压而变化只有在一定电压范围内光电倍增管输出信号幅度大于仪器甄别阈而噪声幅度又小于甄别阈是才产生计数坪这种坪显然和脉冲幅度分布晶体光电倍增管的性能仪器放大倍数甄别阈仪器参数及其应用条件等因素有关
图(3)不同兰白比的坪曲线
B阳极灵敏度
图给出了两支GDB-37光电倍增管的坪曲线。阳极灵敏度高的管子(28#)起坪早，结果也早，并且坪区比较窄(坪长较短250V);反之阳极灵敏度低的管子(37#)坪起的比较晚，结果也晚，
2
坪区比较宽(坪长400V)
但必须指出，阳极灵敏度越差的管子坪越长，坪斜也小，这只能说明这种管子对电压变化不灵敏，但并不是在所有情况下都能给出最稳定的计数，更不能说这种管子最好，另外阳极灵敏度，工作电压高，用户不太愿意采用，所以降低阳极灵敏度来取得较长的坪是不可取的。
从理论上分析得知，管子性能不同其坪曲线也不相同。下面就讨论一下光电倍增管的阴极灵敏度(兰光电压(Kv)
图(1)不同辐射源的坪曲线
1
图(2)不同晶体尺寸Nal(Tl)晶体的坪曲线
A阴极兰光灵敏度
闪烁计数中的碘化钠晶体的发光光谱处于光谱兰区，管子的蓝光灵敏度高，其光电转化效率就高，所以管子的蓝光灵敏度的大小就反映出坪特性的好坏。兰光灵敏度高，起坪时计数变化快，坪出现早。图(3)给出了两支阳极灵敏度相同，而兰光灵敏度不同的GDB-38的坪曲线。1#管子兰光灵敏度高，起坪快，另外坪的上限与蓝白比有关(兰光灵敏度与白光灵敏度之比)有关。“蓝白比”在一定程度上反映出管子的热噪声水平，比值小的管子一般热噪声大，高温时尤为严重.从图可以看出兰白比高的53比兰白比低的72的坪要长30V.
4
图(6)不同温度的坪曲线
E坪与测量仪器参数的关系
测量仪器主要是指仪器的放大倍数与甄别阈.图(7,8)给出了不同甄别阈和放大倍数的坪曲线.由图可甄别阈选得小时,或放大倍数过大时,光电倍增管噪声提旱被记录,坪长缩短.甄别阈选得过大或放大倍数过小时,都使坪区往后移,有时候往往使管子工作电压过高,其高压电源不能满足要求,给实际工作带来困难,所以仪器的放大倍数与甄别阈必须根据测量仪器的实际条件和光电倍增管性能合理选择.
图(7)不同放大倍数的坪曲线
图(8)不同甄别阈的坪曲线
5
因此在一定条件下，坪的长短，坪斜的大小，主要决定管子的性能，特别是光电倍增管的噪声，对于结构和材料一定的管子而言，碱金属和激活温度的控制，特别是钾的控制是至关重要的。因为碱金属(特别是钾的控制)例如:K多Cs小都有又能造成阴极灵敏度小和阳极灵敏度低(电压高)的原因;如果Cs多K小就会暗电流大(噪声大)影响坪特性。所以在整个排气过程中，如烘烤和激活温度合适。碱金属的控制非常重要。切记～
图(4)不同阳极光照灵敏度的坪曲线
C噪声
从坪曲线可知，坪的终端一般是光电倍增管的噪声所致。因为过高的电压会使光子，离子反馈(或场致发射)产生的噪声迅速增加，致使管子不能工作，坪曲线上跷，噪声大的管子，坪曲线就差(见图5).
3
图(5)不同噪声能当量的坪曲线
D温度
通常光电倍增管的灵敏度随工作温度升高而下降，使得始端计数率下降，坪前区往后移。另外，光电倍增管的噪声也随升高而急剧增加。式坪后区向前移，这两种影响使闪烁计数器中的坪缩短，坪斜加大(见图6)由于温度效应与光电倍增管材料和工艺有关，因而不同管子的高温坪曲线特性是不同的。