1、实验 10 光电倍增管特性测试将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长 2001200 纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图象传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。由于光电倍增管增益高和响应时间短，又由于它的输出电流和入射光子数成正比，所以它被广泛使用在天体光度测量和天体分光光度测量中。其优点是：测量精度高，可以测量比较暗弱的天体
2、，还可以测量天体光度的快速变化。天文测光中，应用较多的是锑铯光阴极的倍增管，如 RCA1P21。这种光电倍增管的极大量子效率在 4200 埃附近，为 20%左右。还有一种双硷光阴极的光电倍增管，如 GDB-53。它的信噪比的数值较 RCA1P21 大一个数量级，暗流很低。为了观测近红外区，常用多硷光阴极和砷化镓阴极的光电倍增管，后者量子效率最大可达 50%。 普通光电倍增管一次只能测量一个信息，即通道数为 1。近来研制成多阳极光电倍增管,它相当于许多很细的倍增管组成的矩阵。由于通道数受阳极末端细金属丝的限制，目前只做到上百个通道。【实验目的】1. 了解熟悉光电倍增管的使用及机理。2. 掌握光电
3、倍增管的暗电流的测量方法。3. 学习光电倍增管的阴极伏安特性的测量方法。4. 学习光电倍增管的阳极伏安特性的测量方法。5. 掌握光电倍增管的放大倍数的测量方法。【仪器用具】CSYGLGD01 光电综合测试仪主机箱、全自动单色仪、溴钨灯、光电倍增管高压模块、自选增益放大电路、光电倍增管、光电特性测试系统软件。【实验原理】1. 光电倍增的机理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
4、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。 图一、光电倍增管的工作机理图基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。光电倍增管包括阴极室和由若干打拿极组成的二次发射倍增系统两部分（见图一） 。阴极室的结构与光阴极 K 的尺寸和形状有关,它的作用是把阴极在光照下由外光电效应（见光电式传感器）产生的电子聚焦在面积比光阴极小的第一打拿极 D1 的表面上。二次发射倍增系统是最复杂的部分。打拿极主要选择那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏度和二次发射系数的材料制成。常用的
5、打拿极材料有锑化铯、氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等。打拿极的形状应有利于将前一级发射的电子收集到下一极。在各打拿极 D1、D2、D3和阳极 A 上依次加有逐渐增高的正电压,而且相邻两极之间的电压差应使二次发射系数大于 1。这样，光阴极发射的电子在 D1 电场的作用下以高速射向打拿极 D1，产生更多的二次发射电子，于是这些电子又在 D2 电场的作用下向 D2 飞去。如此继续下去，每个光电子将激发成倍增加的二次发射电子，最后被阳极收集。电子倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。聚焦型的打拿极把来自前一级的电子经倍增后聚焦到下一级去，两极之间可能发生电子束轨迹的交叉。非聚焦型又分为圆环瓦片式（即鼠笼式）
6、 、直线瓦片式、盒栅式和百叶窗式。 光电倍增管是依据光电子发射、二次电子发射和电子光学的原理制成的、透明真空壳体内装有特殊电极的器件。光阴极在光子作用下发射电子，这些电子被外电场(或磁场) 加速，聚焦于第一次极。这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子，它们再被聚焦在第二次极。这样，一般经十次以上倍增，放大倍数可达到 10810 10。最后，在高电位的阳极收集到放大了的光电流。输出电流和入射光子数成正比。整个过程时间约 10-8 秒。光电倍增管有两个缺点：灵敏度因强光照射或因照射时间过长而降低，停止照射后又部分地恢复，这种现象称为“疲乏”；光阴极表面各点灵敏度不均匀。2. 光电倍增管供电电路、
7、电源的连接方式光电倍增管的供电方式有两种，即负高压接法(阴极接电源负高压，电源正端接地) 和正高压接法(阳极接电源正高压，而电源负端接地 )。正高压接法的特点是可使屏蔽光、磁、电的屏蔽罩直接与管子外壳相连，甚至可制成一体，因而屏蔽效果好，暗电流小，噪声水平低。但这时阳极处于正高压，会导致寄生电容增大。如果是直流输出，则不仅要求传输电缆能耐高压，而且后级的直流放大器也处于高电压，会产生一系列的不便；如果是交流输出，则需通过耐高压、噪声小的隔直电容。负高压接法的优点是便于与后而的放大器连接，并且既可以直流输出，又可以交流输出，操安全方便。其缺点在于因玻璃壳的电位与阴极电位相接近，屏蔽罩皮至少离开管
8、子玻璃壳 12cm ，这样系统的外形尺寸就增大了。否则由于静电屏蔽的寄生影响，暗电流与噪声都会增大。（2） 、分压器光电倍增管极间电压的分配一般是由如图所示的电阻链分压来完成的。最佳的极间电压分配取决于三个因素，即阳极峰值电流、允许的电压波动以及允许的非线性偏离。图二 光电倍增管的分压电路级间电压的分配，光电倍增管的级间电压可按前级区、中间级区和末级区三区加以考虑。前级区的收集电压必须足够高，以使第一倍增极有高的收集效率和大的次级发射系数。中间级区的各级间通常具有均匀分布的级间电压，以使管子给出最佳的增益。由于末级区各级持别是末级支取较大的电流，所以末级区各级间电压不能过低，以免形成空间电荷效
9、应而使管子失去应有的直线性。分压电流，当阳极电流增大到与分压器相比拟时，将会导致末级区各级间电压的大幅度下降，从而使光电倍增管出现严重的非线性。为防止级间电压的再分配以保证增益稳定，分压器电流至少为最大阳极平均电流的 20 倍。对于直线性要求很高的应用场合，分压器电流应至少为最大阳极平均电流的 100500 倍。分压电阻，确定了分压器电流，就可以根据光电倍增管的最大阳极电压算出分压器的总电阻，再按照适当的级间电压分配，由总电阻求出各分压电阻的阻值。输出电路，光电倍增管的输出是电荷。且其阳极几乎可作为一个理想的电流发生器来考虑，因此输出电流与负载阻抗无关。但实际上，对负载的输入阻抗却存在着一个上
10、限，因为负载电阻上的电压降明显地降低了末级倍增极与阳极之间的电压，因而会降低放大倍数，致使光电特性偏离线性。3. 光电倍增管的暗电流当光电倍增管完全与光照隔绝，在加上工作电压后阳极仍有电流输出，其输出电流的直流成份称为该管的暗电流。光电倍增管的最小可测光通量就取决于这个暗电流的大小。引起暗电流的主要因素有：欧姆漏电、热电子发射、反馈效应(离子反馈和光反馈) 、场致发射、放射性同位素的核辐射及宇宙射线的切仑可夫辐射。由于光电倍增管的暗电流是工作电压的函数，所以在给出某倍增管的暗电流时，必须说明是在多大工作电压下测得的。4. 阴极伏安特性与阳极伏安特性光电倍增管阴极和第一倍增极之间的电压与从阴极发
11、射到第一倍增极的电流的比值是光电倍增管的阴极伏安特性。当光通量一定时，光电倍增管阳极电流 和阳极与阴极间的总电压 之间的关系为AI HV阳极伏安特性，因为光电倍增管的增益 G 与二次倍增极电压 E 之间的关系为nb)(其中 n 为倍增极数；b 为与倍增极材料有关的常数。所以阳极电流 随总电压增加而AI急剧上升。使用管子时应注意阳极电压的选择。另外由阳极伏安特性可求增益 G 的数值。放大倍数(电流增益)：在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极信导电流和阴极信号电流的比值称为该管的放大倍数或电流增益，以符号 G 表示，则KAI式中， 为阳极信号导电流； 为阴极信号导电流。放大倍数 G 主要取决于系统
12、AII的倍增能力，因此它也是工作电压的函数。【实验内容与要求】（注意：必须严格按照操作步骤进行，在打开电源以前把控制面板上的线连接好，千万不要在电源打开后进行连线， ）1. PMT 暗电流测试、实验前先看光电倍增管使用须知；、封闭光电倍增管暗盒进光孔（把室内光源也关掉，在暗室中测试效果会更好） ；、取出光电倍增管高压模板和自选增益放大模板，按图四接线，阴/阳选择开关选择阳极。模板所需电源从主控箱引入（注意颜色、极性） ，将光电倍增管插好，阳极测试接到自选增益模板的反向输入端，并在反馈网络引入 30M 的电阻。 “高压输出”与 2000V 电压表的“+”连通，电压表的 “-”与地相连，电压表量程
13、切换到 2000V 档；、接通仪器总电源，打开高压开关，在控制面板上调节“高压调节”旋钮观察电压表的示数，测量从 360V 开始，到 1260V 结束，每隔 18V 采集一次数据，数据采集由计算机完成； 图三 PMT 暗电流测试原理图图四 PMT 暗电流测试接线图、在计算机上利用软件观测数据并打印结果（注意：由于为了保证实验数据的准确性，软件对数据进行了多次循环采集，所以对每次数据采集的时间相对较长，在每次采集时要保证采集的结果已经显示在表格中再进行其他操作） ；、实验结束后切记先将输出的高压调到最小（“高压调节”旋钮逆时针转到头） ，然后关闭主机箱电源，然后再进行其他操作。2. PMT 阴极
14、伏安特性光电倍增管阴极和第一倍增极之间的电压与从阴极发射到第一倍增极的电流的比值是光电倍增管的阴极伏安特性。、在光电倍增管高压模板上，阴/阳选择开关选择阴极。阴极测试线接到图六中的反向输入端，并在反馈网络引入 30M 的电阻。 “高压输出”与 2000V 电压表的“+” 连通，电压表的“-”与地相连，电压表量程切换到 2000V；、接通仪器总电源，打开主机箱电源开关，打开光源开关； 图五 阴极伏安特性测试原理图图六 阴极伏安特性测试接线图、进行本实验先要调整好投射到光电倍增管阴极上的光强，调节高压输出到 140 伏，调整进光孔的衰减片方位使光电倍增管阳极输出的电流经 I-V 变换的电压在 2V
15、 左右（这一步可由教师完成） ；、在模板上调节“高压调节”旋钮并观察电压表示数，使输出电压从 40V 开始以 2V步幅增加电压到 140V，为方便实验的数据处理，软件中的电压输入值为阳极和阴极之间的电压值，每调整一次电压由计算机采集一次数据；、在计算机上利用配套软件观测数据并打印结果（注意：由于为了保证实验数据的准 确性，软件对数据进行了多次循环采集，所以对每次数据采集的时间相对较长，在每次采集时一定要保证采集的结果已经显示在表格中再进行其他操作） 。、实验结束后切记先将输出的高压调到最小（“高压调节”旋钮逆时针转到头） ，然后关闭主机箱电源，再进行其他操作。3. PMT 阳极伏安特性、保持上
16、次实验中光电倍增管暗盒进光孔衰减片的方位不变，也就是保持入射到光电倍增管阴极上的光强大小不变；图七 阳极伏安特性测试原理图、在模板上，阴/阳选择开关选择阳极。阳极测试参照图 12-3 接线，只是反馈网络改接接 1K 电阻。 “高压输出 ”与主机箱 2000V 电压表的 “+”连通，电压表的“- ”与地相连，电压表量程切换到 2000V；、接通仪器总电源，打开主机箱电源开关，打开光源开关；、在控制面板上调节“高压调节”旋钮并观察电压表示数，使输出电压从 360V 开始以 18V 步幅增加电压到 1260V，每调整一次电压由计算机采集一次数据；、在计算机上利用配套软件观测数据并打印结果（注意：由于
17、为了保证实验数据的准确性，软件对数据进行了多次循环采集，所以对每次数据采集的时间相对较长，在每次采集时一定要保证采集的结果已经显示在表格中再进行其他操作） 。、实验结束后切记先将输出的高压调到最小（“高压调节”旋钮逆时针转到头） ，然后关闭主机箱电源，再进行其他操作。 【注意事项】【思考问题】课前预习题1. 什么叫光电倍增管？在哪里应用？2. 如何测定暗电流？3. 如何测定阴极伏安特性？课后思考题4. 光电倍增管的优点和缺点？5. 光电倍增管的结构及连接方式怎样？光电倍增管的放大电路是怎样的？6. 阴极伏安特性与阳极伏安特性的区别，如何测量？7. 如何测量计算放大倍数。【附录】光电倍增管使用须
18、知1、光电倍增管对光的响应极为灵敏，因此在没有完全隔绝外界干扰光的情况下切勿对管子施加工作电压，否则会导致管内倍增极的损坏。2、即使管子处在非工作状态，也要尽可能减少光电阴极和倍增极的不必要的曝光，以免对管子造成不良的影响。3、光电阴极的端面是一块粗糙度数值极小的玻璃片，要妥善保护。4、使用时，必须预先在暗处避光一段时间，管基要保持清洁干燥，同时要满足规定的环境条件，切勿超过所规定的电压最大值。5、管子导电片与管脚应接触良好，插上、拨下时务必要用力于胶木管基，否则易造成松动或炸裂。6、 有磁场影响的场合，应该用高导磁金属进行磁屏蔽。7、 与光电阴极区的外壳相接触的任何物体应处于光电阴极电位。8、 开启高压电源时请注意：在开启开关前，首先要检查各输出旋钮是否已调到最小，一定要预热 1 分钟后再输出高压。关机程序与开机相反。
