光電倍增管

　　閃爍計(jì)數(shù)器的出現(xiàn)，擴(kuò)大了光電倍增管的應(yīng)用范圍。激光檢測(cè)儀器的發(fā)展與采用光電倍增管作為有效接收器密切有關(guān)。電視電影的發(fā)射和圖象傳送也離不開光電倍增管。光電倍增管廣泛地應(yīng)用在冶金、電子、機(jī)械、化工、地質(zhì)、醫(yī)療、核工業(yè)、天文和宇宙空間研究等領(lǐng)域。（《中國(guó)大百科全書·電子學(xué)與計(jì)算機(jī)》）

　　原理

　　光電倍增建立在外光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上，結(jié)合了高增益、低噪聲、高頻率響應(yīng)和大信號(hào)接收區(qū)等特征，是一種具有極高靈敏度和超快時(shí)間響應(yīng)的光敏電真空器件，可以工作在紫外、可見和近紅外區(qū)的光譜區(qū)。日盲紫外光電倍增管對(duì)日盲紫外區(qū)以外的可見光、近紫外等光譜輻射不靈敏，具有噪聲低（暗電流小于1nA）、響應(yīng)快、接收面積大等特點(diǎn)。

　　光電倍增管示意圖photomultiplier （tube）

　　過(guò)程

　　當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過(guò)進(jìn)一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽(yáng)極收集作為信號(hào)輸出。因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測(cè)紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測(cè)器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點(diǎn)。

　　基于外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)的電子真空器件。它利用二次電子發(fā)射使逸出的光電子倍增，獲得遠(yuǎn)高于光電管的靈敏度，能測(cè)量微弱的光信號(hào)。光電倍增管包括陰極室和由若干打拿極組成的二次發(fā)射倍增系統(tǒng)兩部分（見圖）。陰極室的結(jié)構(gòu)與光陰極K的尺寸和形狀有關(guān)，它的作用是把陰極在光照下由外光電效應(yīng)（見光電式傳感器）產(chǎn)生的電子聚焦在面積比光陰極小的第一打拿極D1的表面上。二次發(fā)射倍增系統(tǒng)是最復(fù)雜的部分。打拿極主要由那些能在較小入射電子能量下有較高的靈敏度和二次發(fā)射系數(shù)的材料制成。常用的打拿極材料有銻化銫、氧化的銀鎂合金和氧化的銅鈹合金等。打拿極的形狀應(yīng)有利于將前一級(jí)發(fā)射的電子收集到下一極。在各打拿極 D1、D2、D3…和陽(yáng)極A上依次加有逐漸增高的正電壓，而且相鄰兩極之間的電壓差應(yīng)使二次發(fā)射系數(shù)大于1。這樣，光陰極發(fā)射的電子在D1電場(chǎng)的作用下以高速射向打拿極D1，產(chǎn)生更多的二次發(fā)射電子，于是這些電子又在D2電場(chǎng)的作用下向D2飛去。如此繼續(xù)下去，每個(gè)光電子將激發(fā)成倍增加的二次發(fā)射電子，最后被陽(yáng)極收集。電子倍增系統(tǒng)有聚焦型和非聚焦型兩類。聚焦型的打拿極把來(lái)自前一級(jí)的電子經(jīng)倍增后聚焦到下一級(jí)去，兩極之間可能發(fā)生電子束軌跡的交叉。非聚焦型又分為圓環(huán)瓦片式（即鼠籠式）、直線瓦片式、盒柵式和百葉窗式。

　　光電倍增管是依據(jù)光電子發(fā)射、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)的原理制成的、透明真空殼體內(nèi)裝有特殊電極的器件。光陰極在光子作用下發(fā)射電子，這些電子被外電場(chǎng)（或磁場(chǎng)）加速，聚焦于第一次極。這些沖擊次極的電子能使次極釋放更多的電子，它們?cè)俦痪劢乖诘诙螛O。這樣，一般經(jīng)十次以上倍增，放大倍數(shù)可達(dá)到108～1010。最后，在高電位的陽(yáng)極收集到放大了的光電流。輸出電流和入射光子數(shù)成正比。整個(gè)過(guò)程時(shí)間約 10-8秒。還有一種利用彎曲鉛玻璃管自身內(nèi)部的二次電子發(fā)射構(gòu)成小巧的倍增管。光電倍增管在全暗條件下，加工作電壓時(shí)也會(huì)輸出微弱電流，稱為暗流。它主要來(lái)源于陰極熱電子發(fā)射。光電倍增管有兩個(gè)缺點(diǎn)：①靈敏度因強(qiáng)光照射或因照射時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而降低，停止照射后又部分地恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱為“疲乏”；②光陰極表面各點(diǎn)靈敏度不均勻。

　　倍增方式光

　　電倍增管倍增方式又分打拿極和MCP兩種。

　　打拿極型

　　打拿極型光電倍增管由光陰極、倍增級(jí)和陽(yáng)極等組成，由玻璃封裝，內(nèi)部高真空，其倍增級(jí)又由一系列倍增極組成，每個(gè)倍增極工作在前級(jí)更高的電壓下。打拿極型光電倍增管接收光方式分端窗和側(cè)窗兩種。

　　打拿極型光電倍增管的工作原理：光子撞擊光陰極材料，克服了光陰極的功函數(shù)后產(chǎn)生光電子，經(jīng)電場(chǎng)加速聚焦后，帶著更高的能量撞擊第一級(jí)倍增管，發(fā)射更多的低能量的電子，這些電子依次被加速向下級(jí)倍增極撞擊，導(dǎo)致一系列的幾何級(jí)倍增，最后電子到達(dá)陽(yáng)極，電荷累計(jì)形成的尖銳電流脈沖可表征輸入的光子。

　　MCP型

　　MCP型光電倍增管均為端窗光電倍增管，適于受照面積大的應(yīng)用。典型MCP光電倍增管的組成包括入光窗、光陰極、電子倍增極和電子收集極（陽(yáng)極）等。

　　運(yùn)行特性

　　1.穩(wěn)定性

　　光電倍增管的穩(wěn)定性是由器件本身特性、工作狀態(tài)和環(huán)境條件等多種因素決定的。管子在工作過(guò)程中輸出不穩(wěn)定的情況很多，主要有：

　　a.管內(nèi)電極焊接不良、結(jié)構(gòu)松動(dòng)、陰極彈片接觸不良、極間尖端放電、跳火等引起的跳躍性不穩(wěn)現(xiàn)象，信號(hào)忽大忽小。

　　b.陽(yáng)極輸出電流太大產(chǎn)生的連續(xù)性和疲勞性的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

　　c.環(huán)境條件對(duì)穩(wěn)定性的影響。環(huán)境溫度升高，管子靈敏度下降。

　　d.潮濕環(huán)境造成引腳之間漏電，引起暗電流增大和不穩(wěn)。

　　e.環(huán)境電磁場(chǎng)干擾引起工作不穩(wěn)。

　　2.極限工作電壓

　　極限工作電壓是指管子所允許施加的電壓上限。高于此電壓，管子產(chǎn)生放電甚至擊穿。

　  應(yīng)用

　　由于光電倍增管增益高和響應(yīng)時(shí)間短，又由于它的輸出電流和入射光子數(shù)成正比，所以它被廣泛使用在天體光度測(cè)量和天體分光光度測(cè)量中。其優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量精度高，可以測(cè)量比較暗弱的天體，還可以測(cè)量天體光度的快速變化。天文測(cè)光中，應(yīng)用較多的是銻銫光陰極的倍增管，如RCA1P21。這種光電倍增管的極大量子效率在4200埃附近，為20%左右。還有一種雙堿光陰極的光電倍增管，如GDB-53。它的信噪比的數(shù)值較RCA1P21大一個(gè)數(shù)量級(jí)，暗流很低。為了觀測(cè)近紅外區(qū)，常用多堿光陰極和砷化鎵陰極的光電倍增管，后者量子效率最大可達(dá)50%。

　　普通光電倍增管一次只能測(cè)量一個(gè)信息，即通道數(shù)為1。矩陣。由于通道數(shù)受陽(yáng)極末端細(xì)金屬絲的限制，只做到上百個(gè)通道。