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光电倍增管特性之线性

发布时间:2022-03-31 编辑:张昱琰

光电倍增管的线性特性是指光电倍增管的阳极输出电流对入射光通量的线性关系。线性特性在微弱光领域和闪烁探测器领域均有重要应用。由闪烁体和光电倍增管组成的闪烁探测器将辐射信号转化为脉冲电流信号以实现对辐射的测量,是目前辐射测量工作中常用的探测手段之一。闪烁探测器的灵敏度和线性动态范围是探测器的主要属性。当闪烁体的种类和尺寸确定后,闪烁探测器的线性动态范围与光电倍增管的脉冲线性输出性能有直接关系。

光电倍增管的线性特性主要与阴极线性和阳极线性有关。阴极线性由阴极材料决定,光电面是半导体,具有一定的电阻。在透过型光电面中,光电面线性电流和光电面种类有关(见表1)。

表1 光电面种类特性

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(※)超过标注电流值会缩短使用寿命 

光电倍增管在低电压、大电流的场合工作时,其阴极线性可能会影响阳极输出电流。故为减小光电面电阻影响,一般在光电面和第一倍增极之间施加100V~400V的供电电压。

阳极线性主要受分压器回路的影响和倍增系统在大电流时空间电荷效应的影响。分压回路对光电倍增管线性的影响,可以根据光电倍增管的工作方式分为直流方式和脉冲方式讨论。

光电倍增管在直流状态工作时(见图1),对流过 R7的电流而言,实际流过分压器内的电流是分压器电流 Ib 和阳极电流 Ip 之差,流过其他分压电流是 Ib 和从各倍增极反方向流过分压电阻的倍增极电流 IDy 之差。

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图1 直流(DC)输出型分压器电路

因阳极电流与倍增极电流与分压器电流相抵消,因而伴随着入射光强的增加,各电极间电压降低,尤其是倍增极电流很大的后几级倍增极间电压的下降更为显著。使得阳极二次电子收集效率降低,从而产生饱和现象,造成阳极线性降低。

虽然线性电流因光电倍增管种类和分压回路的不同而有所区别,但在得到直流输出的场合,一般输出电流的实际最大值应为分压器电流的1/20~1/50。如果线性要求在±1%内,则最大输出必须控制在1/100以内。

光电倍增管在脉冲状态工作时,只使用电阻的分压器回路的光电倍增管,其最大输出线性,限定在分压器电流的几十分之一。

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图2 脉冲信号型分压器电路

图2所示的脉冲信号型分压器电路可以提高脉冲线性。电路的最后数级接上耦合电容,补充光电倍增管电荷,以抑制末级倍增极和阳极的电压下降,从而大大改善脉冲线性。当脉冲宽度很窄,占空比小时,用这种方法,不受分压器电流的限制。线性电流可以达到光电倍增管内部的倍增极出现空间电荷饱和时的电流值。因此,可以得到是分压器电流数千倍以上的峰值输出电流。

即使使用了去耦电容,采取了充分的脉冲输出线性对策,但当级间电压固定时,随着入射光通量的不断增加,达到某一值后也会产生饱和状态。这是由于电子流密度的增大而出现的空间电荷效应,妨碍了电子流的正常传输所致。该饱和电流的大小,尤其与光电倍增管末级倍增极附近的倍增极和阳极的电极结构以及电极间所加的电压不同而异。一般我们不改变倍增极的种类,而采用提高末级倍增极和附近的倍增极级间电压,使倍增极间电场强度增加以改善线性特性。一般常用以下措施提高光电倍增管的线性电流。

①在电子密度高的后几级采用比标准电压分配高的电压,一般采用从前级到后级级间电压逐步升高的所谓“锥形分压器电路”。图3为光电倍增管在不同分压比下的输出电流线性特性。

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图3 光电倍增管采用不同分压器的线性特性

②为了使电极间有高的电场强度,克服空间电荷影响,可以提高光电倍增管的工作电压。图4是光电倍增管工作电压和阳极峰值电流的关系。

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图4 光电倍增管线性与电压的关系

当对光电倍增管脉冲线性有较高的要求时,可以采用后几级加去耦电容和使用锥形分压器的分压回路的对策,并加载合适的工作电压使光电倍增管输出较大的阳极峰值电流。

北京滨松生产的CR364管型具有高线性(见图5)、快时间响应、高稳定性等特点,其2%线性偏离时典型线性电流可达100mA@锥形分压器

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图5  CR364典型线性曲线

CR332管型(见图6)具有尺寸小、时间响应快、能量分辨率好、高信噪比等特点,其5%线性偏离时典型线性电流可达50mA@锥形分压器。CR365管型(见图 7)具有大尺寸阴极面、快时间响应、高稳定性、低暗计数、耐高水压等特点,其5%线性偏离时典型线性电流可达60 mA @锥形分压器。可根据不同需求应用于高能物理、核辐射测量等领域。

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图6 CR332管型                                       图7 CR365管型