光电倍增管工作原理

(4)電磁屏蔽法 (5)磁場散焦法
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四、噪聲
光電倍增管的雜訊主要有光電元件本身的散粒雜訊、閃爍雜訊以及負 載電阻的熱雜訊等。
1.散粒雜訊
光電陰極發射的平均電流由信號電流和暗電流組成，即(4.16)
如前所述，IKS=Φ．SK，而由熱電子發射、漏電流、離子發射、玻璃 閃爍和場效發射等因素造成的。由陰極電流產生的散粒雜訊(4.17)
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1.入射窗口和光電陰極結構
光電倍增管通常有側窗和端窗兩種形式，如圖4-8所示。側窗型光電 倍增管是透過管殼的側面接收入射光，而端窗式光電倍增管是透過管 殼的端面接收入射光。側窗式光電倍增管一般使用反射式光電陰極， 而且大多數採用鼠籠式倍增極結構，如圖4-9⒜所示。
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端窗式光電倍增管通常使用半透明光電陰極，光電陰極材料沉積在入 射窗的內側面。如圖4-9⒝所示。
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圖4-19表示幾種陰極材料的光 電倍增管陽極暗電流的溫度特 性。Ag-O-Cs光電陰極的熱電 子發射電流較大，常溫下比多 鹼光電陰極要大兩個數量級。 紫外光電陰極（Cs-Te、Cs-I） 的熱電子發射是最小的。
降低熱發射電流的有效方法是 降低光電倍增管的工作溫度。 從圖4-19可見，當將光電倍增 管冷卻到20℃時能有效地減少 熱發射電流。
光電倍增管的短波靈敏度一般受窗口材料限制。常用的窗口材料 有下列幾種：
(1)硼矽玻璃 (2)透紫外玻璃 (3)熔融石英（熔融二氧化矽） (4)藍寶石 (5)MgF2
圖4-10是常用幾種窗口 材料的光譜透射比曲線。 光電倍增管的光譜響應 特性主要由窗口材料和 光電陰極材料決定，因 此在使用時應根據窗口 和陰極材料的特性，選 擇相應的管子。
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(2)極間漏電流(3)Βιβλιοθήκη 餘氣體的離子發射(4)玻璃閃爍
(5)場致發射
從上述暗電流產生的原 因可見，它與電源電壓 有密切關係，如圖4-20 所示。在低電壓時，暗 電流由漏電流決定；電 壓較高時，主要是熱電 子發射；電壓再大，則 導致場效發射和殘餘氣 體離子發射，使暗電流 急遽增加，甚至可能發 生自持放電。實際使用 中，為了得到比較高的 訊噪比S/N，所加的電源 電壓必須適當，一般工 作在圖4-20的b段。
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將（4.9）式代入上述式子中，再假定倍增管均勻分壓，級間電壓Vd 相等，那麼放大倍數與光電倍增管所加電壓V的關係為(4.12)
從上式可知，光電倍增管的放大倍數和陽極輸出電流隨所加電壓的次 方指數變化。因此，在使用光電倍增管時，為了使輸出電流穩定，所 加電壓應保持穩定。可作如下計算：(4.13)
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圖4-4⒜分別表示p型Si和n型CsO兩種材料的能帶圖。
本來p型Si的發射臨界值是，電子受光激發進入導電帶後需克服 親和力才能游離出表面。現在由於表面存在n型薄層，使耗盡區 的電位下降，表面電位降低。光電子在表面附近受到耗盡區內建 電場的作用，從Si的導電帶底部漂移到表面CsO的導帶底部。此 時，電子只需克服就能游離出表面。對於p型Si的光電子需克服 的有效親和力為(4.2)
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(1)量子效率高 (2)光譜響應延伸到紅外、光譜響應率均勻
由（3.74）式可知，正電子親和力光電陰極的臨界值波長為(4.3)
而負電子親和力光電陰極的臨界值波長為(4.4)
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(3)熱電子發射小
(4)光電子的能量集中
實用的負電子親和力光 電陰極有GaAs、 InGaAs、GaAsP等，其 光譜響應曲線如圖4-5所 示。
一般情況下，9∼12，因此得出電壓的穩定度應比測量精度高一個數 量級的結論。例如測量精度為1%，所加電源電壓的穩定度應為0.1%。
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三、暗電流
1.暗電流的組成
(1)熱電子發射 熱電子發射是光電倍增管暗電流的主要部分，根據W. Richardson的 研究顯示，熱發射電流與溫度和游離能的關係：(4.14)
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實用光電倍增管的陰極光譜響應特性如圖4-11和表4-1所示。
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2.電子光學系統
下面介紹幾種典型的結構和性能。 圖4-12⒜是最簡單的電子光學系統。 圖⒜中：
1是光電陰極； 2是與光電陰極同電位的金 屬筒或鍍在玻璃殼上的金屬 導電層； 3是帶孔膜片； 4是第一倍增極。
4.1 光電陰極
一、光電陰極的主要參數
1.靈敏度
(1)光照靈敏度
(2)色光靈敏度
(3)光譜靈敏度 就是局部光譜區域的積分 靈敏度。它表示在某些特 定的波長區，通常用特性 已知的濾光片（藍色為 QB24、紅色為HB11、紅 外為HWB3）插入光路， 然後測得的光電流與未插 入濾光片時陰極所受光照 的光通量之比。根據插入 濾光片的光譜透射比的不 同（圖4-1），它又分別稱 為藍光靈敏度、紅光靈敏 度及紅外靈敏度。
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2.量子效率
量子效率和光譜靈敏度是一個物理量的兩種表示方法。它們之間的關 係如下(4.1)：
式中λ單位為nm；S(λ) 為光譜靈敏度，單位為 A/W。
3.光譜響應曲線
光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的關係曲線，稱為 光譜響應曲線。真空光電元件中的長波靈敏度極限，主要由光電陰極 材料的截止波長決定。
4.2 光電管與光電倍增管的工作原理
一、光電管
光電管主要由光電陰極和陽 極兩部分組成，因管內有抽 成真空或充入低氣壓惰性氣 體的不同，所以有真空型和 充氣型兩種。它的工作電路 如圖4-6所示，陰極和陽極之 間加有一定的電壓，且陽極 接正，陰極接負。
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二、光電倍增管
光電倍增管是一種真空光電 元件，它主要由光入射窗口、 光電陰極、電子光學系統、 倍增極和陽極組成，如圖4-7 ⒜所示。
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4.陽極
陽極結構比倍增極系統簡單得多，它的作用是接收從末級倍增極發 射出的二次電子，通過引線向外輸出電流。對於陽極的結構要求具 有較高的電子收集率，能承受較大的電流密度，並且在陽極附近的 空間不致產生空間電荷效應。此外，陽極的輸出電容要小，即陽極 與末級倍增極及與其它倍增極間的電容要很小，因此目前陽極廣泛 採用柵網狀結構。
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2.陰極光照靈敏度
由4.1節中的定義可知，若入射到光電陰極面上的光通量為，陰極輸 出的光電流為，那麼陰極的光照靈敏度為(4.6) 光電倍增管陰極光照靈敏度的測量原理如圖4-17所示。
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設光源的發光強度為，光電陰極面的面積為A， 陰極面離光源的距離為。光電倍增管接收到 的光通量(4.7) 由（4.6）式可算出陰極光照靈敏度
於是，作為第一倍增極的一次電流將等於信號電流和雜訊電流之和， 即(4.18)
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假定通過每一倍增極的倍增系均為，那麼經過第一倍增極的放大，陰 極發射的平均電流放大到，而雜訊將由二部分組成，一部分是由產生 的新雜訊源，另一部分是原有雜訊的放大，於是第一倍增極後電流中 的雜訊
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三、單鹼銻化物光電陰極
銻銫陰極的典型光譜響應曲線如圖4-3所示。
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它在可見光的短波區和近紫外區（0.3∼0.45μm）響應度最高，其 量子效率可達25%，截止波長在0.65μm附近；它的典型光照靈敏 度達60μA/lm，比銀氧銫陰極高得多。CsSb陰極的熱電子發射（約 10A/cm）和疲勞特性均優於銀氧銫陰極，而且製造技術簡單，目 前使用比較普遍。
2.減少暗電流方法
(1)直流補償 暗電流的直流補償方法如圖4-21所示，
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在光電倍增管輸出陽極回路中加上與暗電流方向相反的直流成分， 以補償暗電流的影響。圖中，補償電流(4.15)
(2)選頻和鎖相放大 (3)致冷
通常光電倍增管的工作 電壓為600∼1300V，由 圖4-20可知，熱電子發 射是暗電流的主要成分。
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常用的倍增極材料有：
(1)複雜的半導體型 (2)合金型 (3)負電子親和力型
圖4-14是幾種倍增極材料的二次電子發射特性曲線。
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(2)倍增極結構 根據電子倍增極的結構形式，目 前光電倍增管分成六種形式，如 圖4-15所示。
(1)鼠籠式 (2)直線聚焦式 (3)盒柵式 (4)百葉窗式 (5)近貼柵網式 (6)微通道板式
光電倍增管的工作原理如圖 4-7⒝所示。
為了使光電子能有效地被各 電極收集並通過各倍增極倍 增，陰極與第一倍增極、各 倍增極之間以及末級倍增極 與陽極之間都必須施加一定 的電壓。最普通的形式是外 接一系列電阻，在陰極和陽 極之間加上適當的高壓，陰 極接負，陽極接正，使各電 極之間獲得一定的偏壓，如 圖4-7⒝。
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圖4-12⒞所示的是性能最 好的一種結構，它採用了 球面形光電陰極，並附加 了3個圓筒形電極。此時， 陰極表面電位分布比較均 勻，而且從陰極中心和邊 緣發射的電子的軌跡長度 相差甚小，可使穿越時間 的離散性接近於零。
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3.電子倍增極
(1)二次電子發射 不同材料的二次電子發射能力是不一樣的。為表 徵材料的這種能力，通常把二次發射的電子數與 入射的一次電子數的比值定義為該材料的二次發 射係數σ，即(4.5) 材料的二次發射係數隨一次電子的能量不同而改變，圖4-13表 示與的一般關係。開始時隨的增大而增大，直到達到最大值， 隨後若繼續增大，的值卻反而減小。
如果光電倍增管有級倍增極，那麼光電陰極發射的光電流經過各級倍 增極倍增後，從陽極輸出的電流(4.10)
式中ε0為電子光學系統的收集率； ε1、 ε2 … εn和 σ1、 σ2 … σn分別 為第1、2、…n級倍增極的電子收集率和二次電子發射係數。同時， 假定陽極電子收集率為1，如果各倍增極的ε和σ均相等，那麼光電倍 增管的放大倍數(4.11)
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在圖4-12(b)系統中約為10ns，為 了使小型光電倍增管的倍增極合理 安排在管殼內（具有對稱性），充 分利用玻璃管內的空間，同時保證 有高的電子收集率，可採用圖4-12 ⒝所示電子光學系統。圖中增加了 斜劈式圓柱筒電極4，該電極固定 在偏心的帶孔膜片上，其軸線與陰 極的軸線之間的夾角常取20°。這種 結構的性能與前者相近。