光電倍增管特性參數(shù)及其測量

  光電倍增管是的光電傳感器件，其暗電流、信噪比、靈敏度和時間響應等特性都具有*的特點，是非常優(yōu)秀的一類光電器件。掌握光電倍增管的主要特性與參數(shù)對微弱輻射的探測具有非常重要的意義。

1. 實驗目的

通過本實驗，了解掌握光電倍增管的暗電流、信噪比、靈敏度和增益等特性及其測量方法，為應用光電倍增管對微輻弱射的探測奠定基礎。

2. 實驗器材

①　MXY8101 光電倍增管綜合實驗儀1臺；

②　耐高壓連接線10只；

3. 基礎知識

（1）光電倍增管工作原理

光電倍增管屬于真空光電傳感器件，它主要由光入射窗、光電陰極、電子聚焦系統(tǒng)、倍增電極和陽極5部分構成，光電倍增管有多種結構類型，典型光電倍增管如圖1.40-1所示，為側窗圓形鼠籠式光電倍增管。其工作原理分下面5部分：

① 光子透過入射窗口玻璃入射到玻璃內(nèi)層光電陰極上，窗口玻璃的透過率滿足光電倍增管的光譜響應特性；

② 進入到光電陰極上的光子使光電陰極材料產(chǎn)生外光電效應，激發(fā)出電子，并飛離表面到真空中，稱其為光電子；

③ 光電子通過電場加速，并在電子聚焦系統(tǒng)的作用下射入到第一倍增極D₁上，D₁發(fā)射出的光電子數(shù)目是入射光電子數(shù)目的δ倍，這些二次光電子又在電場作用下射入到下一倍增極；

④ 入射光電子經(jīng)N級倍增后，電子數(shù)就被放大δ^N倍，圖1.40-1所示的倍增管共有8級，即N=8；

⑤ 經(jīng)過倍增后的電子由陽極收集起來，形成陽極電流，在負載上產(chǎn)生壓降，輸出電壓信號U_o。

（2）光電倍增管的基本特性參數(shù)

光電倍增管的特性參數(shù)如下。

①光電靈敏度

光電靈敏度是光電倍增管探測光信號能力的一個重要標志，通常分為陰極靈敏度S_k與陽極靈敏度S_a。它們又可分為光譜靈敏度與積分靈敏度。光電倍增管的陽極光譜靈敏度常用S_a，λ表示，陽極積分靈敏度常用S_a表示，其量綱為A/lm。

②陰極光譜靈敏度S_k,λ

S_k，λ定義為陰極電流與入射光譜光通量之比

③陰極積分靈敏度S_k

S_k定義為陰極電流與入射光通量（積分）之比

④陰極靈敏度的測量

光電倍增管陰極靈敏度的測量原理如圖1.40-2所示。入射到陰極K的光照度為E_v，光電陰極的面積為A，則光電倍增管所接收到的光通量φ_v為

通過測量入射到PMT光敏面上的照度得到入射光通量，將式(1.40-3)代入式（1.40-2），便可得到陰極靈敏度S_k ，如果入射光為單色，則所測量出來的陰極靈敏度為光譜靈敏度；而入射光為白色，則所測量出來的陰極靈敏度為積分靈敏度。

入射到光電陰極的光通量由LED發(fā)光二極管提供，用LED發(fā)光二極管很容易提供各種顏色的“單色光"，可以近似地將其看作光譜輻射量，在實驗前計算出

入射到陰極面上的光照度，再測出LED光源出光口的面積時，便很容易計算出它發(fā)出的光通量。實驗中常用的光通量為2×10^-5～2×10^-2lm范圍。

⑤陽極光照靈敏度S_a

S_a定義為光電倍增管在一定的工作電壓下陽級輸出電流I_a與入射到光電陰極上光通量φ（或照度E_k）之比

⑥電流放大倍數(shù)(增益)G

G定義為在一定的入射光通量和陽極電壓下，陽極電流I_a與陰極電流I_k之比，即

由于陽級靈敏度為PMT增益與陰極電流之積，因此，增益又可表示為

G描述了光電倍增管系統(tǒng)的倍增能力，它是工作電壓的函數(shù)。

⑦暗電流I_d

當光電倍增管處于隔絕輻射的暗室中時，其陽極輸出電流稱為暗電流。暗電流與光電倍增管的供電電壓U_bb有關，因此必須首先確定U_bb，才能測定它的暗電流I_d。引起暗電流的主要因素有：歐姆漏電、熱電子發(fā)射、場致發(fā)射、玻璃熒光與玻殼放電等。

（3）光電倍增管的供電電路

光電倍增管的供電電路常采用如圖1.40-3所示的電阻鏈分壓結構。它由N+1個電阻串聯(lián)而成，其中N為光電倍增管的倍增極數(shù)。設流過串聯(lián)電阻的電流為I_R，則每個電阻上的壓降為電流I_R與電阻R_i的乘積，因此，加在光電倍增管倍增極上的電壓為U_di=I_RR_i+1。

為確保流過電阻鏈中每個電阻的電流I_R都近似相等，應滿足關系

I_R≥10I_am           （1.40-8）

光電倍增管的輸出電流I_a，在負載電阻R_a上產(chǎn)生的壓降為輸出電壓信號Uo，即

U_o=I_aR_a            （1.40-9）

光電倍增管的供電方式有兩種，即負高壓接法(陰極接電源負高壓，電源正端接地)和正高壓接法(陽極接電源正高壓、而電源負端接地)。采用正高壓接法的特點是可使屏蔽光、磁、電的屏蔽罩直接與光電倍增管的玻璃殼相連，使之成為一體，因而屏蔽效果

好，暗電流小，噪聲低。但是，這時的陽極處于正高壓，使后面的處理電路難于連接。交流輸出信號時雖然可以采用高壓隔離電容進行隔離，但是會導致寄生電容增大；如果是直流輸出，則不僅要求傳輸電纜能承受高壓，而且后級的直流放大器也處于高電位狀態(tài)工作，會產(chǎn)生一系列的不便，危險性也增大。

負高壓接法的優(yōu)點是陽極電位低，便于與后面的放大器連接，如圖1.40-4所示，Ua直接與直流放大器相連，又可以通過電容只輸出交流信號。使用操作安全又方便。負高壓接法的缺點是玻璃殼的電位與陰極電位接近，為負高壓，玻璃殼與屏蔽罩之間的電場很高，為降低它們之間的電場，防止玻璃殼放電的發(fā)生，必須使它們分離1～2cm。

4.實驗步驟

（1） 熟悉光電倍增管實驗儀

MXY8101光電倍增管綜合實驗儀的特點是：

①儀器內(nèi)部暗室里安裝有GDB221型圓形鼠籠式8倍增級的光電倍增管；        

②實驗光源為可切換發(fā)光顏色的LED燈，燈的亮度能夠通過電位器進行調(diào)整；

③儀器面板上裝有獨立電源的數(shù)字電表可供實驗應用，第一塊電壓表的量程是2000V；第二塊電壓表的量程是200V；

④兩塊電流表為0.2mA、2 mA，基本滿足實驗過程所用。

⑤儀器面板上還安裝有高壓電源的調(diào)壓旋鈕（左面第一個），能夠調(diào)整光電倍增管實

驗所用的負高壓電源的電壓，逆時針旋轉電壓降低，順時針旋轉電壓增高

⑥面板上還安裝了光源亮度的調(diào)整旋鈕，同樣，順時針旋轉亮度增強。

MXY8101光電倍增管綜合實驗儀的外形圖如圖1.40-5所示，采用內(nèi)置式光學系統(tǒng)的方式，避免了雜散光的干擾，使實驗時能夠達到暗室的效果。打開上蓋后，可以看到光電倍增管安裝在左側黑色屏蔽殼體中，光源和探測裝置安裝在右側黑色方塊上，其前面是測量光源照度的探測器，后面是LED光源。黑色方塊與光電倍增管陰極面由黑色細管連接，黑色方塊的右側為外接被測光源的接入口，能夠通過光纖將被測光導入。

儀器表面上分別安裝了實驗過程所需要的各種數(shù)字儀表和必須用到的部件。如內(nèi)部光源的控制部件和光電倍增管的連接線等。下面分別敘述如下：光源的發(fā)光顏色切換開關安裝在儀器面板的右側，下面標有“光源切換"字樣，按動按鍵，旁邊的“光源指示"燈將發(fā)出與內(nèi)部光源同樣顏色的指示光，標志著光電倍增管接收光的顏色。光強度的調(diào)整由左側第2個旋鈕完成，其下方標有“光源亮度調(diào)整"字樣。

MXY8101光電倍增管綜合實驗儀的下面安裝有2個開關，右側是儀器的電源總開關，左面是實驗儀光源的“光源開關"，為測量光電倍增管暗電流，需要暫時關閉光源。面板上還安裝有6個插孔并分別在其上方標有字符，注明其功能。 “－E"為負高壓電源輸出端，它與“GND"插孔之間的電壓為負高壓（可由“高壓調(diào)整"旋鈕調(diào)整）；“K"為光電倍增管的陰極引出插孔；“D1"為光電倍增管第1倍增極的引出端，“DN"為光電倍增管末一極倍增極（即第8極）的引出端；“A"為光電倍增管的陽極引出端。上述插孔是光電倍增管特性參數(shù)測量過程中實現(xiàn)圖1.40-2至1.40-4電路圖的關鍵。

（2） 暗電流測量實驗步驟

①先將光電倍增管實驗儀取出，仔細觀察儀器的外接端口的定義。尤其注意其上的開關、調(diào)節(jié)旋鈕、插座和配件的名稱與意義；MXY8101 光電倍增管綜合實驗儀外形如圖1.40-5所示，其主要電極有陰極K，第一倍增極D1，末極倍增極DN（第8級），陽極A，負高壓電源-E和電源地GND等外接端口；

②在連接電源或打開電源開關前要檢查光源開關是否處于關閉狀態(tài)，高壓調(diào)整旋鈕是否旋到小值。

③在實驗面板上找到陰極K、陽極A、第一倍增極D₁與地GND等接線插孔和光源開關、高壓電壓調(diào)整旋鈕、光源調(diào)整旋鈕等重要部件，然后按圖1.40-6連接測量電路；

④用裝有100K電阻的連接線將陰極K與第一倍增極D₁相連，在陽極A與GND之間串入0.2mA電流表（A接電流表的負極，GND接電流表的正極），用來讀取陽極電流(若超量程可選用2mA電流表)；

⑤再將高壓電源的電壓調(diào)整旋鈕逆時針旋至位置，然后用連接線將“－E"插孔和倍增管的陰極K插孔相連接，在“－E"和“GND"之間并入2000V高壓表（“－E"接高壓表正極，“GND"接高壓表負極）；

⑥打開光電倍增管實驗儀的電源開關，觀察到數(shù)字電流表的示值應為零值（陽極電流I_a為0），然后再調(diào)整“高壓調(diào)整"旋鈕，使高壓表的電壓逐漸增高，待增高到微安表有有效讀數(shù)時停止，讀出此時的電壓值與陽極電流值；

⑦然后，再緩慢調(diào)節(jié)高壓電源，觀測高壓表的示值，當它們分別為-100V、-200V、-300V、-400V、-500V、-600V、-700V和-800V時記錄陽極暗電流，它即為光電倍增管在不同工作電壓下的暗電流I_D值；

⑧將所測得的數(shù)據(jù)填入表1.40-1；

表1.40-1光電倍增管暗電流測量值

⑨在直角坐標系中畫出I_d~V關系曲線；分析光電倍增管陽極暗電流與供電電源電壓之間的關系；

⑩將高壓調(diào)整旋鈕調(diào)到小后再關閉實驗儀的總電源。

（3） 測量PMT的陽極電流靈敏度Sa的實驗步驟

①檢查光電倍增管實驗儀的接線端是否已經(jīng)按照測量暗電流的接法接好；再檢查高壓電源調(diào)整旋鈕和光源調(diào)整旋鈕是否已經(jīng)都逆時針旋到底；打開電源，打開光源開關，按下光源切換開關，使光源為綠色，調(diào)整光源亮度調(diào)整旋鈕使照度示數(shù)為0.5*10lx。再按照表1.40-2中的規(guī)定數(shù)值將電源電壓U_bb分別調(diào)整為-100V、-200V、-300V、-400V、-500V、-600V、-700V、-800V，記錄下當前工作電壓下的倍增管陽極電流I_a（隨著電流升高，可自行更換更大量程的電流表，防止電流表因超量程而損壞），求出Sa填入表1.40-2；

②再按照表1.40-2中的照度值調(diào)整照度分別為1*10lx、1.5*10lx、2*10lx、2.5*10lx、3*10lx，分別測量在當前照度下不同電壓下的陽極電流I_a和陽極靈敏度Sa；

③ 實驗儀的光學系統(tǒng)中，光源經(jīng)過玻璃反射到光電倍增管陰極面的光照度為光源照度的10%，經(jīng)過玻璃透射到照度探測裝置上的光照度為光源照度的90%，因此反射到光電倍增管陰極面的光照度Ek為透射到照度探測裝置上的照度E（照度計上顯示的數(shù)值）的1/9。這樣就能夠計算出光電倍增管陰極面的受光照度E_K，帶入式   （μA/lx）計算出光電倍增管的陽極靈敏度。不同顏色的光源照度是不一樣的，同學們可以自行設計測量其他顏色光源陽極靈敏度的表格并進行測量。

④將所測的數(shù)據(jù)在直角坐標中找到對應點，將這些點連接起來構成光電倍增管陽極靈敏度與電源電壓的關系曲線，從中鮮明地看出它們之間的關系。

⑤實驗完成后，先將高壓電源調(diào)整電位器逆時針旋轉到底，再關閉總電源；

表1.40-2光電倍增管陽極靈敏度的測量

（4）測量PMT的增益G

根據(jù)增益的定義，可以用如圖1.40-7所示的測量電路對光電倍增管的增益G進行測量。具體測量步驟如下：

①確認電源已經(jīng)關閉后，將光電倍增管按圖1.40-7或圖1.40-8所示連接，具體步驟如下：分別將“－E"與“GND"接到2000V高壓表的紅、黑插座上，將陰極K插孔用連線接到0.2mA電流表的“+"插孔，再將電流表的“－"插孔與“－E"相連接，用來測量陰極電流I_k；用裝有100K電阻的連接線將“－E"與“D1"連接，；將陽極“A"與2mA電流表的“－"插孔相連，電流表的“+"插孔與GND相連接，用來測量陽極電流I_a；

②先將光源亮度調(diào)整旋扭逆時針旋轉到底，然后將總電源開關閉合，打開光源開關，按下光源切換開關，使光源為藍色；

③將高壓電源電壓調(diào)節(jié)旋鈕順時針旋轉，邊旋邊看高壓表，待增高到表1.40-3規(guī)定電壓值時，停止旋轉，測量在當前高壓電源電壓下I_k、I_a值；調(diào)節(jié)光源的照度，使I_k、I_a的讀

數(shù)值適合觀測；然后，再改變電源電壓值，再重復測量I_k、I_a的值，并將測得的值填入表1.40-3；

④將表1.40-3中的數(shù)據(jù)填在直角坐標中，并畫出曲線，分析光電倍增管的增益G與電源電壓U_bb的關系；

⑤改變光源照度，重新測量，觀察增益變化。

⑥改變光源顏色，重復上述操作，觀察不同顏色光源下增益變化。

表1.40-3光電倍增管增益與電源電壓的關系

（5）陽極輸出電壓測量

①確認電源已經(jīng)關閉后，按圖1.40-9連接電路。用裝有100K電阻的連接線將K插孔與D1插孔相連接，在-E與GND之間并入2000V電壓表（-E接電壓表正極，GND接電壓表負極），用來測量供電電壓Ubb，再將K與-E相連。

②用裝有82K電阻的連接線將A和GND連接，并在陽極A與GND之間并入200V電壓表（GND接電壓表正極，陽極A接電壓表負極），用來測量陽極輸出電壓。

③完成電路連接后，將高壓調(diào)整旋扭和光源亮度調(diào)整旋鈕逆時針旋轉到底，打開電源，關閉光源，順時針調(diào)節(jié)高壓調(diào)整旋鈕，使2000V電壓表示數(shù)為表1.40-4要求值，記錄下無光狀態(tài)下不同供電電壓下的輸出電壓，填入表1.40-4。

④將高壓調(diào)整旋扭逆時針旋轉到底，打開光源，按下光源切換開關，調(diào)整光源為白色，順時針調(diào)節(jié)高壓調(diào)整旋鈕，使2000V電壓表示數(shù)為表1.40-4要求值，記錄當前供電電壓下的輸出電壓，填入表1.40-4。

⑤更換光源顏色，重復上述操作，觀察陽極輸出電壓變化。

⑥調(diào)整光源亮度，重復上述操作，觀察陽極輸出電壓變化。

表1.40-4

光電倍增管測量微弱輻射的強度利用如圖1.40-4所示的電路測量微弱輻射強度實驗時應該先將被測輻射通過儀器內(nèi)部右側的黑色方塊右邊的如圖1.40-10所示的“接入裝置"接入到儀器（可以利用接入裝置的M8×1螺紋將外接被測輻射接入），然后再開機進行實驗。實驗時內(nèi)部光源應該處于關斷狀態(tài)。若使用如圖1.40-4所示電路的放大器，要注意

放大倍率的調(diào)整與標定，既要使輸出電壓的幅度便于觀察又要滿足動態(tài)范圍的要求。顯然，MXY8101 光電倍增管綜合實驗儀在設計上采用內(nèi)置式光學系統(tǒng)避免了雜散光和強光的照射，因此在光電倍增管不工作的情況下，可以將光電倍增管屏蔽盒的上蓋擰下來，觀看光電倍增管的結構。

5. 關機與結束

① 將所測的數(shù)據(jù)及實驗結果（包括實驗曲線）保存好，分析實驗結果的合理性，如不合理，則要重新作上述實驗；若合理，可以關機；

② 后，將所用的配件放回配件箱；將實驗所用儀器收拾好后，請指導教師檢查，批準后離開實驗室。