光电倍增管的特性研究

宁悦悦，董天豪，王 洁

(浙江海洋大学 物理系，浙江 舟山 316022)

随着我国整体高新技术领域研究的不断深化，光电子产业迅速发展[1]。基于光电子发射、电子光学以及二次电子发射等理论，光电倍增管能够通过光电子转化实现光电信号的转换，是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件[2，3]。由于光电倍增管具有高灵敏度、快时间响应、低噪音及高增益等特点，在测量精度要求高的临床检测、环境监测、光度测量等领域有着广泛应用[2]。

1 光电倍增管的基本原理

光电倍增管是一种真空光电器件，主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极组成，基本结构如图1和图2所示。

图1 光电倍增管剖面图A

图2 光电倍增管剖面图B

当光照射光电倍增管阴极时，阴极向真空中激发出光电子(一次激发)，这些光电子按聚焦集电场进入倍增系统，由倍增电极激发的电子(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，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。

从光阴极射出，到达第一打拿极的一个电子，经过倍增系统的多次倍增后在阳极得到的电子数，称为光电倍增管电流放大倍数，即增益，用M表示，可由公式(1)计算得出。

(1)

理想情况下一般用下式表示：

M=δn

(2)

上式中，δ表示平均二次发射系数，n表示打拿极的级数，其中二次发射系数δ是极间电压的函数，可用经验公式(3)表示。

δ=a(VD)b

(3)

上式中，VD为打拿极之间的电压，a、b为经验常数。

如果打拿极电子传递效率为g，则增益M比较实际的表达式可用公式(4)表示。其中，对于良好的聚焦型光电倍增管g约等于1，对于非聚焦型光电倍增管g小于1。

M=(gδ)n

(4)

当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，不容易探测。但光电倍增管可以对电流进行放大，放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管对电流的倍增放大效果受光电特性、伏安特性、光谱特性的影响。

2 光电倍增管的基本特性

2.1 光电特性

2.1.1 阴极光电特性

将光电倍增管阴阳极切换开关拨至“阴极”，选用白光进行实验，改变光照度，测量在电压一定时的阴极电流。分别测量电压为-80 V和-50 V时，阴极电流与光照度的关系，记录实验数据，如表1所示。绘制光电倍增管在不同电压下的阴极光电特性曲线，如图3所示。

表1 光电倍增管阴极光电特性实验数据

图3 光电倍增管阴极光电特性曲线

2.1.2 阳极光电特性

光源选用白光，将阴阳极切换开关拨至“阳极”。在光照度为0Lx到4Lx的范围内，保持电压一定，改变光照度的大小，记录相应的电流表示数。分别测量电压为-250V和-200V时，阳极电流与光照度的关系，实验数据如表2所示，光电倍增管阳极光电特性曲线如图4所示。

表2 光电倍增管阳极光电特性实验数据

图4 光电倍增管阳极光电特性曲线

2.2 伏安特性

2.2.1 阴极伏安特性

选用白光作为光源，将阴阳极切换开关拨至“阴极”。在光照度不变时，改变电压的大小，记录电流表示数，其中电压变化范围为0到80V。改变光照度为0.5Lx、1.0Lx、2.0Lx，测量电流与电压的关系，记录实验数据，如表3所示。绘制光电倍增管在三种光照度下的阴极伏安特性曲线，如图5所示。

表3 光电倍增管阴极伏安特性实验数据

图5 光电倍增管阴极伏安特性曲线图

2.2.2 阳极伏安特性

在相同的光照度下，将白光作为光源进行实验，阴阳极切换开关拨至“阳极”，记录在不同电压下电流表的示数。分别测出光照度为0.1Lx、0.2Lx、0.5Lx时的阳极伏安特性，实验数据如表4所示。根据实验数据绘制光电倍增管在不同光照度下的阳极伏安特性曲线，如图6所示。

表4 光电倍增管阳极伏安特性实验数据

图6 光电倍增管阳极伏安特性曲线图

2.3 光谱特性

在可见光范围内，控制不同波长的光光照度为0.1Lx，将阴阳极切换开关拨至“阳极”。分别测量不同波长的光在电压为-300V时的电流，将实验数据填入表格，如表5所示。绘制波长与电流的关系曲线，即为光电倍增管光谱特性曲线，如图7所示。

表5 光电倍增管光谱特性实验数据

图7 光电倍增管光谱特性曲线图

3 结果与讨论

在阴极电压一定时，光电倍增管阴极电流随光照度基本呈线性增加关系。阴极电压增大，阴极电流变化范围增大不明显，如图3所示。由图4可得，阳极电流随光照度的增加而增加，增大阳极电压，阳极电流变化范围明显增大。因此，在光电倍增管的使用中，可以适当降低阴极电压，增大阳极电压，提高光电转换的效率。

在同一光照度下，增大阴极电压，光电倍增管阴极电流增大。电压较小时，变化率较大。随着电压增大到一定值后，曲线趋于平稳，阴极电流不再改变，如图5所示。随着光照度的增加，阴极电流变化范围增大。由图6可得，在光照度一定时，阳极电流随电压的增大而增大。电压较小时，不同光照度对应的阳极电流变化趋势基本相同，电压增大，阳极电流增大不明显。当电压增大到300V时，不同光照度对应的阳极伏安特性曲线出现了陡峭的上升曲线，阳极电流急剧增加，且电压和光照度越大，曲线越陡峭。为达到理想的倍增放大效果，需要将光电倍增管的电压控制在一定的范围内，同时适当增大光照度。

光波波长在400nm到630nm的范围内，光电倍增管的输出电流随波长的增大而减小，基本呈反比关系，如图7所示。在光照度及电压一定时，光电倍增管对紫光波段的光敏感程度最高，电流倍增放大效果明显。光波波长较小时，光谱特性曲线出现了陡峭的下降曲线，输出电流急剧减小，电流的变化率随波长的增加而减小。

4 展望与应用

光电倍增管的阳极输出电流随光照度和电压的增加而逐渐增加，将极微弱的光信号转换成电信号并加以放大[4]。生活中，根据这一特性，人们可以将光电倍增管广泛应用于高精度要求的检测领域[5]。例如在医学上可以利用光电倍增管制作光强探测仪器检测生物体发出的极微弱的恒定光强是否发生变化，从而检测生物体是否发生病变[3]。

在可见光波长范围内，当照射光波长在585～630nm的范围内时，阳极输出电流较小，光电倍增管对于波长较长的光倍增放大效果不明显。因此光电倍增管在应用时具有一定的局限性。