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光電倍增管介紹

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一.光電倍增管基礎知識

光電倍增管(Photomultiplier Tube,簡稱PMT)是一種把微弱光信號轉變為電信號并加以放大的電子真空器件。它利用二次電子發射使逸出的光電子倍增,獲得遠高于光電管的靈敏度,能測量微弱的光信號。它能在低能級光度學和光譜學方面測量波長200~1200納米的極微弱輻射功率。閃爍計數器的出現,擴大了光電倍增管的應用范圍。激光檢測儀器的發展與采用光電倍增管作為有效接收器密切有關。電視電影的發射和圖象傳送也離不開光電倍增管。該器件目前已在國民經濟各個行業得到廣泛應用,例如冶金、電子、機械、化工、地質、醫療、核工業、天文和宇宙空間研究等領域。特別是在醫療設備方面,市場前景巨大。

目前國內主要的PMT制造企業,其PMT生產線設備陳舊、工藝落后、產品一致性差、合格率低,生產的產品屬低端產品,總產量不足1萬套,不能滿足大批量訂單需求,無法擴大產能、實現規模效益;而中高端產品全靠進口,受制于人。

二.光電倍增管較光電管光的優勢:

電倍增管是進一步提高光電管靈敏度的光電轉換器件。管內除光電陰極和陽極外,兩極間還放置多個瓦形倍增電極。使用時相鄰兩倍增電極間均加有電壓用來加速電子。光電陰極受光照后釋放出光電子,在電場作用下射向第一倍增電極,引起電子的二次發射,激發出更多的電子,然后在電場作用下飛向下一個倍增電極,又激發出更多的電子。如此電子數不斷倍增,陽極最后收集到的電子可增加 104~108倍,這使光電倍增管的靈敏度比普通光電管要高得多,可用來檢測微弱光信號。光電倍增管高靈敏度和低噪聲的特點使它在光測量方面獲得廣泛應用。

三.簡要工作過程:

當光照射到光陰極時,光陰極向真空中激發出光電子。這些光電子按聚焦極電場進入倍增系統,并通過進一步的二次發射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。因為采用了二次發射倍增系統,所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區的輻射能量的光電探測器中,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快速、成本低、陰極面積大等優點。

基于外光電效應和二次電子發射效應的電子真空器件。它利用二次電子發射使逸出的光電子倍增,獲得遠高于光電管的靈敏度,能測量微弱的光信號。光電倍增管包括陰極室和由若干倍增極組成的二次發射倍增系統兩部分(見圖)。陰極室的結構與光陰極K的尺寸和形狀有關,它的作用是把陰極在光照下由外光電效應(見光電式傳感器)產生的電子聚焦在面積比光陰極小的第一倍增極D1的表面上。二次發射倍增系統是最復雜的部分。倍增極主要選擇那些能在較小入射電子能量下有較高的靈敏度和二次發射系數的材料制成。常用的倍增極材料有銻化銫、氧化的銀鎂合金和氧化的銅鈹合金等。倍增極的形狀應有利于將前一級發射的電子收集到下一極。在各倍增極 D1、D2、D3…和陽極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使二次發射系數大于1。這樣,光陰極發射的電子在D1電場的作用下以高速射向倍增極D1,產生更多的二次發射電子,于是這些電子又在D2電場的作用下向D2飛去。如此繼續下去,每個光電子將激發成倍增加的二次發射電子,最后被陽極收集。電子倍增系統有聚焦型和非聚焦型兩類。聚焦型的倍增極把來自前一級的電子經倍增后聚焦到下一級去,兩極之間可能發生電子束軌跡的交叉。非聚焦型又分為圓環瓦片式(即鼠籠式)、直線瓦片式、盒柵式和百葉窗式。

光電倍增管是依據光電子發射、二次電子發射和電子光學的原理制成的、透明真空殼體內裝有特殊電極的器件。光陰極在光子作用下發射電子,這些電子被外電場(或磁場)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,它們再被聚焦在第二次極。這樣,一般經十次以上倍增,放大倍數可達到108~1010。最后,在高電位的陽極收集到放大了的光電流。輸出電流和入射光子數成正比。整個過程時間約 10-8秒?;褂幸恢擲猛淝ΣAЧ蘢隕砟誆康畝蔚繾臃⑸涔鉤尚∏傻謀對齬?。光電倍增管在全暗條件下,加工作電壓時也會輸出微弱電流,稱為暗流。它主要來源于陰極熱電子發射。光電倍增管有兩個缺點:①靈敏度因強光照射或因照射時間過長而降低,停止照射后又部分地恢復,這種現象稱為"疲乏";②光陰極表面各點靈敏度不均勻。

由于光電倍增管增益高和響應時間短,又由于它的輸出電流和入射光子數成正比,所以它被廣泛使用在天體光度測量和天體分光光度測量中。其優點是:測量精度高,可以測量比較暗弱的天體,還可以測量天體光度的快速變化。天文測光中,應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?;褂幸恢炙錒庖跫墓獾綾對齬?如GDB-53。它的信噪比的數值較RCA1P21大一個數量級,暗流很低。為了觀測近紅外區,常用多鹼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50%。

普通光電倍增管一次只能測量一個信息,即通道數為1。近來研制成多陽極光電倍增管,它相當于許多很細的倍增管組成的矩陣。由于通道數受陽極末端細金屬絲的限制,目前只做到上百個通道。

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