1、1光电倍增管基础知识之一（光电倍增管的工作原理、特点及应用）一光电倍增管的工作原理光电倍增管是一种真空光电器件（真空管） 。它的工作原理是建立在光电效应（光电发射） 、二次电子发射、电子光学理论基础上的。它昀工作过程是：光子通过光窗入射到光电阴极 L 产生光电子，光电子通过电子光学输入系统进入倍增系统，电子得到倍增，最后阳极把电子收集起来，形成阳极电流或电压。因此一个光电倍增管可以分为几个部分：（1）入射光窗、（2）光电阴极、（3）电子光学输入系统、（4）二次倍增系统、（5）阳极。2光电倍增管结构如图（1）所示。图（1）光电倍增管结构示意图1 入射光窗：让光通过的光窗一般有(1) 硼硅玻璃（
2、300nm） 、(2) 透紫玻璃（ 185nm） 、(3) 合成（熔融）石英（ 160nm） 、(4) 蓝宝石(Al 2O3)150nm、(5) MgF2（115nm） 。光电倍增管光谱短波阈由入射3光窗决定。2 光电阴极光电阴极是接收光子而放出光电子的电极。一般分为半透明（入射光和光电子同一方问）的端面或四面窗阴极和不透明（入射光的方向与光电子方向相反） 。见图（2）电子轨迹图。4图（2）电子轨迹图光电阴极的材料多用低逸出功的碱金属为主的半导体化合物，到目前为止，实用的先电阴极材料达十种之多：(1) Sb-Cs 特点是：阴极电阻低，允许强光下有大电流流过阴极的场合下工作）( 2) 双碱（Sb
3、-RbCs、Sb-K-Cs） 特点是：灵敏度较高暗电流小- 热电子发射小）( 3) 高温双碱（ Sb-K-Na） 特点是：耐高温-200 (4) 多碱（Sb-K-Na-Cs）. 特点是：宽光谱灵敏度高(5) Ag-O-Cs 多碱 特点是：光谱可到近红外5灵敏度低）(6) GaAs（ Cs）特点是：高灵敏光谱平坦强光下容易引起灵敏度变坏） 。(7) Cs-I 特点是日盲，在 115nm 的短波也有高(8) Cs-Te 特点是：日盲、阴极面透过型和反射型）我公司生产的 PMT 的阴极材料主要是(1) Sb-Cs(2)双碱（Sb-RbCs、Sb-K-Cs）6(3)高温双碱（ Sb-K-Na）(4)多
4、碱（Sb-K-Na-Cs）表（）各种阴极材料的特性（硼硅玻璃窗材料）3 电子光学输输入系统电子光学输入系统由光电阴极和第一倍增极之间的电极结构以及所加的电位构成，它使光电子尽可能多地聚焦在第一倍增极上。在快速光电倍增管中，还要求电子光学输入系统使光电子渡越时间分散最小特性阴极材料光谱响应（峰值（nm） ） 线性电流（上限） （平均电流）Sb-Cs 300-650（440） 1ASb-Rb-Cs/Sb-K-Cs 300-650（420） 0.1A/0.01ASb-k-Na-Cs 300-850（420）900 红外延长10ASb-K-Na 300-650（375） 10AGa-As 300-93
5、0 0.1A74 二次电子倍增系统二次电子发射倍增系统由若干倍增极组成（图） 。工作时各电极依次加上递增的电位。从光电阴极发射的光电子，经过电子光学输入系统入射到第一倍增极上，产生一定数量的二次电子，这些二次电子在电场作用下入射到下一个倍增极，二次电子又得到倍增，如此不断进行，一直到电子流被阳极收集。倍增极有许多种类，由于它的结构、级数等不同而使电流增益、时间响应特性、线性电流、均匀性、二次电子收集效率等不同，要根据使用的目的作相应的选择。下面介绍各种倍增极的特点。8(1) 环形聚焦型（C.C） 特点：1 小型紧凑2 时间响应特性也好。代表管型：侧窗型和小型的部分端窗管如 R105 1P21
6、R212 CR131 R5610 R1705 R980。(2)盒栅型（BG）特点：1 光电子收集效率高2 均匀性好。代表管型：R228 R550 CR110 CR119（R1307 ） CR1059(3) 直线聚焦型（ L）特点：1 时间响应好（快速） 、2 时间分辨率好3 脉冲均匀性好代表管型：（端窗管型） R329 R331 R580 CR166 CR115(4) 百叶窗型（ VB）特点 1 第一倍增极的有效面积大，易制成较大阴极的 PMT 2 耐磁牲好、3 输出电流大、4 增益高代表管型：R1513 R887 EMI9635QB 等10(5) 细网型（FM）特点：1 耐磁性能好（强磁场下
7、工作）2 均匀性好3 倍增极短、平行电场、具有位置探测功能。代表管型： R3432-01 R2490-05 R5064 R4721 及细网型的多阳极的PMT（H4139 4140-01）等11(6) MCP（Microchannel 微通道板）特点是：1 好的时间响应（0.1-0.3ns）2 小型高增益、3 强磁场下工作、4 二维高空间图像分辨率、5 对带电粒子、些紫外线、X 射线、r 射线、中子都很灵敏、6 低电耗、小型、重量轻代表管型： R2809U R2024 R2566 等12对倍增极（二次电子发射）材料的要求是：(1) 足够大的二次发射系数(2) 热电子发射小(3) 工作稳定性好(4
8、) 对高温光电倍增管中，还要求倍增极高温性能好。目前常用的倍增极的倍增极材料有：锑-碱（ Sb-Cs Sb-K-Cs） 、铜铍合金（Cu-Be） 、磷化镓（GaP）磷砷化镓（GaAsP）等。13图（3）一次电子电压与二次发射系数的关系曲线表（2）各种倍增极的特性特性倍增极上升时间(ns)脉冲线性(mA)磁特性（mT ）均习性 收集效率特 征环形聚焦型 0.9-3.0 1-10 小型高速盒栅型 6-20 1-10 高收集效率直线聚焦型 0.7-3 10-250 高速线性好百叶窗型 6-18 10-400.1 大面积PMT细网型 1.5-5.5 300-1000 700-1200 以上 高磁场用线
9、性好MCP 0.1-0.3 700 15-1200 以上 超高速5 阳极阳极是最后收集电子，并给出输出电信号的电极。它与末级倍增极之间应该有最的极间电容，允许有较大的电流密度，因此阳极往往做成栅网状。14特 点 与 应 用一 特 点 高灵敏度（增益：10 610 7） ，在常温下可检出单光子 输出大的信号 快速响应（易得到 ns 级的时间响应，甚至可达几十个 ps。是目前最快的探测器） 。 波长范围宽（真空紫外 110nm近红外） 大的受光面积（对于不同的使用目的，可选择 10mm50cm 的受光面） 在高温下工作（高温 PMT 可在200工作） 。 既可测量光又可探测射线 内部高内阻、分布电
10、容小，是理想的恒流源。15二 应 用光电倍增管应用非常广泛，可以说凡是有光的地方，大多数探测射线的场合，或者说同位素应用的场合，都会用到光电倍增管。利用光子技术耍做的事是无穹无尽。其应用领域： 光分析仪器光分析仪器利用光进行各种物质分析的仪器总称。作为具体的分析仪器有：1 紫外可见分光光度计（吸收、反射）2 原子吸收分光度计163 拉曼分光光度计174 荧光光度计5 浓度计、比色计、色彩计等。18 医疗仪器（ECT、PET、 相机等）19 射线（计测）仪器工业检测（料位计、厚度计、密度计）等。20 弱光检测（拉曼散射、瑞利散射、生物发光、化学发光、生命之光、天文、荧光分析等） 。1 化学发光免
11、疫分析化学发光免疫分析(Chemiluminescence immunoassay CLIA)是将具有高灵敏度的化学发光测定技术与高特异性的免疫反应相结合，用于各种抗原、半抗原、抗体、激素酶脂肪酸、维生素和药物等的检测分析技术。是继荧光免疫分析、酶联免疫分析和放射免疫分析之后发展起来的一项最新技术。它继承了放射免疫的优点，同时又克服了放射免疫和酶联免疫各自的缺点，是临床免疫检测最理想的新方法，可采用光子计数法微弱光检测技术。212 生命系统的超弱光子辐射(PE)所有生命系统都呈现极弱的光子辐射，其强度为几个几千光子/秒厘米。这种光辐射具有高度的相干性，它控制着整个细胞的新陈代谢，支配着细胞向的
12、信息传递和功能调节。PE 作为一项极其灵敏的生物指标，在医学、药理学、农业环境科学和地震预报等领域具有广泛的应用前景。要探测 PE 选用光电倍增管作为光探测器，运用光子计数技术。224 ATP 荧 光 检 测 ATP(三磷酸腺苷) 广泛存在于各种生物体中，活的菌体也含有 ATP。通过 ATP 释放液，破坏细胞壁使ATP 释放出来。当 ATP 在荧光素酶的作用下与荧光素结合时，发出一种生物荧光，荧光量与 ATP 成正比。因此通过对荧光量的测量即可测定 ATP 的含量，从而得知测试部位被细菌、食物残留的污染程度，即可推算出活菌数。荧光素+ATP+O 2 荧光素酶氧化型荧光素+AMP+ppi+CO2 光23 环境监测（如尘埃粒子计数器、氮氧化合物分析仪、环境、；、 低本底测量仪等） 。24思考题(1) 光电倍增管由哪几部分组成, 每个部分的作用.(2) 目前我公司生产的光电倍增管的光电阴极材料有几种, 其特点如何(3) 目前我公司生产的光电倍增管的倍增极系统的结构和材料主要的有几种
