光电倍增管的基本原理_滨松光子学商贸(中国)有限公司

光电倍增管的基本原理

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光电倍增管（Photomultiplier Tube，简称PMT），对于第一次接触的用户来说可能比较神秘，对其认识可以从名称中了解一二。“光电”表示的功能，顾名思义，就是把光信号转化为电信号；“倍增”代表PMT的结构，其内部由多级倍增极构成，用于放大转化来的电信号；“管”即为形状，典型的PMT主体为圆柱形，但随着应用需求的增多及开发技术的提升，其他不同形状的PMT也越来越多，如图1所示。

图1. 不同外形的PMT

传统PMT是一种真空玻璃管，由入射窗、光阴极面、倍增系统和阳极等部分组成，如图2所示。光透过入射窗后到达光阴极面，由于光电效应光子转换为电子，经过聚焦极和各倍增极后实现电子倍增（二次电子倍增），最后由阳极输出电流信号。此外，还有一些外形及结构比较特殊的产品，如Channel Photomultiplier (CPM)、Micro PMT （μPMT），此处不做特别介绍，如欲了解，可阅览《光电倍增管种类介绍》。以下以传统PMT为例分别介绍各部分特性。

图2. 光电倍增管结构图

入射窗

不同入射窗材料对紫外线的吸收特性有很大区别，这也决定了PMT光谱范围的短波区界限，常用窗材如表1所示。

表1. PMT常用窗材种类

窗材种类	短波界限（nm）	特点
硼硅玻璃	300	与PMT芯柱使用的可伐合金膨胀系数相近，使用广泛，但不适合做紫外线探测
UV玻璃（透紫玻璃）	185	易透过紫外线
合成石英	160	有“过渡接”*，需小心使用；氦气易透过石英，因此不能在有氦气的环境中使用
蓝宝石	150	紫外线的透过率处于透紫玻璃和合成石英之间
MgF₂晶体	115	几乎不水解
* 石英的热膨胀系数和PMT芯柱丝使用的可伐合金有很大差别，所以在与芯柱部分的硼硅玻璃衔接时，中间要加入数种膨胀系数逐渐过渡的玻璃，即“过渡接”。

光阴极面

光阴极面是一种半导体材料，光入射后，材料中的价电子吸收光子能量而向表面扩散，越过真空位垒后成为自由光电子并发射到真空中，该现象的发生存在一定概率，即为PMT的量子效率（后续文章中会详细介绍）。光阴极面按光电子发射过程可分为反射式和透射式，对应侧窗型PMT和端窗型PMT。

光阴极面的碱金属材料和制作工艺共同决定了PMT的最大响应波长和长波截止波长，常用种类如表2所示，同时也决定了其外观颜色的差异，如图3所示。关于光电倍增管光阴极更详细的介绍，可阅览《光电倍增管光阴极技术介绍》。

表2-1. 反射型光阴极面特性

光阴极面	入射窗	光照灵敏度(Typ.)(uA/lm)	光谱灵敏度特性
			波长范围(nm)	峰值灵敏度波长
				辐射灵敏度		量子效率
				（mA/W）	（nm）	（%）	（nm）
Cs-I	MgF₂	-	115-200	25.5	135	26	125
Cs-Te	合成石英	-	160-320	62	240	37	210
Cs-Te	MgF₂	-	115-320	63	220	35	220
Sb-Cs	硼硅玻璃	40	300-650	48	400	15	350
Sb-Cs	UV玻璃	40	185-650	48	340	20	280
Sb-Cs	UV玻璃	70	185-750	70	410	25	280
双碱	UV玻璃	120	185-750	90	420	30	260
低暗电流双碱	UV玻璃	60	185-680	60	400	19	300
多碱	UV玻璃	200	185-900	68	400	26	260
多碱	UV玻璃	525	185-900	90	450	30	260
GaAs(Cs)	UV玻璃	550	185-930	62	300-800	23	300
GaAs(Cs)	合成石英	550	160-930	62	300-800	23	300
InGaAs(Cs)	硼硅玻璃	150	300-1040	50	400	16	370
InP/InGaAsP(Cs)	硼硅玻璃	-	300-1400	10	1250	1.0	1000-1200
InP/InGaAs(Cs)	硼硅玻璃	-	300-1700	10	1550	1.0	1000-1200

表2-2. 透射型光阴极面特性

光阴极面	入射窗	光照灵敏度(Typ.)(uA/lm)	光谱灵敏度特性
			波长范围(nm)	峰值灵敏度波长
				辐射灵敏度		量子效率
				（mA/W）	（nm）	（%）	（nm）
Cs-I	MgF₂	-	115-200	14	140	13	130
Cs-Te	合成石英	-	160-320	29	240	14	210
Cs-Te	MgF₂	-	115-320	29	240	14	200
双碱	硼硅玻璃	95	300-650	88	420	27	390
双碱	UV玻璃	95	185-650	88	420	27	390
双碱	合成石英	95	160-650	88	420	27	390
高温用双碱	硼硅玻璃	40	300-650	51	375	17	375
多碱	硼硅玻璃	150	300-850	64	420	20	375
多碱	UV玻璃	150	185-850	64	420	25	280
多碱	合成石英	150	160-850	64	420	25	280
多碱	硼硅玻璃	200	300-900	40	600	8	580
多碱	硼硅玻璃	230	300-900	69	420	20	390
Ag-O-Cs	硼硅玻璃	20	400-1200	2.2	800	0.36	740
InP/InGaAsP(Cs)	-	-	950-1400	10	1250	1.0	1000-1200
InP/InGaAs(Cs)	-	-	950-1700	10	1550	1.0	1000-1200

图3. 不同阴极面颜色的PMT

电子倍增系统

PMT中的电子运动是由电场决定的，而电场又受电极形状、电极配置和所加电压的支配，为使PMT具有最佳性能，需要对其电位分布和电极结构进行优化。光阴极面发出的光电子经过从第一倍增极到末倍增极（最多19级）的倍增系统，可以得到10倍到108倍的电流增益。

倍增极有许多种类，由于其结构、倍增极的级数的不同而使得电流增益、时间响应特性、均匀性、二次电子收集效率特性等不同，要根据使用目的做相应的选择。各倍增极种类如表3所示。

表3. 各种倍增级特性

阳极

PMT的阳极部分负责将经过各级倍增的二次电子进行收集，并通过外接电路将电流信号输出。阳极结构的设计要确保阳极和末倍增极间的电位差合适，以避免空间电荷效应，从而获得大的输出电流。

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更多资料

	光电倍增管的基础及应用（中文版）
	介绍了光电倍增管的工作原理、基本特性参数、应用技术领域；以及如何评价、选择和使用光电倍增管。
	光电倍增管的基础及应用（英文版）
	上面资料的英文原版。

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