光电技术综合应用实验讲义

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1、第二部分光电技术综合应用实验实验1光电倍增管的静态特性测试一、实验目的1、掌握光电倍增管结构以及工作原理。2、学习掌握光电倍增管基本特性。3、学习掌握光电倍增管基本参数的测量方法。4、了解光电倍增管的应用。二、实验原理1、基本工作原理光电倍增管（PMT）是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增管如图1-1所示，在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极（阳极）的器件。当光照射光电倍增管的阴极k时，阴极向真空中激发出光电子（一次激发），这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，由倍增电极

2、激发的电子（二次激发）被下一倍增极的电场加速，飞向该极并撞击在该极上再次激发出更多的电子，这样通过逐级的二次电子发射得到倍增放大，放大后的电子被阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。2、光电倍增管结构图1-1端窗型光电倍增管剖面图一般，端窗型（Head-on）和侧窗型（Side-on）结构的光电倍增管都有一个光阴极。侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电

3、倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度测定方面有广泛的使用。大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。端窗型（也称作顶窗型）光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极（透过式光阴极），使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。3

4、、光电倍增管特性参数（1）暗电流49当光电倍增管完全与光照隔绝（即完全黑暗的环境）时，在加上工作电压后在阳极电路里仍然会出现输出电流，我们称之为暗电流，暗电流与阳极电压有关，通常是在与指定阳极光照灵敏度相应的阳极电压下测定的。引起暗电流的因素有：热电子发射，场致发射、放射性同位素的核辐射，光反馈、离子反馈、极间漏电等。（2）阴极、阳极灵敏度灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数，一般是指积分灵敏度，即白光灵敏度，其单位为uA/Lm。光电倍增管的灵敏度一般包括阴极灵敏度、阳极灵敏度。阴极光照灵敏度是一定光照情况下，每单位

5、通量入射光（实际用10-5～10-2Lm）产生的阴极光电子电流。阴极光照灵敏度SK是指光电阴极本身的积分灵敏度。定义为光电阴极的光电流Ik除以入射光通量Φ所得的商（1）光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图2-12所示。入射到阴极K的光照度为E，光电阴极的面积为A，则光电倍增管接受到的光通量为（2）由式（1）（2）可以计算出阴极灵敏度。入射到光电光电阴极的光通量不能太大，否则由于光电阴极层的电阻损耗会引起测量误差。光通量也不能太小，否则由于欧姆漏电流影响光电流的测量精度，通常采用的光通量的范围为10-5～10-2Lm。阳极光照灵敏度是

6、每单位阴极上的入射光通量（实际用Lm）产生的阳极输出电流（经过二次发射极倍增后）。阳极光照灵敏度Sp是指光电倍增管在一定工作电压下阳级输出电流与照射阴极上光通量的比值（3）它是一个经过倍增后的整管参数，在测量时为保证光电倍增管处于正常的线性工作状态，光通量要取得比测阴极灵敏度小，一般在lm的数量级。（3）放大倍数(电流增益)G光阴极发射出来的光电子被电场加速撞击到第一倍增极，以便发生二次电子发射，产生多于光电子数目的电子流。这些二次电子发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极产生又一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增

7、极的二次电子发射被阳极收集，从而达到了电流放大的作用。这时可以观测到，光电倍增管的阴极产生的很小的光电子电流，已经被放大成较大的阳极输出电流。放大倍数G(电流增益)定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流Ip与阴极电流IK间的比值。（4）49放大倍数G主要取决于系统的倍增能力，因此它也是工作电压的函数。由于阳级灵敏度包含了放大倍数的贡献，于是放大倍数也可以由在一定工作电压下阳极灵敏度和阴极灵敏度的比值来确定，即（5）（4）阳极伏安特性当光通量Ф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阳极伏安特性。光电倍增

8、管的增益G与二次倍增极电压E之间的关系为（6）其中n为倍增极数；b为与倍增极材料有关的常数。所以阳极电流随总局电压增加而急剧上升。使用管子时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。（5）光电特性光电倍增管的光电特性定义为在一定的工作