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光电倍增管介绍
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一.光电倍增管基础知识

光电倍增管(Photomultiplier Tube,简称PMT)是一种把微弱光信号转变为电信号并加以放大的电子真空器件。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。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。该器件目前已在国民经济各个行业得到广泛应用,例如冶金、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。特别是在医疗设备方面,市场前景巨大。

目前国内主要的PMT制造企业,其PMT生产线设备陈旧、工艺落后、产品一致性差、合格率低,生产的产品属低端产品,总产量不足1万套,不能满足大批量订单需求,无法扩大产能、实现规模效益;而中高端产品全靠进口,受制于人。

二.光电倍增管较光电管光的优势:

电倍增管是进一步提高光电管灵敏度的光电转换器件。管内除光电阴极和阳极外,两极间还放置多个瓦形倍增电极。使用时相邻两倍增电极间均加有电压用来加速电子。光电阴极受光照后释放出光电子,在电场作用下射向第一倍增电极,引起电子的二次发射,激发出更多的电子,然后在电场作用下飞向下一个倍增电极,又激发出更多的电子。如此电子数不断倍增,阳极最后收集到的电子可增加 104~108倍,这使光电倍增管的灵敏度比普通光电管要高得多,可用来检测微弱光信号。光电倍增管高灵敏度和低噪声的特点使它在光测量方面获得广泛应用。

三.简要工作过程:

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。

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倍增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倍增极D1的表面上。二次发射倍增系统是最复杂的部分。倍增极主要选择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。常用的倍增极材料有锑化铯、氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等。倍增极的形状应有利于将前一级发射的电子收集到下一极。在各倍增极 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倍增极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。聚焦型的倍增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。

光电倍增管是依据光电子发射、二次电子发射和电子光学的原理制成的、透明真空壳体内装有特殊电极的器件。光阴极在光子作用下发射电子,这些电子被外电场(或磁场)加速,聚焦于第一次极。这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子,它们再被聚焦在第二次极。这样,一般经十次以上倍增,放大倍数可达到108~1010。最后,在高电位的阳极收集到放大了的光电流。输出电流和入射光子数成正比。整个过程时间约 10-8秒。还有一种利用弯曲铅玻璃管自身内部的二次电子发射构成小巧的倍增管。光电倍增管在全暗条件下,加工作电压时也会输出微弱电流,称为暗流。它主要来源于阴极热电子发射。光电倍增管有两个缺点:①灵敏度因强光照射或因照射时间过长而降低,停止照射后又部分地恢复,这种现象称为"疲乏";②光阴极表面各点灵敏度不均匀。

由于光电倍增管增益高和响应时间短,又由于它的输出电流和入射光子数成正比,所以它被广泛使用在天体光度测量和天体分光光度测量中。其优点是:测量精度高,可以测量比较暗弱的天体,还可以测量天体光度的快速变化。天文测光中,应用较多的是锑铯光阴极的倍增管,如RCA1P21。这种光电倍增管的极大量子效率在4200埃附近,为20%左右。还有一种双硷光阴极的光电倍增管,如GDB-53。它的信噪比的数值较RCA1P21大一个数量级,暗流很低。为了观测近红外区,常用多硷光阴极和砷化镓阴极的光电倍增管,后者量子效率最大可达50%。

普通光电倍增管一次只能测量一个信息,即通道数为1。近来研制成多阳极光电倍增管,它相当于许多很细的倍增管组成的矩阵。由于通道数受阳极末端细金属丝的限制,目前只做到上百个通道。