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【技术文章】光电倍增管讲堂

点击数：10022019-05-27　来源：深圳易创电子科技有限公司-专业 您值得信赖



光电倍增管讲堂

编辑：王芳

一、    探测范围

从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释放出电磁波，且温度越高，释放的电磁波波长就越短。电磁波由低频到高频主要分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。各个波段都有其独特的作用，无线电波用于卫星通信等；红外线用于遥控、热成像仪、红外制导导弹等；可见光是所有生物用来观察事物的基础；紫外线用于医用消毒，验证假钞，测量距离，工程上的探伤等；X射线用于CT照相；γ射线用于治疗等。

 

正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的电磁波，它是一位人类素未谋面的“朋友”。即使是可见光，人类眼睛对微弱光也无能为力。但是这位朋友与我们的生活息息相关，如何清楚认识并充分利用就显得尤为迫切和重要。而光电倍增管在宽光谱和极微弱光的探测方面都是一个不错的选择。

 

光电倍增管（Photomultiplier Tube，简称PMT）是一种真空玻璃器件，可将光信号转化为电信号，因超高灵敏度和快速响应等特点备受关注。在检测光谱方面，其可探测约100nm~1μm范围内的光信号。此外，在更短波方向，如γ射线、X射线探测使用的辐射探测器，以通过各种闪烁体转化成可见光，然后再通过PMT进行检测，其关键器件也是PMT。

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图1 不同探测器件可探测光谱范围

 

PMT除有较宽的光谱响应范围外，还有高灵敏度、低探测下限的特点，与其他探测器相比也是有很大优势的。根据入射到PMT的光强度和输出处理回路带宽的处理方法的不同，PMT的使用可分为模拟法和计数法。改变入射光的强度，可看到在强光范围内，用示波器观察PMT输出信号时，因其脉冲间隔狭窄而相互重合为模拟波形，探测光强上限约为10-9W。当光极其微弱时，光子呈现粒子性，普通模拟法应用的PMT无法分辨，而在光子计数应用下，PMT却可分辨出单个光子的信号，探测下限可达10-16W，是极微弱光探测的利器。

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图2 不同探测器件可探测光强范围

 


二、    基本原理

光电倍增管：“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。

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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，以下以传统PMT为例分别介绍各部分特性。

 

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图2 光电倍增管结构图

1. 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。

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表1 PMT常用窗材种类

*1：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”。

 

2. 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。光阴极面按光电子发射过程可分为反射式和投射式，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。

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表2-1 反射型光阴极面特性


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表2-2透射型光阴极面特性


 

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图3 不同阴极面颜色的PMT


3.  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。

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表3各种倍增极特性


4. 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。

 


三、    基本选型方法

1.  按光谱响应范围分类选择

虽然PMT可探测光谱范围很宽，但每一种管型可直接响应的波段范围是有限的，为使其探测效率得到充分利用，同时又不造成性能及成本的浪费，需要根据入射光的波长选择合适波段的PMT，如图1所示。

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图1 常见PMT响应范围

 

2. 按光强大小分类选择

PMT是微弱光探测的利器，根据入射光强大小及后续电路处理方法的不同，可分为模拟用PMT（常规型号PMT）和光子计数用PMT（型号后缀带“P”标识）。前者可探测10-11W~nW量级的光强，后者可探测10-16W~10-11W量级的光强，二者在10-11W量级光强范围存在交叠部分，需根据实际应用及入射光其他特性具体分析哪种更加适合。

 

3. 按光阴极面尺寸分类选择

根据入射光的光斑形状、大小、与PMT的距离关系等选择合适的PMT。如狭缝形的光斑更适合用侧窗型PMT。阴极面大小选择以尽量多的收集光束为原则，如图2所示，在光源特性完全一致的情况下，（a）PMT阴极面尺寸略小，不能有效收集光信号；（c）光信号虽可全部入射到PMT上，但光斑相对阴极面尺寸过小，阴极面边缘部分没有有效信号，却会产生噪声，使信噪比下降；（b）尺寸的选择明显优于（a）和（c）；（d）相比（b）而言，减小光源与PMT之间的距离，可提高光信号的收集效率、增大PMT的探测效率，是PMT的首选方案。

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图2 不同阴极面尺寸及测试距离与光束收集的关系

 

4. 按响应时间分类选择

大多数PMT响应时间在几个~几十个ns，能够满足大部分的发光测试，但对特殊应用领域，如正电子发射断层显像（Time of flight-positron emission tomography，简称TOF-PET）、荧光寿命检测等，响应时间为10-10~10-11s量级的PMT可以为用户提供选择。此外，最终输出信号的响应频率是否能同步反映入射光信号的频率，除PMT的响应时间外，后续电路的处理也很关键，对于选择探测器模块的用户来说，需要考虑模块带宽是否满足需求。

 

5. 按使用环境分类选择

根据使用环境的不同选择不同的PMT，常见的环境差异如温度、磁场等。常规PMT可在-30~50℃的环境中使用，若在石油测井等高温强振动环境中就需要高温PMT，其工作温度通常在150~175℃，随着应用要求的不断提升，耐200℃高温的PMT也已经推向市场。此外，PMT本身对磁场较为敏感，在有磁场干扰的环境中使用，会导致其输出变化，可使用增加磁屏蔽的PMT（型号后缀带“C”标识）。

 

四、    基本使用方法

光电倍增管后续需要配合相应附件及电路，如管座、分压器、高压电源等，才能使电信号正常输出并处理。

 

为了安装及拆卸方便，可以使用管座，用户将管座与分压器焊接，PMT直接在管座上插拔使用。常见管座如图1所示，可根据安装方式及空间选择。此外，成品PMT管针部分有几种不同方式，如硬丝、软丝、带管基等，如图2所示，硬丝、带管基的PMT可以直接使用管座，软丝PMT一般直接与分压器焊接。

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图1 不同形状及尺寸的管座

 

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图2 不同管针形式的PMT

 

PMT中的电子运动是由电场决定的，在各极之间供给高压电子才能实现倍增并从阳极输出，此高压需由一个稳定的高压电源（通常在1kV~2kV）提供。由于PMT的增益非常大，其对高压电源的电压变化是非常灵敏的。这种情况下要求PMT输出电流稳定在1%以内，那高压电源的稳定性则必须优于0.1%。

 

此外，需要使用分压器回路把电源高压分配给各倍增极，并使各倍增极间拥有一个合适的电压梯度分布。图3为PMT管脚排布示意图，图示方向为面向PMT管针所看到的排布，其中“K”为阴极、“DY为倍增极”、“P”为阳极（信号输出端），“IC”为内部短接（此处使用中需悬空），不同PMT的管脚排布有所不同，分压器电路的设计要与管脚排布匹配。图4所示为PMT分压器示意图，在阴极、倍增极和阳极之间用数个电阻（100k~1MΩ）进行分压，得到各级间的规定电压（不同PMT有各自的推荐分压比，可在产品样本中查询），若输出为脉冲信号，可在后几级增加电容器件。详细的分压器电路设计将在后面章节说明。

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图3 PMT管脚排布图


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图4 分压器设计示意图


PMT连接分压器和高压便可从阳极输出电流信号，后续连接回路的设计根据入射光强的不同而有所区别，如图5所示，其中a）直流方式，是将PMT的直流成分分别通过放大器、低通滤波器之后再进行检测，该方法适用于探测光强相对较强的情况，且使用较为广泛；b）交流方式，是将PMT的输出通过电容器取其交流成分，再用平方检波器将其变成直流成分进行检测，该方法一般适用于光强较弱的情况，在此情况下，输出信号中的交流成分压制了直流成分而占主导地位；c）光子计数方式，是将PMT的输出脉冲先放大，再经过脉冲幅度甄别器进行选择，然后对幅度在某一甄别电压之上的脉冲进行计数，该方法适用于观察从PMT输出的脉冲是离散的情况，因此其在极微弱光探测领域即单光子领域是一种非常有效的方法。

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图5 PMT输出信号处理方法