光的探測(cè)及光電倍增管的選擇

■引言對(duì)于“光信號(hào)”的探測(cè)要得到比較滿意的結(jié)果，首先要選擇合適測(cè)量方法，其次需正確選擇光探測(cè)器－光電倍增管，恰當(dāng)?shù)靥暨m它的工作狀態(tài)、注意光電倍增管輸出的傳輸方式、提高信噪比、注意環(huán)境條件的影響。光的探測(cè)及光電倍增管的選擇這里著重介紹三個(gè)部分：■第一部分光的探測(cè)■第二部分光電倍增管的選擇■第三部分使用中幾個(gè)問題第一部分光的探測(cè)光的世界，五彩繽紛、燦爛奪目，令人神往。“光是制造物質(zhì)的粘合劑”。(物質(zhì)之光)“光是向電子提供能量并控制其軌道”。

(電子之光)“光是控制著細(xì)胞新陳代謝，支配著細(xì)胞與細(xì)胞間的信息傳遞和功能調(diào)節(jié)”。

(生命之光)“光是探索人類、未知未踏領(lǐng)域的“關(guān)鍵因素”第一部分光的探測(cè)第一部分光的探測(cè)

■“電荷積分法”

(即將各個(gè)光電子產(chǎn)生的陽(yáng)極脈沖進(jìn)積分，用陽(yáng)極輸出電流大小來表征光的輻射通量)“電荷積分法”▲直流法－是將光電倍增管輸出信號(hào)的直流成份，通過放大器低通帶濾波器的檢測(cè)方法(適用于光較強(qiáng)探測(cè))?！半姾煞e分法”

▲

交流法－是將光電倍增管輸出信號(hào)，通過電容只取交流成份，或?qū)⒐庑盘?hào)調(diào)制成一定頻率的調(diào)制光，再用交流放大器(鎖相放大器)的檢測(cè)方法(適用于光較弱探測(cè))“電荷積分法”對(duì)光電倍增管的要求是：●穩(wěn)定性高●暗電流小●伩噪比高●寬光譜(紫外～紅外)●滯后低在光分析儀器常采用“電荷積分法”該應(yīng)用里常采用的石英玻璃窗和多堿側(cè)窗型、端窗型光電倍增管。

光子計(jì)數(shù)法■光子計(jì)數(shù)法－是把光電倍增管的輸出脈沖經(jīng)過放大、幅度甄別，對(duì)幅度在某一甄別電壓以上的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法(適用于極微弱光探測(cè))。

光子計(jì)數(shù)法特點(diǎn)是：

▲有很高的信噪比。在極弱光測(cè)量時(shí)，比測(cè)量電流法高5-10倍。

▲可以探測(cè)極低的輻射通量，可探測(cè)到1x10-18w

或更低

▲有很高的穩(wěn)定性。

光子計(jì)數(shù)法

▲有很寬的動(dòng)態(tài)范圍

▲本底-計(jì)數(shù)可以很方便從二次測(cè)量之差方法扣除

▲消除了漏電流的影響

▲便于數(shù)據(jù)處理

光子計(jì)數(shù)法

對(duì)光電倍增管特性的要求是：▲單光電子分辨率要高▲暗脈沖計(jì)數(shù)少▲增益大(一般要求G＞1X106)

在生物、化學(xué)發(fā)光及生命科學(xué)等微弱中探測(cè)中常用“光子計(jì)數(shù)法”。時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)激光器的驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)延遲后，作為時(shí)幅變換器開始信號(hào)，光電倍增管的輸出信號(hào)作為時(shí)---幅變換器停止信號(hào)，利用多道脈沖分析器而獲得樣品光的發(fā)射的波形?！澳茏V分析法”通過光電倍增管探測(cè)射線+閃爍體的“簡(jiǎn)接發(fā)光”確定樣品中的射線及活度。如γ、α、康普頓譜儀。第二部分光電倍增管的選擇選擇光電倍增管的原則是：

■入射光波長(zhǎng)

■光的強(qiáng)度

■光束直徑

■光的速度光電陰極◆原則：選擇的光陰極的光譜響應(yīng)應(yīng)與待測(cè)光的光譜相似。光電陰極的初步選擇要考慮

▲窗材料

▲陰極材料

▲陰極大小

▲陰極形式

▲光電參數(shù)窗材料

常用的窗材料有：

★硼硅玻璃（300nm）★透紫玻璃（185nm）★合成（熔融）石英（160nm）★藍(lán)寶石(Al2O3)150nm★MgF2（115nm）

光電倍增管的短波閾由窗材料決定

光陰極材料

★Sb－Cs

特點(diǎn)是：◎陰極電阻低、允許強(qiáng)光下有大電流流過陰極的場(chǎng)合下工作

★雙堿-BA(Sb－Rb－Cs、Sb－K－Cs)

特點(diǎn)是：◎靈敏度較高◎暗電流?。瓱犭娮影l(fā)射小光陰極材料★高溫雙堿(Sb-K-Na)

特點(diǎn)是：◎耐高溫－200℃

★多堿(Sb-K-Na-Cs)

特點(diǎn)是：◎?qū)捁庾V◎靈敏度高光陰極材料

★Ag-O-Cs

特點(diǎn)是：◎光譜可到近紅外◎靈敏度低

★GaAs(砷化鎵)

特點(diǎn)是：◎高靈敏◎光譜平坦◎強(qiáng)光下容易引起靈敏度變壞光陰極材料

★Cs-I

特點(diǎn)是：◎日盲◎在115nm的短波也有高的靈敏度

★Cs-Te

特點(diǎn)是：◎日盲◎陰極面透過型和反射型光陰極材料

常用的陰極材料有：▲銻絕（SbCs）－650nm▲銻鉀絕（SbKCs）－650nm▲銻鉀鈉（SbKNa）－650nm▲銻鉀鈉絕（SbKCsNa）－850nm

光電倍增管光譜長(zhǎng)波閾由陰極材料決定。陰極形式▲半透明陰極(入射光方向與電子運(yùn)動(dòng)方向一致)－－端窗光電倍增管?！穸舜肮芴攸c(diǎn)：▲A陰極面積變化范圍大：

(直徑從10—200mm)?！鳥陰極均勻性好，與光信號(hào)耦耦合好▲C陰極電阻率高。▲D磁場(chǎng)效應(yīng)大。

陰極形式▲不透明光電陰極(入射光方向與電子運(yùn)動(dòng)方向一致)－－側(cè)窗光電倍增管

●側(cè)窗管特點(diǎn)：▲A陰極電阻率低▲B磁場(chǎng)效應(yīng)小▲C陰極均勻性差▲D與光耦合較差一般光度學(xué)、光譜儀應(yīng)用的光電倍增管大多數(shù)都選用不透明陰極的側(cè)窗光電倍增管

陰極大小

陰極大小的選擇取決于：光信號(hào)束的大小。

光電陰極極選擇舉例：

■對(duì)800nm左右紅外光譜，Ag-O-CS不是唯一的，而GaAs、InGaAs是候選者

■在光譜學(xué)應(yīng)用：S-20(Sb-K-Na-Cs)是優(yōu)選者

■譜特性與人眼睛靈敏度配合最好的是Bi-Ag-O-Cs、Sb-Rb-Cs

■對(duì)探測(cè)紫外輻射，陰極的選擇取決于特定要求：如要求紫外—可見區(qū)都靈敏度(S-20)陰極是最適合；就“日盲”而言要求光譜在300nm以下，則用CsI陰極。

■為了在火箭和人造衛(wèi)星上研究宇宙中的太陽(yáng)輻射最合適的窗材料是MgF2，可到115nm。倍增系統(tǒng)光電倍增管的增益、線性、時(shí)間特性由倍增系統(tǒng)決定。一個(gè)倍增系統(tǒng)通常包括三個(gè)部分：

▲結(jié)構(gòu)形式

▲倍增極級(jí)數(shù)

▲倍增極材料。結(jié)構(gòu)形式▲環(huán)形聚焦型（C.C）

特點(diǎn)：

■小型緊湊

■時(shí)間響應(yīng)特性也

代表管型：側(cè)窗型和小型的部分端窗管如R1051P21R212CR131R5610R1705R980。結(jié)構(gòu)形式▲盒柵型（BG）特點(diǎn)：■光電子收集效率高■均勻性好?！龃砉苄停篟228R550CR110CR119（R1307）CR105結(jié)構(gòu)形式▲直線聚焦型（L）

特點(diǎn)：■時(shí)間響應(yīng)好（快速）■時(shí)間分辨率好■脈沖均勻性好代表管型：（端窗管型）R329R331R580CR166CR115結(jié)構(gòu)形式

▲百葉窗型（VB）

特點(diǎn)■第一倍增極的有效面積大，易制成較大陰極的PMT■耐磁牲好、■輸出電流大、■增益高代表管型：R1513R887EMI9635QB等結(jié)構(gòu)形式▲細(xì)網(wǎng)型（FM）

特點(diǎn)：■耐磁性能好（強(qiáng)磁場(chǎng)下工作）■均勻性好■倍增極短、平行電場(chǎng)、具有位置探測(cè)功能。代表管型：R3432-01R2490-05R5064R4721及細(xì)網(wǎng)型的多陽(yáng)極的PMT（H41394140-01）等結(jié)構(gòu)形式▲MCP（Microchannel微通道板）

特點(diǎn)是：■好的時(shí)間響應(yīng)（0.1-0.3ns）■小型高增益、■強(qiáng)磁場(chǎng)下工作、■二維高空間圖像分辨率、■對(duì)帶電粒子、紫外線、X射線、r射線、中子都很靈敏?！龅碗姾?、小型、重量輕代表管型：R2809UR2024R2566等。倍增極材料

對(duì)倍增極（二次電子發(fā)射）材料的要求是：■足夠大的二次發(fā)射系數(shù)■熱電子發(fā)射小■工作穩(wěn)定性好■對(duì)高溫光電倍增管中，還要求倍增極高溫性能好。倍增極材料目前常用的倍增極的倍增極材料有：■銻-堿（Sb-CsSb-K-Cs）■銅鈹合金（Cu-Be）■磷化鎵（GaP）■磷砷化鎵（GaAsP）等

一次電子電壓與二次發(fā)射系數(shù)的關(guān)系曲線表（2）各種倍增極的特性上升時(shí)間(ns)脈沖線性(mA)磁特性（mT）均習(xí)性收集效率特

征環(huán)形聚焦型0.9-3.01-100.1△○小型高速盒柵型6-201-10○○高收集效率直線聚焦型0.7-310-250△○高速線性好百葉窗型6-1810-40○△大面積PMT細(xì)網(wǎng)型1.5-5.5300-1000700-1200以上○△高磁場(chǎng)用線性好MCP0.1-0.370015-1200以上○△超高速表（2）各種倍增極的特性不同結(jié)構(gòu)的單電子譜不同結(jié)構(gòu)的線性電流■三使用場(chǎng)合如石油測(cè)井要選擇：

▲高溫管、耐震管

光分析儀器一般選擇：

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