光电倍增管PMT (photomultiplier tube) 原理、结构和特性总结

在学习单光子计数器的时候涉及到了外光电效应和光电倍增管。

为了对外光电效应和光电倍增管有更深刻的印象，故参考下面的论文写了本文。

• 王海科,吕云鹏.光电倍增管特性及应用[J].仪器仪表与分析监测,2005(01):1-4.

目录

光电倍增管的理论基础

光电倍增管的分类

工作原理

结构

电子发射极(阴极)结构

阳极结构

特性

阴极灵敏度

阴极电流光谱响应度

阳极电流光谱响应度

线性

光谱响应

电流放大倍数(增益)

(阳极)暗电流

噪声

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光电倍增管的理论基础

• 光电子发射效应(外光电效应): 光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大，电子会克服束缚逸出表面，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。
• 二次电子发射：二次电子发射是指用电子流或离子流轰击物体表面，使之发射电子的过程叫二次电子发射。发射的电子叫次级电子或二次电子。二次电子的数目取决于入射离子或电子的速度、入射角、物体的性质及物体表面的状态。
• 电子光学理论。

 

光电倍增管的分类

直流工作方式：适用于长时间或重复性测量弱光事件；

脉冲工作方式: 适用于短时间或一次性测量弱光事件。要将光电倍增管用在时间过程快、光强变化大, 并且是单次发生的冲击事件等的测量中, 必须使其工作在脉冲状态下, 以提高光电倍增管的动态范围, 并通过一定措施增大信号幅度；

工作原理

图1: 光电倍增管原理图

光电倍增管的原理图如图1所示。

电子光学聚焦系统：聚焦级D+阴极K 。 它将光电阴极发射的电子汇聚成束并通过膜孔打到第一倍增极。

在高速初电子的激发下，第一倍增极被激发出若干二次电子，这些二次电子在电场作用下达到第二倍增极，又引起更多的二次电子发射，此过程一直持续到D10. 最后，经倍增的光电子被阳极收集而输出光电流，在负载RL上形成电压V0.

 

结构

电子发射极(阴极)结构

图2 电子发射极(阴极)结构

 

上述结构中，阴极表面电位分布均匀(因额外i有球面形光电阴极+圆筒形电极)，而且从不同方向(阴极中心和边缘)发射的电子轨迹长度相差很小，花费的时间几乎相等。

阳极结构

图3 阳极结构

阳极常常采用栅网状结构，如图3所示。

 

特性

阴极灵敏度

设入射到阴极的光通量为Φ，阴极电流为ik,则阴极灵敏度sk为：

sk=Φ/ik

阴极电流光谱响应度

阴极电流光谱响应度Rk(λ)为：

其中，为量子效率， p1 (λ) 是波长λ为的入射光功率, q为电子电荷电量；

阳极电流光谱响应度

光电倍增管的阳极电流光谱响应度为:

Ra (λ) =Rk (λ) ·G

G为光电倍增管的放大倍数, 对不同光电阴极材料性质的光电倍增管有不同的sk和sa。

线性

非线性产生的原因及解决方案如下：

• 空间电流: 使极间电压保持较高、管内电流密度尽可能小一些就能防止空间电荷引起的非线性.
• 光电阴极的电阻率
• 聚焦
• 收集效率的变化
• 信号电流造成负载电阻的负反馈: 采用运算放大器作为电流电压转换器, 使有效的负载电阻很小可防止负载电阻引起的非线性
• 电压的再分配

正常情况下, 若使用合理, 很多光电倍增管很大范围内能工作在线性区

光谱响应

光电倍增管的阴极将入射光的能量转换为光电子, 其转换效率 (阴极灵敏度) 随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。

光谱响应特性的长波端：取决于光阴极材料；
光谱响应特性的短波端：取决于入射窗材料；

电流放大倍数(增益)

光阴极发射的光电子-->电场加速-->撞击第一倍增极-->产生多于光电子数目的电子流I1；

I1-->电场加速-->撞击第2倍增极-->产生多于I1电子数目的电子流I2；

I2-->电场加速-->撞击第3倍增极-->产生多于I2电子数目的电子流I3；

......

电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比值。在理想情况下, 具有n个倍增极, 每个倍增极的平均二次电子发射率为δ的光电倍增管的电流增益为δn。

其中，A为常数，E为极间电压；α与倍增极材料和几何结构有关，通常0.7-0.8

(阳极)暗电流

无光照射时, 光电倍增管仍有微小的输出电流, 即暗电流,.

它是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素之一；

减少暗电流的方法主要是选好光电倍增管的极间电压。

噪声

噪声来源：

• 光电倍增管基本工作过程引起的噪声：包括阴极电流产生的散粒噪声 + 各倍增极产生的散粒噪声。
• 倍增管设计和制造方式所引起的噪声：光阴极热离子发射；寄生气体电离；光反馈；自发发射等。

 

本文大量总结并摘自：

王海科,吕云鹏.光电倍增管特性及应用[J].仪器仪表与分析监测,2005(01):1-4.