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PMT=photomultiplier tube 光电倍增管

来源:未知 时间:2012-10-15 12:00 点击:

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。PMT=photomultiplier tube 光电倍增管

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。图1所示为端窗型光电倍增管的剖面结构图。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。

光电倍增管的类型

  1.1 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(side-on)两大类。 

  侧窗型光电倍增管是从玻璃壳的侧面光窗接收入射光,而端窗型光电倍增管则从玻璃壳的顶部入射光窗接收射光。图2和图3分别是侧窗式光电倍增管和端窗式光电倍过管的外形图。 

  在通常情况下,侧窗型光电倍增管的单价比较便宜(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。

     1.2 按电子倍增系统分类 

  普遍的光电倍增管分为以下6种倍增结构: 

  1 直线聚焦型 快速时间相应,时间分辨率,均匀性 

  2 环形聚焦型 小型紧凑,快速时间响应 

  3 盒栅型 高收集效率,均匀性好 

  4 百叶窗型 收集效率高 

  5 细网型 非常好的均匀性,可用于位置探测 

  6 微通道板型(MCP) 超高速时间相应和抗磁性能 

  光电倍增管之所以具有优异的灵敏度(高电流放大和高信噪比),主要得益于基于多个排列的二次电子发射系统的使用。它可使电子在低噪声条件下得到倍增。电子倍增系统,包括8~19极的叫做打拿极或倍增极的电极。

使用特性

  2.1 光谱响应 

  光电倍增管由阴极收入射光子的能量并将其转换为光子,其转换效率(阴极灵敏度)随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。 

  一般情况下,光谱响应特性的长波段取决于光阴极材料,短波段则取决于入射窗材料。 

  光电倍增管的阴极一般都采用具有低逸出功能的碱金属材料所形成的光电发射面。 

  光电倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃(UV玻璃)、合成石英玻璃和氟化镁(或镁氟化物)玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透过近红外至300nm垢可见入射光,而其它3种玻璃材料则可用于对紫外区不可见光的探测。 

  2.2 光照灵敏度 

  由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要精密的测试系统和很长的时间,因此,要为用户提供每一支光电倍增管的光谱响应特性曲线是不现实的,所以,一般是为用户提供阴极和阳极的光照灵敏度。 

  阴极光照灵敏度,是指使用钨灯产生的2856K色温光测试的每单位通量入射光产生的阴极光电子电流。阳极光照灵敏度是每单位阴极上的入射光能量产生的阳极输出电流(即经过二次发射极倍增的输出电流)。 

  2.3 收集效率 

  收集效率对光电倍增管的灵敏度起到很大的作用,收集效率好的光电倍增管探测效率更高。 

  2.4 电流放大(增益) 

  光阴极发射出来的光电子被电场加速后撞击到第一倍增极上将产生二次电子发射,以便产生多于光电子数目的电子流,这些二次发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极,以产生又一次的二次电子发射,连续地重复这一过程,直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集,这样就达到了电流放大的目的。这时光电倍增管阴极产生的很小的光电子电流即被放大成较大的阳极输出电流。 

  一般的光电倍增管有9~12个倍增极。 

  2.5 阳极暗电流 

  光电倍增管在完全黑暗的环境下仍有微小的电流输出。这个微小的电流叫做阳极暗电流。它是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素之一。

   暗电流的形成因素主要有3种:
   1 热电子发射 

  2 漏电电流 

  3 工作电压过高时的场致发射 

  这些在使用中应得到注意,应保证环境温度的稳定,并且不会过高;隔绝强电磁场干扰;保持低湿度及管脚表面清洁。


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