光電倍增管特性及應(yīng)用研究

陳 超

（北京濱松光子技術(shù)股份有限公司，廊坊 065000）

光電倍增管是光電子技術(shù)領(lǐng)域的研究成果，基于二次電子發(fā)射理論，能夠通過光電子轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換的高靈敏度電子器件。由于其具有暗電流低、高靈敏度等一系列優(yōu)秀電子特性，因此在精度要求較高的臨床檢測分析和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域都有著較好的發(fā)展前景，隨著我國整體高新技術(shù)領(lǐng)域研究的不斷深化，對具有優(yōu)異光電特性的光電倍增管需求將顯著提升，必將引領(lǐng)新一輪的技術(shù)革命，并有效推動社會生產(chǎn)力的進(jìn)步與發(fā)展。

1 光電倍增管的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

光電倍增管簡稱PMT，是一種高增益高靈敏性的光電設(shè)備，其工作原理是建立在光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上的。光子入射到光陰極上產(chǎn)生光電子；光電子通過輸入電子光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)入倍增系統(tǒng)；電子經(jīng)過多次倍增以后由陽極收集起來，形成電流。因此，盡管光電倍增管的結(jié)構(gòu)型式很多，但從本質(zhì)上來說，都是由光陰極、輸入電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極組成。當(dāng)足夠能量的電子轟擊電極表面時，就有一定數(shù)目的電子從電極表面發(fā)射出來。我們稱入射的電子為一次電子，電極發(fā)射的電子為二次電子。

相應(yīng)地，該電極和電極表面材料分別稱為二次發(fā)射極和二次發(fā)射體。二次發(fā)射的物理過程與光電發(fā)射非常相似，所不同的是在二次發(fā)射過程中，入射的是一次電子，而不是光輻射。所以，同光電發(fā)射一樣，二次發(fā)射過程也可以劃分為三個階段：一是入射電子與發(fā)射體中的電子相互作用，一部分電子被激發(fā)到較高能級。二是一部分受激電子向發(fā)射體—真空界面運(yùn)動。三是到達(dá)表面的電子中，能量大于表面勢壘的那些電子發(fā)射到真空中。吸收了入射電子能量以后，二次發(fā)射體中產(chǎn)生受激電子，其數(shù)目與入射電子能量有關(guān)[1]。在光電倍增管工作過程中，會反復(fù)出現(xiàn)二次電子的釋放情況（一般會出現(xiàn)5-6個），被釋放出的電子在電勢差作用下又會被撞向其余的打拿極，再次釋放出電子。因此，在光電倍增管內(nèi)的打拿極鏈會無限的將二次電子發(fā)射持續(xù)下去，最終產(chǎn)生105-107倍的電子增益。為保障循環(huán)持續(xù)相對長的時間，要保持各個電極之間的電勢差，一般打拿極之間的電壓差保持在100伏左右。打拿極鏈中，電子集聚向陽極，并被陽極吸收后輸出電子脈沖。

2 光電倍增管的特性

2.1 暗電流

暗電流是光電倍增管的首要特性，即便在光電倍增管沒有光照的情況下，也會有極微弱的電流流過，將其稱之為暗電流。由于光電倍增管的電流放大能力極強(qiáng)，并且對數(shù)據(jù)精度要求較高，因此高品質(zhì)的光電倍增管一般暗電流會相對較小，以保障光電倍增管精度和輸出穩(wěn)定性。光電倍增管在持續(xù)工作時，打拿極反復(fù)經(jīng)過二次電子發(fā)射，內(nèi)部會出現(xiàn)較高的熱量，因此對光電倍增管進(jìn)行降溫處理可以有效的抵消掉暗電流現(xiàn)象對數(shù)據(jù)精度的影響。但是在使用冷卻法處理暗電流現(xiàn)象時，只能盡可能在理論范圍內(nèi)無限縮小暗電流，并不能根本上消除暗電流對光電倍增管的影響[2]。

2.2 時間特性

光電倍增管在高能物理學(xué)和高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用過程中，一般對時間分辨率的要求都相對較高。在光電子技術(shù)領(lǐng)域，上升時間是指脈沖高度從10%達(dá)到90%所需的時間，而下降時間指脈沖高度從90%回到10%所需的時間。測試響應(yīng)時間時，對光電信號的要求十分嚴(yán)謹(jǐn)，否則信號輸出會造成失真現(xiàn)象。此外，有時光電倍增管測試還會使用渡越時間這一概念，渡越時間是從入射光入射到光電面起，到輸出脈沖出現(xiàn)為止的時間[3]。

2.3 穩(wěn)定性

作為高能物理學(xué)研究常用核心部件，對光電倍增管的穩(wěn)定性自然提出了較高的要求。在實(shí)際使用過程中，光電倍增管的穩(wěn)定程度會受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，環(huán)境狀態(tài)與打拿極數(shù)量都會影響到光電倍增管的穩(wěn)定性。一般情況下，引起光電倍增管信號輸出不穩(wěn)定的原因較多，可能是光電倍增管內(nèi)部氣體殘留或接觸不良造成的，根據(jù)北京某光電子技術(shù)儀器制造商提供的資料，結(jié)構(gòu)松動、極間放電、焊接錯誤等原因都會引起光電倍增管穩(wěn)定性問題，隨著我國光電倍增管市場化生產(chǎn)逐漸成熟，在大規(guī)模投放市場前，應(yīng)當(dāng)對光電倍增管生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)加以規(guī)范。測試穩(wěn)定性的方法可以通過連續(xù)對光電倍增管射入光線，觀察并記錄數(shù)據(jù)變化，通過波形圖檢測光電倍增管工作穩(wěn)定性[4]。

2.4 脈沖線性

脈沖線性是光電倍增管的重要技術(shù)指標(biāo)。由二次電子發(fā)射原理可知，電極會在電勢差下頻繁輸出電能脈沖，而對脈沖線性穩(wěn)定的保障是進(jìn)行科學(xué)理論研究的基本要求。當(dāng)光電倍增管在工作過程中因空間電流、電阻率與電壓變化導(dǎo)致非線性狀態(tài)，都會影響光電倍增管正常使用。一般而言，在正常合規(guī)的使用環(huán)境下，光電倍增管能夠在光電變化較大的空間內(nèi)進(jìn)行工作。

3 光電倍增管的應(yīng)用研究

人類對于光電倍增管的研究從20世紀(jì)70年代就已經(jīng)展開，對其穩(wěn)定性及技術(shù)升級相關(guān)的理論研究也從來沒有停止過。在冷戰(zhàn)時期，美蘇都對光電子技術(shù)發(fā)展相當(dāng)重視，因?yàn)楣怆姳对龉苣軌蛟诠鈱W(xué)電控系統(tǒng)及自動化領(lǐng)域提供技術(shù)支持，對高新技術(shù)和軍工醫(yī)療領(lǐng)域都有重要的推動作用，因此光電倍增管的發(fā)展一直十分迅速。冷戰(zhàn)結(jié)束后，美蘇競爭的技術(shù)遺產(chǎn)開始在全世界范圍內(nèi)散播，盡管我國光電子技術(shù)起步較晚，但發(fā)展速度極快，加上我國后發(fā)技術(shù)優(yōu)勢，使我國的光電技術(shù)領(lǐng)域達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。在醫(yī)療領(lǐng)域，光電倍增管可以用于醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，為醫(yī)療人員診斷提供信息支持；在化學(xué)分析領(lǐng)域，光電倍增管可以用于光譜儀等各型監(jiān)測設(shè)備，有效提升科研精確度；在光學(xué)領(lǐng)域，基于光電倍增管和光電子技術(shù)應(yīng)用的電子顯微鏡技術(shù)能夠幫助科研人員深入觀察微觀世界，幫助人類探索未知領(lǐng)域[5]。

4 結(jié)束語

光電倍增管具有高增益性、低噪音、高頻率響應(yīng)和高靈敏度的特性，使其在化學(xué)分析、高能物理學(xué)和醫(yī)療臨床研究等高新技術(shù)領(lǐng)域有著不可替代的作用，可以說正是光電子技術(shù)有效推動了高新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，為多項(xiàng)領(lǐng)域研究提供技術(shù)保障，隨著我國光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，必將有效帶動我國知識經(jīng)濟(jì)與新興領(lǐng)域的發(fā)展，并轉(zhuǎn)化為社會生產(chǎn)力為社會發(fā)展發(fā)揮更多積極作用。