滨松讲堂您当前的位置:首页 > 服务与支持 > 滨松讲堂

光电倍增管基础篇之二:基本原理

发布时间:2015-08-02 编辑:王芳

 

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,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

1. 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

*1: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”。

 

2. 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投射式,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。

 

表2-1 反射型光阴极面特性

 

表2-2透射型光阴极面特性

 

图3 不同阴极面颜色的PMT

 

3.  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各种倍增极特性

 

4. 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。

友情链接:  日本滨松光子学株式会社    滨松光子学商贸(中国)有限公司

版权所有:北京滨松光子技术股份有限公司 产品咨询:0316-5970168/166/165 其他:010-63706370 邮箱:sctj@bhphoton.com

京ICP备01020304号 技术支持:35互联