光电倍增管的光阴极技术_滨松光子学商贸(中国)有限公司

光电倍增管的光阴极技术

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光电倍增管是一种真空管，由光入射窗、光阴极、倍增级和阳极组成。光子通过光窗照射到光阴极上，光阴极发生光电效应产生光电子，然后被加速和聚集，进入倍增系统，在倍增极电子通过二次发射发生倍增，二次发射在每个倍增极上重复，导致阳极接收到的电子团倍增10⁶到10⁷倍，甚至更多。

图1（a）:PMT(端窗型)截面图

图1 （b）：侧窗型PMT

侧窗型光电倍增管通常相对有较高增益，广泛应用于分光光度计和一般光度计量系统。

图1（c）:端窗型PMT

端窗型光电倍增管在光入射窗内表面直接形成光阴极，由于闪烁体比较容易耦合到光入射窗上，因此经常用于辐射测量。

光阴极的开发主要考虑到光谱响应特性、环境适应性和量子效率，本文将针对光阴极技术展开介绍。

在此之前，我们先来普及一个关于滨松光电倍增管的小知识。不知道是否有注意到，滨松的光电倍增管产品的产品型号均以"R"开头，这是为什么呢？在上个世纪50年代，滨松已经开始了光电产品的研发和制造，在排气这个工序里，是根据阴极构造来进行品种区分的，冷阴极或热阴极。因此从那时起，光电管、光电倍增管的记录型号都以字母"R"（Rei，日文中"冷"的发音）为开头了。

滨松历史上第一个光电倍增管

1、碱性光阴极

与其他光探测器相比，光电倍增管由于有低噪声电子倍增器，所有在信噪比方面具有优异的特性。为了进一步提高信噪比，获得更高的灵敏度，光阴极的量子效率也要进一步提高。图2显示了量子效率和目前使用的典型光阴极的波长之间的关系。

图2:不同光阴极量子效率与波长关系曲线

量子效率（简写为QE）是光阴极发射的光电子数除以入射光子数，通常用百分比表示。

1951年美国人Sommer(图3 左)发明了光阴极处理工艺，通过使一层Sb和Na、K、Cs 发生反应，制造了多碱光阴极。这种光阴极在紫外到850nm的宽光谱范围内都具有比较高的灵敏度，被用在分光光度计和生物与基因相关领域的荧光测量上。

双碱阴极是由Sb和K、Cs反应制造出来的，在400nm附近有着高灵敏性。使用这种双碱光阴极的PMT被广泛应用于闪烁计数的辐射测量，因为这种光谱响应特性和NaI闪烁体的发射波长很相配。顺便提一下，这种双碱光阴极也是Sommer在1963年发明的。继Sommer发明这个光阴极，后来的专业工作者们在实践中对这两种光阴极也进行了进一步的提升，使得它们成为了今天得到最广泛使用的PMT光阴极。

光阴极的工作原理可以用能带模型来描述，根据能带理论，新的半导体光阴极和高灵敏度双碱光阴极都被开发而出，也打开了增强光阴极灵敏度和延伸光谱响应范围的道路。

图3:Alfred H.Sommer博士（左）在1984年10月25来访滨松公司。右边是滨松公司前主席昼马辉夫。

2、光阴极能带模型

因为光阴极是一种半导体，因此其工作原理可以用能带理论来描述，能带理论中有能量带隙（Ε_g）、电子亲和势（Ε_a）、费米能级（Ε_f）、功函数（φ）等术语。图4显示了一种碱阴极能带模型。当一个光子击打光阴极，价带中的电子吸收光子能量（hv），被激发到导带，往光阴极表面扩散。如果这些电子的能量超过了真空势垒，那么他们就被发射到真空中。该电子发射过程被W.E. Spicer 用下式表达。

这叫做Spicer的三步模型，用三步解释了光电子发射过程：光吸收过程、电子扩散过程、逸出过程。应用这个表达式，可以通过增加扩散长度L来增强光阴极的晶体性质，还可以通过增加Ps来降低电子亲和势，来提高量子效率。

图4:碱金属阴极能带模型

3、高灵敏度碱金属光阴极

2007年，滨松公司通过改进光阴极的活化过程，成功地增强了碱阴极的量子效率。该光阴极中，光电面在峰值波长处，平均量子效率可以达到43%，并被命名为顶级双碱（ultra bialkali），简称UBA。除了顶级双碱，我们还研发了另一种灵敏度适中的光阴极，名为"超级双碱"，简称SBA，其在350nm波长处的平均量子效率为35%。图5显示了UBA、SBA和普通双碱光阴极的典型光谱响应特性。

图5.UBA、SBA和标准双碱阴极的QE曲线

光阴极为超级双碱的滨松高量子效率型PMT

4、半导体光阴极的发展

除了在碱锑化物光阴极上的提升，研究人员亦非常热衷如GaAs等的半导体光阴极的研发。这项研究发现，经Cs-O活化处理的半导体晶体表面形成电双层铯氧化物，会引起表面能带曲线向下弯曲，因此电子亲和势有一个负值。这种光阴极被称为NEA（negative electron affinity，负电子亲和势）光阴极。图6显示了一种被Cs-O活化后的单晶体GaAS的能带模型。由于NEA允许在导带底部的电子逸出，它的灵敏度可扩展到电子带隙对应的900nm。

图6:GaAs光阴极的能带模型

光阴极材料为GaAs的滨松侧窗型PMT

由能带模型推断，能量带隙较高的半导体会有较大的NEA。所以随着GaAs光阴极的研究，对GaAsP光阴极也开始了研究。图7显示了GaAsP 的能带模型。目前，GaAsP光阴极的峰值量子效率在实际应用中可以超过50%。

图7:GaAsP光阴极的能带模型

光阴极材料为GaAsP的滨松MCP-PMT

5、近红外光阴极

为了在波长超过1.1um的波段获得足够的灵敏度，滨松研发了InP/InGaAs光阴极。这种光阴极通过在半导体表面蒸镀一层金属膜（比如银）（大概50埃厚度），来形成一个肖特基结。在肖特基电极和半导体晶体背面加偏置电压，这样在光阴极中形成一个电场，大大地降低了表面势垒，使光电子加速，并把光电子发射到真空中。

图8（a）和（b）显示了异质结场联合光阴极的光电子发射能带模型。当不加偏置电压时，由于InGaAs 光子吸收层和InP电子发射层间导带势垒ΔEc的存在，吸收层被激发的光电子不能够到达发射表面，如图8（a）所示。然而，当施加某个偏置电压时，在银肖特基电极和光阴极内部形成耗尽层，耗尽层最终到达InGaAs光吸收层和InP电子发射层之间的界面，因此在吸收层被激发的电子可以跨越势垒到达InP电子发射层。此外，光电子在InP电子发射层内被加速，使得其从导带底部Γ到更高能级带L，并且在维持高能级的情况下从发射表面被发射到真空中。

图8 (a):InP/InGaAs光阴极的能带模型

图8 (b): 施加偏置电压的InP/InGaAs光阴极能带模型

这种光阴极涵盖了很宽的光谱范围，从紫外的300nm到近红外的1600nm，与InGaAs的带隙相对应。整个光谱响应范围内几乎可以获得平滑的2%的量子效率。

光阴极材料为InGaAs的滨松侧窗型PMT

6、适用于低温下操作的光阴极

"暗物质"在天体物理学研究中是一个热门话题。有人曾建议利用光电倍增管来捕获微弱的紫外光子来探测暗物质。这些光子是由于偶然的暗物质和闪烁体原子碰撞而发射出来的。液态氙（-108℃）或者液态氩（－186℃）被用作闪烁体。在如此低温下，光阴极的表面电阻变得很大，导致光阴极电流受限。由于面电阻增大造成的输出线性特性变差，这对于很多测试是非常致命的。滨松研发的适用于低温下操作的光阴极，则可解决这一难题。

传统的在低温下运行的光阴极在阴极底部有一层铝。图9显示了传统带铝的光阴极和新型低温光阴极的典型光谱响应特性。新型光阴极在420nm的量子效率大概为28%，虽然比SBA光阴极略低，但是比传统光阴极高1.5倍。图10显示了传统带铝的光阴极和新型低温光阴极的线性度的比较。当在-100°C下工作时，传统光阴极的输出线性度在大概0.5nA时开始急速下降，而低温光阴极在1uA时依然保持线性度，这里，线性度定义为输出电流偏离初始值-5%时的电流。

图9:新型低温双碱光阴极的光谱响应特性

图10:-100°C下工作的线性度比较

7、适用于高温操作的光阴极

在油井勘探记录过程中，为了定位油或者天然气存储的位置，探测器需要进入钻孔深达地下2000米（70°C）到3000米（105°C）。这就需要开发能够抵御更高温度的探测器，研究新的碱源技术不仅仅是因为钻井过程中更换新探测器比较困难，也是因为随着钻井深度越来越大，对PMT耐高温的要求也越来越高了。PMT的光阴极在油井勘探的高温下会逐渐溶解，然而，利用Sb-K-Na混合制造的光阴极可以抵御这样的高温。滨松亦开发了可以在200°C下工作超过1000小时的光阴极。该光阴极在室温下也有很低的暗电流，是低光量探测和其他需要低噪声应用的理想选择。

图11比较了传统高温光阴极和新型高温光阴极的输出寿命特性。可以看出，新型光阴极在高温下的工作寿命是传统光阴极的大约8倍。

图11: 200°C高温环境下的输出寿命特性

光阴极材料为高温双碱的滨松端窗型PMT

8、紫外光阴极

运用GaN半导体，我公司成功生产了世界上首只透射式紫外光阴极。GaN通常是通过在蓝宝石基底上外延生长形成的。而后来开发的运用硅基底的GaN生长技术，使得高质量外延薄膜在硅基底上生长成为了可能。

利用该项技术，硅基底上经缓冲层外延生长形成氮化镓的技术获得突破。该技术使GaN晶体外延生长附着于玻璃窗，后经处理只留下氮化镓薄膜加以使用。我们还使用一种光学清理方法，利用光来清理晶体表面。该技术在波长为280nm处获得了令人满意的21.5%的量子效率。图12显示了GaN光阴极和传统Cs-Te光阴极的典型光谱响应特性。

GaN光阴极目前被用于紫外图像增强器，可以进行低光量探测和包括半导体晶片检测、雷曼光谱仪、高压输电线电量放电检测等技术在内的快速多通道（二维）测量。

图12:GaN光阴极（380 nm处量子效率为21.5% ）与Cs-Te光阴极的光谱响应特性对比

现在，尽管PMT的部分工作被半导体探测器取代，但随着PMT光阴极创新技术的发展，PMT具有了更复杂的功能和更多的应用可能。未来PMT还会被广泛在高能物理实验的低光量探测、医学设备、生物技术相关设备、油井探测设备以及天文观察设备等之中。这些应用需要更高的量子效率、更宽的光谱响应范围（延伸到红外区域）以及紫外区域更高的灵敏度。滨松将会继续研发更宽光谱响应范围、更高灵敏度的PMT（QE=100%），以满足这些特殊应用需求。

针对以上内容，如您有任何问题，欢迎联系我们

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