技术文章及资料中心

ARTICLE

文章中心

产品

应用

其他

产品介绍 您的位置:首页--文章中心--光电倍增管(PMT)

光电倍增管的基本原理

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。


讲座视频:光电倍增管原理及应用



若视频不能切换高清,可点击此处跳转观看



上一个:光电倍增管的探测范围

下一个: 光电倍增管的重要性能

×
回到顶部