光电倍增管的外部电路
光电倍增管
（3）InSb（锑化铟） 在77k下,噪声性能大大改善 峰值响应波长为5μm 响应时间短（大约50×10-9s） （4）HgxCd1-xTe（碲镉汞）探测器
化合物本征型光电导探测器,它是由HgTe和GdTe两种材料混 在一起的固溶体,其禁带宽度随组分x呈线性变化（x是镉含量的组 分）。
当x=0.2时响应波长为8～14μm,工作温度77k，用液氮致冷。
光敏电阻的允许功耗,随着环境温度的升高而降低。
5.噪声特性
几种典型的光敏电阻
（1）CdS（硫化镉）和CdSe（硒化镉） 低造价、可见光辐射探测器 光电导增益比较高(103～104) 响应时间比较长(大约50ms) （2）PbS（硫化铅） 近红外辐射探测器 波长响应范围在1～3.4μm，峰值响应波长为2μm 内阻（暗阻）大约为1MΩ 响应时间约200μs
偏置电压V必须满足
V
Pmax Rg
1 2
RL Rg
3.时间响应特性
光敏电阻的响应时间常数是由电流上升时间 tr 和衰减时间 t f 表 示的。光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负载电阻 及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间）等因素有关。
4.稳定特性
电磁屏蔽法
将光电倍增管装在高导磁率的金属圆筒中，能有效地防止 周围电磁场的干扰。
磁场散焦法
当测量过程中用窄光束照射较大的光电阴极时，合理地采 用磁场可把那些未被照射的光电阴极边缘暗电流的电子散射掉； 也可以用可控偏转线圈，采用星象跟踪方法改变磁场，把有效 阴极面积任意移动到阴极的光照位置，利用散焦方法减少暗电 流，达到改善信噪比的目的。
滞后效应
在光电倍增管加上高压或开始光照的短时间内，（几秒或 几十秒）阳极输出电流存在暂时的不稳定，电流可能比稳定值 大一些，也可能小一些。这种不稳定现象称为滞后效应。滞后 效应主要由于电子偏离设计的轨迹以及倍增极的陶瓷支架和玻 壳等静电作用引起的。当入射的光照变化，而所加的电压也跟 随着变化时滞后效应特别明显。
第5章光电倍增管
1）阴极灵敏度测试图
Sk
Ik
电子
K
D1
D10
0V
A
－100V～－300V 照射到光电阴极上的光通量约为10-5～10-2lm
2）阳极光照灵敏度测试
10-10~10-6 lm E A
Sp
IA
G
各倍增极和阳极
都加上适当电压；
注明整管所加的
V
电压
2．电流增益
阳极电流与阴极电流之比称为电流增益M（内增益）
第5章 光电子发射探测器
具有外光电效应的材料 －－光电子发射体
光电子发射探测器中的光电子发射体 －－又称为光电阴极
光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能 好坏直接影响整个光电发射器件的性能！！！
第5章 光电子发射探测器
5.1 光电阴极 5.2 光电管和光电倍增管结构原理 5.3 光电倍增管的主要特性参数 5.4 光电倍增管的工作电路
1．灵敏度 3．光电特性
2．电流增益 4．光谱特性
5．伏安特性
6．时间特性
7．暗电流
8．疲劳特性
9．噪声
1．灵敏度
灵敏度是衡量光电倍增管探测 光信号能力的一个重要参数。
光电倍增管的灵敏度：
SKSK((?))=IKI?/K?λ?/ Φ
单位：
阴极灵敏度 －－μA/lm或μA/W 阳极灵敏度 －－A/lm 或 A/W
5.2.1 光电管
1、结构
真空光电管由玻壳、 光电阴极和阳极三部 分组成
真空光电管构造示意图
充气型光电管：
光电管的特点：光电阴极面积
大，灵敏度较高，一般积分灵 敏度可达20～200μA/lm；暗电 流小，最低可达10-14A；光电 发射弛豫过程极短。
光电倍增管分压电路
www�ele169�com | 3电子科技0 引言光电倍增管是一种灵敏度极高响应速度极快的真空光电器件，由入射窗、光阴极面、倍增系统和阳极等部分构成。
光电倍增管的性能主要由光阴极和倍增极以及极间电圧决定，为使光电倍增管正常工作，要在阴极和阳极之间加上500V～3000V 左右的高压，而得到各极间规定电压的回路就称为电压分配回路，也叫作高压分压电路。
1 高压分压电路常用的高压分压电路根据其用途的不同一般分为电阻型、组合型两种。
光电倍增管阴极与阳极之间的分压最常用的就是电阻分压模式，见图1。
其中，I b 是流过分压器回路的电流，叫做分压器电流，它和光电倍增管的输出线性有很大的关系。
图1 电阻分压回路其中，I b 的计算方法如下： ()127b VI R R R =++…+若需要满足光阴极和第一倍增极之间以及末级倍增极和阳极之间的电压的稳定时，也可另外使用齐纳二极管进行分压，方法见图2。
图2 使用电阻和齐纳二极管的分压回路其中，I b 的计算方法如下： ()41123ZIi b V D I R R R =−=++∑在大多数使用场合下，为了贴合实际获得更好的性能，会对上述两种分压电路进行一定的改变。
当阳极需要输出大电流时，为了维持倍增极电势的稳定并获得高的峰值电流，在分压器电路中需将大容量电容与后几级分压电阻并联。
电容值取决于电荷量的大小，如果要获得输出电流与入射光之间高于1%的线性度，其电容值应至少是每个脉冲电荷量的100倍，即：C 100It V＞其中，I 为峰值输出电流，单位为A；t 为脉冲宽度，单位为s；V 为电容上电压值，单位为V。
如当阳极需要输出高幅值脉冲时，如果极间电压保持不变，随着入射光的增加就会出现输出饱和现象，这是由于电极间的电子密度的增大而出现的空间电荷效应妨碍了电子流的正常传输所致。
该饱和电流的大小，尤其与光电倍增管末级倍增极附近和阳极的电极结构以及电极间所加的电压不同而异。
对于这一效应比不在电子密度高的最后2~4级采用比标准电压分配高的电压，使电极间有高的电场强度，克服空间电荷效应影响。
光电倍增管知识讲解
光电倍增管附录二光电倍增管K——光阴极；F——聚焦极；D1～D10——打拿极；A——阳极。
光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系统及阳极组成，并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极──打拿极(又称“倍增极”)──阳极之间建立一个电位分布。
光辐射照射到阴极时，由于光电效应，阴极发射电子，把微弱的光输入转换成光电子；这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦，光电子在电子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极，产生二次电子，由于二次发射系数大于1，电子数得到倍增。
以后，电子再经倍增系统逐级倍增，阳极收集倍增后的电子流并输出光电流信号，在负载电阻上以电压信号的形式输出。
根据打拿极的几何形状和排列方式，光电倍增管分为聚焦型(环状、直线)和非聚焦型(百叶窗式、盒栅式)。
本装置采用百叶窗式光电倍增管，过去采用GDB44F 型，现采用GDB43型。
其优点为脉冲幅度分辨率较好，适用闪烁能谱测量。
它的主要指标应该包括以下几方面：光电转换特性、电子倍增特性、噪声或暗电流、时间特性等；在此主要介绍光电转换特性和电子倍增特性。
1. 光电转换特性——光阴极的光谱响应和灵敏度光阴极是接收光子并放出光电子的电极，一般是在真空中把阴极材料蒸发在光学窗的内表面上，形成半透明的端窗阴极；光阴极材料的品种有数十种，但最常用的只是五、六种，如锑铯化合物等。
一般光电倍增管光阴极前的光学窗有两种：硼玻璃窗或石英窗，前者适用于可见光，后者可透过紫外光。
光阴极受到光照射后发射光电子的几率是波长的函数，称为光谱响应。
在长波端的响应极限主要由光阴极材料的性质决定，而短波端的响应主要受入射窗材料对光的吸收所限制。
了解光电倍增管的光谱响应特性有利于正确选择不同管子使之与闪烁体的发射光谱相匹配。
在实际应用中，光电转换特性通常使用另一个宏观定义，即一定通量F 的白光照射阴极所能获得的光电子流（i k ）称为光阴极光照灵敏度：kk i S F （1）其中i k 单位为微安；F 为光通量，单位为“流明”(lm)。
光电倍增管
简介
光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。 它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200~1200纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍 增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图象传送 也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空 间研究等领域。
基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高 于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。光电倍增管包括阴极室和由若干打拿极组成的二次发射倍增系统两部 分（见图）。阴极室的结构与光阴极K的尺寸和形状有关,它的作用是把阴极在光照下由外光电效应（见光电式传 感器）产生的电子聚焦在面积比光阴极小的第一打拿极D1的表面上。二次发射倍增系统是最复杂的部分。打拿极 主要由那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏度和二次发射系数的材料制成。常用的打拿极材料有锑化铯、 氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等。打拿极的形状应有利于将前一级发射的电子收集到下一极。在各打拿极 D1、D2、D3…和阳极A上依次加有逐渐增高的正电压,而且相邻两极之间的电压差应使二次发射系数大于1。这样, 光阴极发射的电子在D1电场的作用下以高速射向打拿极D1,产生更多的二次发射电子,于是这些电子又在D2电场的 作用下向D2飞去。如此继续下去，每个光电子将激发成倍增加的二次发射电子，最后被阳极收集。电子倍增系统 有聚焦型和非聚焦型两类。聚焦型的打拿极把来自前一级的电子经倍增后聚焦到下一级去，两极之间可能发生电 子束轨迹的交叉。非聚焦型又分为圆环瓦片式（即鼠笼式）、直线瓦片式、盒栅式和百叶窗式。
倍增方式
20-21光电倍增管
I i0
n
光电倍增管各电极的联接线路 •倍增极由700～2000伏的高压直流电源供电 •阴极接电源负极，阳极通过负载电阻RL接电 源的正极，管子阳极是电路的输出端。 •各光电倍增极(D1～D4)电压通过分压获得 •光电倍增管各电极电位按照阴极K，第一光 电倍增极D1，第二光电倍增极D2，第三光电 倍增极D3，第四倍增极D4，阳极A次序递增， 并建立了依次递增的使电子加速的电场。
（c）直瓦片式
（d）圆片式
光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管，极间电压高时，有的电 子可能越级穿过，收集率较低，渡越时间差异较大。 盒栅式的主要特点是收集率较高(可达95％)，结构紧凑，但极间电 子渡越时间差异较大。 直瓦片式的主要特点是极间电子渡越时间差异小，但绝缘支架可能 积累电荷而影响电子光学系统的稳定性。 圆瓦片式的主要特点是结构紧凑，体积小，灵敏度和均匀性差些。
光电倍增管的特性曲线光电倍增管的特性曲线252550507575100100125125101066极间电压极间电压v倍增系数倍增系数mm101055101044101033由于环境温度热辐射和其它因素的影响即使没有光由于环境温度热辐射和其它因素的影响即使没有光信号输入加上电压后阳极仍有电流这种电流称为暗信号输入加上电压后阳极仍有电流这种电流称为暗电流
1
2 0
Байду номын сангаас
金属的光电发射
• 金属中存在着大量的自由电子，但在通常 条件下并不能从金属表面挣脱出来，这是 由于金属表面有一层偶电层的缘故，偶电 层阻止电子向外逸出。 • 当光照金属时，若光子的能量足够大，将 产生光电发射效应
2.光电阴极的特性
• 光电阴极是光电发射探测器的光电转换部 件。任何光电发射探测器的光谱响应和响 应度都与它所采用的光电阴极的性能紧密 相关。 • 目前可以用作光电阴极的材料有几十种， 可以履盖从紫外到近红外的很大的光谱范 围。早期的光电阴极是由金属制做的，后 来已为半导体光电阴极代替，现在正在发 展新的亲和材料
光电倍增管的工作原理
光电倍增管的工作原理
光电倍增管是一种用于探测光子的电子器件，它可以将光子转换成电子信号，并通过倍增作用放大电子信号，是一种重要的光电转换器件。
光电倍增管的工作原理主要包括光电效应、电子倍增和输出电路。
下面将逐一介绍光电倍增管的工作原理。
首先，光电倍增管的工作原理基于光电效应。
当光子进入光电倍增管时，光子会与光电阴极表面的原子发生相互作用，激发光电阴极中的自由电子，使其逸出并形成电子云。
这个过程称为光电效应，它是光电倍增管能够将光子转换成电子信号的基础。
其次，光电倍增管的工作原理还涉及电子倍增过程。
在光电效应的基础上，电子会被加速并进入光电倍增管的倍增结构。
光电倍增管的倍增结构由若干个倍增极组成，每个倍增极都被高压电场加速，使得电子在经过倍增结构时发生碰撞并释放出更多的次级电子。
这个过程可以将原始的电子信号倍增成为更大的电子信号，从而提高了光电倍增管的灵敏度和分辨率。
最后，光电倍增管的工作原理还包括输出电路。
经过电子倍增过程后，产生的电子信号会被输出到光电倍增管的输出端。
在输出电路中，电子信号会被进一步处理和放大，最终转换成可以被测量和记录的电压信号。
输出电路的设计和性能对光电倍增管的整体性能有着重要的影响。
总的来说，光电倍增管的工作原理是基于光电效应、电子倍增和输出电路的协同作用。
通过这些过程，光电倍增管可以将光子转换成电子信号，并通过倍增作用放大电子信号，从而实现对光子的探测和测量。
光电倍增管在核物理实验、光电子学、生物医学等领域都有着重要的应用，其工作原理的深入理解对于光电倍增管的性能优化和应用拓展具有重要意义。
光电倍增管使用方法
光电倍增管使用方法
光电倍增管（Photomultiplier Tube，简称PMT）是一种光电转换器件，用于将光信号转换为电信号，具有高增益和高灵敏度。
下面是光电倍增管的使用方法的基本步骤：
1. 预备工作：首先，准备好所需的光电倍增管和其它相关设备，包括电源、高压电源和信号放大器等。
2. 连接电源：将电源和高压电源连接到光电倍增管上。
根据厂家提供的电路图和说明书，正确连接电源和高压电源。
3. 连接信号放大器：将信号放大器连接到光电倍增管的输出端。
信号放大器可以增加光电倍增管输出信号的幅度，并将其转换为可读取的电压或电流信号。
4. 调节高压：根据光电倍增管的规格和应用需求，使用高压电源逐渐调节高压直到适当的工作电压。
通常需要根据光电倍增管的工作曲线和标定曲线来选择合适的电压值。
5. 测试和优化：使用测试光源（如氙灯或激光器）照射到光电倍增管上，观察信号放大器输出的信号。
根据实际情况调整光源的强度和位置，以获得最佳的信号质量和灵敏度。
6. 数据采集和分析：根据实验的需要，使用适当的数据采集设备（如锁相放大器、示波器或多道分析器等）来记录和分析光电倍增管输出的电信号。
需要注意的是，光电倍增管是一种非常敏感且易受干扰的器件，需要在实验室和工作环境中做好防护和保护措施，避免不必要的光源和电磁干扰，以保证测量的精确性和稳定性。
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Vm
Iam/G SK
2 103
1.02 105 40 106
0.49 103 (Lm)
运算放大器输出 输出的电压
PMT
V0 R f I p
Rf Cf V
4-5 光电倍增管的应用
一、光谱学 ----- 利用光吸收原理
1.紫外/可见/近红外分光光度计
光通过物质时使物质的电子状态发生变化， 而失去部分能量，称为吸收。利用吸收进行定量 分析。为确定样品物质的量，采用连续的光谱对 物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通过被 测物质前后的强度，即可得到被测物质吸收程度， 计算出物质的量。
电容C1、C2与C3的计算公式为
C1
70 NI am
LU DD
式中N为倍增极数，Iam为阳极峰值电流，τ为脉冲的 持续时间，UDD为极间电压，L为增益稳定度的百分数。
C2
C1
C3
C1
2
4.4.3 电源电压的稳定度
G
(0.2)
U N 0.7N DD
G
(0.025)
N
U
N DD
可得到光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度 的关系
三、质量光谱学与固体表面分析
固体表面分析 固体表面的成分和结构，可以用极细的电子、
离子、光或X射线的束流，入射到物质表面，对 表面发出的电子、离子、X射线等进行测定来分 析。这种技术在半导体工业领域被用于半导体的 检查中，如缺陷、表面分析、吸附等。电子、离 子、X射线一般采用电子倍增器或MCP来测定。
对锑化铯倍增极
G 0.7N U DD
G
U DD
G 0.7N Ubb
G
U bb
对银镁合金倍增极
G n Ubb
G
Ubb
由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkφvRL，因此，
输出信号的稳定度与增益的稳定度有关
U G n Ubb
UG
Ubb
在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认 为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电 压稳定度为1%时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%。
取Ri=120 kΩ，R1=1.5Ri=180 kΩ。
(3) 输出信号电压的稳定度最高为
U n Ubb 8 0.01% 0.08%
U
Ubb
例4-2 如果GDB-235的阳极最大输出电流为2mA，试 问阴极面上的入射光通量不能超过多少lm？
解 由于Iam=G SKφVm 故阴极面上的入射光通量不能超过
如图4-8所示为典型光电倍增管的电阻分压式供电电 路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向10级倍增 极提供电压UDD。
1、电阻链的设计
考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级的 电子流按放大倍率分布，其中，阳极电流Ia最大。因此， 电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但是，当 流过分压电阻的电流IR远远大于Ia时，即 IR ＞＞ Ia时，流 过各分压电阻Ri的电流近似相等。工程上常设计IR大于等 于10倍的Ia电流。
2.原子吸收分光光度计
广泛地应用于微量金属元素的分析。对应于 分析的各种元素，需要专用的元素灯，照射燃烧 并雾化分离成原子状态到被测物质上，用光电倍 增管检测光被吸收的强度，并与预先得到的标准 样品比较。
二、利用发光原理
１.发光分光光度计 样品接受外部照射光的能量会产生发光，利
用单色器将这种光的特征光谱线显示出来，用 光电倍增管探测出特征光谱线是否存在及其强 度。这种方法可以迅速地定性或定量地检查出 样品中的元素。
(2) 计算偏置电路电阻链的阻值 偏置电路采用如图4-8所示的供电电路，设流过电阻链的
电流为IRi，流过阳极电阻Ra的最大电流为 Iam=GSKφvm=1.02×105×40×10-6×12×10-6=48.96μA 取IRi≥10 Iam，则
IRi=500μA 因此，电阻链的阻值Ri= UDD/ IRi=156kΩ
此时，PMT的增益G应为
G Iamin 2.439 1.02 105 I K 24 106
G N N=8，每一级的增益δ=4.227
SbCs倍增极材料的增益δ与极间电压UDD有
0.2(UDD )0.7
UDD 0.7 0.2 78V 总电源电压Ubb为 Ubb=（N+1.5）UDD=741V
例4-1 设入射到PMT上的最大光通量为φv=12×10-6lm， 当采用GDB-235型倍增管为光电探测器，已知它的倍增 级数为8级，阴极为SbCs材料，倍增极也为SbCs材料， SK=40μA/lm，若要求入射光通量在6×10-6lm时的输出电 压幅度不低于0.2V，试设计该PMT的变换电路。若供电 电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换电路输出 信号的稳定度最高能达到多少？
解 (1) 首先计算供电电源的电压
根据题目对输出电压幅度的要求和PMT的噪声特性，可以 选择阳极电阻Ra=82kΩ，阳极电流应不小于Iamin，因此
Iamin=UO/Ra=0.2V /82 kΩ=2.439μA
入射光通量为0.6×10-6lm时的阴极电流为 IK= SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA
２.荧光分光光度计 荧光分光光度计依据生物化学，特别是分子生物 学原理。物质受到光照射，发射长波的发光，这 种光称为荧光。用光电倍增管检测荧光的强度及 光谱特性，可以定性或定量地分析样品成份。
3.拉曼分光光度计 用单色光照射物质后被散乱，这种散乱光中， 只有物质特有量的不同波长光混合在里面。这 种散乱光（拉曼光）进行分光测定，对物质进 行定性定量的分析。由于拉曼发光极其微弱， 因此检测工作需要复杂的光路系统，并且采用 单光子计数法。
由
G
(0.2)
n
U
0.7n DD
G
(0.025)
U n n DD
可以计算出UDD与Ubb。
3. 末极的并联电容
当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级
倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管 增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、 C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。
IR≥10Ia
选择的太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度升高 导致性能的降低，以至于温升太高而无法工作。
选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值R
R=Ubb/IR 各分压电阻Ri 为
而R1应为 R1=1.5 Ri 2、电源电压
Ri
(N
U bb 1.5)
IR
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。