电子倍增器介绍_滨松光子学商贸(中国)有限公司

电子倍增器介绍

马进发（mjf@hamamatsu.com.cn）

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1. 电子倍增器介绍

电子倍增器主要是用于正/负离子的检测，同时还可以检测真空紫外线和软X射线。滨松电子倍增器具有高增益、低噪声的特点，能够在离子计数模式下检测和测量极小的入射粒子及其能量。非常适合于电子能谱分析、真空紫外光谱分析如ESCA（化学分析电子能谱）和俄歇电子能谱分析，以及质谱分析和场离子显微镜。

2. 结构与工作原理

电子倍增器主要由输入口、电子倍增部分、阳极和分压电阻组成。电子倍增器需要在真空环境中工作，粒子或射线通过输出口进入到电子倍增部分，第一个倍增级被这些粒子或射线激发，并从其表面发射二次电子，这些电子通过第二个及后续的倍增级倍增，最终形成一个二次电子簇到达阳极并输出信号。其中分压电阻的主要作用是将输入的高压按照一定的比例分压给不同的倍增级。

# 灵敏度

（1）离子：当离子进入并撞击第一个倍增级时，会从第一个倍增级发射出多个电子，其中发射电子的数量取决于离子的质量和加速电压。下图显示了在检测氮离子时，电子发射比值和加速电压变化。

（2）紫外光：我们可以使用铍铜氧化物（Cu-BeO）或氧化铝（Al₂O₃）作为第一级倍增极来检测紫外光。其中铍铜氧化物对软X射线到300纳米的紫外线存在响应。根据入射到第一级倍增极的波长或用途，可以将第一级倍增极替换为沉积有碱金属卤化物材料的倍增极，这使得第一级倍增极的光谱响应特性可以从几纳米开始。

（3）电子：第一倍增极的材料对俄歇电子、二次电子和反射电子也具有一定的响应。下图显示了铍铜氧化物和氧化铝的初级电子加速电压与二次电子发射比之间的关系。当初级电子加速电压约为400伏至500伏时，二次电子发射比达到最大值。。

# 增益

电子倍增器的增益由以下公式给出：Gain(μ) = A * Ebb ^Kn。其中，A为常数，Ebb为供电电压，K为二次电子发射系数，由电极结构和材料决定，n是倍增极级数。
根据这个公式，增益（µ）与供电电压成正比。下图显示了典型电子倍增器的增益随供电电压的变化情况。

下图所示的测试系统可用于测量单个离子输入条件下电子倍增器的增益。脉冲高度分析仪测量每秒总计数；而电流表则在同一条件下测量输出电流值。增益通过”输出电流/基本电荷/每秒计数”计算得出。

如果使用示波器，则可以通过“输出脉冲波形的面积（电荷量）除以基本电荷”来计算增益。当使用配备有法拉第杯的电子倍增器时，增益也可以表示为乘以倍增器后的阳极输出电流与法拉第杯的输入电流的比值。

# 倍增极介绍

由于电子倍增器具有低噪声和高增益的特点，所以具有较高的信噪比。低噪声和高增益是通过多个电极组成的电子倍增部分实现的，这些电极也被称为倍增级。滨松电子倍增器基于先进的光电倍增管技术设计和生产，因此具有较高的性能。下面将描述电子倍增部分中的倍增级结构。

（1）盒栅型：由一系列四分之一圆柱形的倍增级组成，具有较好的电子收集效率和良好的均匀性，即使是在高电压的情况下也能防止高压击穿！

（2）环形聚焦型：环形聚焦型倍增级的特点具有结构紧凑和快速时间响应的特点。

（3）线性聚焦型：线性聚焦型具有快速时间响应的特点，且结构简单，易于设计和使用。由于这些优点，线性聚焦型电子倍增器经常用于需要并排安装多个检测器的磁场偏转质谱仪中。

（4）盒线型：结构由盒式栅格和线性聚焦的倍增级组成，其时间响应优于盒式栅格型，离子收集效率高于线性聚焦型。

（5）栅网型：这种类型由三角形截面的金属丝以网状堆叠而成。这种结构具有较好的线性度，并且受磁场影响较小。与其他结构相比，这种类型更容易设计出有效面积更大的探测器。。

# 真空噪声

真空度也会影响电子倍增器噪声水平。通常情况下，当真空度为10^-5帕时，噪声比较低；但随着真空度下降至0.1帕，噪声会显著增加。所以我们建议将电子倍增器的工作真空度设置在约10^-2帕以上，具体的数值需要参考具体型号电子倍增器的参数要求。

# 线性度

电子倍增器在出厂时内置了分压电路。电源电压除以分压电路的总电阻，可以计算出流过分压电路的电流。输入离子能量与平均阳极电流之间在一定的范围内保持理想线性关系。然而，随着输入能量或输入离子数量的增加，输出电流也会增加，并接近分压电路中的电流值而出现饱和。为了保持理想的线性，我们可以将平均阳极电流调节到分压电路中电流的1/20或更低。同时为了实现高的计数率，我们可以选择具有快速响应时间和较低总电阻的线性聚焦类型的电子倍增器。但是需要注意，随着电阻的降低，分压电路可能会产生更多热量。

# 寿命特性

电子倍增管的使用寿命通常受工作增益、输出电流和工作真空度的影响。以下三个因素是寿命的主要影响因素。
1. 入射离子导致的第一倍增级或转换倍增级的劣化；
2. 由于大量的电子碰撞，导致最后几级倍增级二次电子发射能力的劣化；
3. 附着在二次电子发射表面上的污染物；
我们通过在存在残余气体（碳）的条件下测试电子倍增器，发现在电子密度较高的后面几级倍增器和阳极上，存在更多的碳沉积物，因此我们认为仪器内部（特别是真空室）的污染（残余气体等）对寿命有显著影响。此外，与光电倍增管不同，电子倍增管并非完全密封，因此在存储期间可能会暴露于周围气体、水分、油或油脂及其他物质，导致寿命的退化。

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