光电倍增管知识讲解

光电倍增管

附录二光电倍增管

K——光阴极；F——聚焦极；D1～D10——打拿极；A——阳极。

光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系统及阳极组成，并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极──打拿极(又称“倍增极”)──阳极之间建立一个电位分布。光辐射照射到阴极时，由于光电效应，阴极发射电子，把微弱的光输入转换成光电子；这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦，光电子在电子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极，产生二次电子，由于二次发射系数大于1，电子数得到倍增。以后，电子再经倍增系统逐级倍增，阳极收集倍增后的电子流并输出光电流信号，在负载电阻上以电压信号的形式输出。

根据打拿极的几何形状和排列方式，光电倍增管分为聚焦型(环状、直线)和非聚焦型(百叶窗式、盒栅式)。本装置采用百叶窗式光电倍增管，过去采用

GDB44F 型，现采用GDB43型。其优点为脉冲幅度分辨率较好，适用闪烁能谱测量。

它的主要指标应该包括以下几方面：光电转换特性、电子倍增特性、噪声或暗电流、时间特性等；在此主要介绍光电转换特性和电子倍增特性。 1. 光电转换特性——光阴极的光谱响应和灵敏度

光阴极是接收光子并放出光电子的电极，一般是在真空中把阴极材料蒸发在光学窗的内表面上，形成半透明的端窗阴极；光阴极材料的品种有数十种，但最常用的只是五、六种，如锑铯化合物等。一般光电倍增管光阴极前的光学窗有两种：硼玻璃窗或石英窗，前者适用于可见光，后者可透过紫外光。光阴极受到光照射后发射光电子的几率是波长的函数，称为光谱响应。在长波端的响应极限主要由光阴极材料的性质决定，而短波端的响应主要受入射窗材料对光的吸收所限制。了解光电倍增管的光谱响应特性有利于正确选择不同管子使之与闪烁体的发射光谱相匹配。

在实际应用中，光电转换特性通常使用另一个宏观定义，即一定通量F 的白光照射阴极所能获得的光电子流（i k ）称为光阴极光照灵敏度：

k

k i S F （1）

其中i k 单位为微安；F 为光通量，单位为“流明”(lm)。

2. 电子倍增特性——光电倍增管的放大倍数及阳极灵敏度

1) 光电倍增管的放大倍数（增益）M

由于打拿极的倍增作用，从光阴极发射出来的电子不断被倍增，最后可在阳极上得到大量电子。从光阴极射出，到达第一打拿极的一个电子，经过多次倍增后在阳极得到的电子数，称为光电倍增管电流放大倍数（增益）。

M =阳极接收到的电子数第一打拿极收集到的电子数

在理想情况下一般可写成：

n M δ= （2）

式中δ是平均二次发射系数，n 为打拿极的级数。二次发射系数δ是极间电压的函数，可用经验公式表示：

()b D a V δ= （3）

其中V D 为打拿极之间的电压，a 、b 为经验常数。

如果打拿极电子传递效率为g ，那么增益M 比较实际的表达式可写成：

()n M g δ= （4）

对设计良好的聚焦型管子g 约等于1，对非聚焦型管子g<1。

2) 阳极光照灵敏度S

放大倍数是光电倍增管的重要参数之一，但往往有些技术说明书不直接给出它的数值，而是在给出光阴极光照灵敏度S k 的同时，给出光电倍增管的“阳极光照灵敏度”S a ，它们之间的关系是：

a a c k i S g MS F

==阳极电流入射到阴极的光通量 （5） 其中S a 的单位为A/lm ，g c 为第一打拿极对光电子的收集效率。阳极光照灵敏度的物理意义是：当一个流明的光通量照在光阴极上时，在光电倍增管阳极上输出的电流（阳极电流）i a 的数值。

当入射光通量F 增大时，阳极电流i a 在相当宽的范围内是线性增大的；但F 太大时，就出现偏离线性。原因之一是打拿极发射二次电子疲劳，使放大倍数减小；其二是最后几级打拿极和阳极上有空间电荷堆积；也有可能是分压电阻选