当前课程知识点:核辐射物理及探测学 > 第九章 闪烁探测器 > 9.2 光电倍增管 > 9.2.1 光电倍增管及其主要性能
那么在说完闪烁体之后呢
我们来介绍一下
能够构成闪烁探测器的
另外一个主要的部件
那么就是光电倍增管
当然这个里面我们主要用
光电倍增管来介绍
并不是说只有光电倍增管
才能用来构成闪烁探测器
另外还有一些其它的
光电转换器件
也可以做类似的工作
但光电倍增管
其实是应用最广泛的
所以我们用光电倍增管为例
来说明它
那我们先来看一下
什么是光电倍增管
我们说光电倍增管呢
是实现光电转换
和电子倍增功能的
一个电真空的这个器件
那么它用来测量微光的光强
我们来看光电倍增管
主要由哪些部件构成的
那么光电倍增管
通常是一个玻璃外壳
但是这个外壳
是一个密闭的外壳
然后它里面包括了几种电极
通常是三种电极
第一个和这个光直接作用的电极
我们叫光阴极
它实现的功能
就是一个光电转换的功能
然后第二种电极
我们叫打拿极
打拿极的作用就是一个
电子倍增的一个过程
就是说电子打到打拿极上
产生的电子比
打到它上面的电子要多
所以实现了一个电子的倍增
那么打拿极通常有多极
有几极或者十几极这样构成的
所以最后使得
它的放大倍数会比较大
那么最后一个电极
我们叫阳极
当然阳极
它不再发生电子的倍增
通常阳极直接可以输出信号
那么这是
光电倍增管的主要部件
和它基本的工作原理
那么我们来看一下
光电倍增管的各种的形式
那么我们说光电倍增管的形式
是多种多样的
根据用途的不同
可能可以制造出
各式各样的光电倍增管
那么根据窗的位置不同
我们可以把光电倍增管
分成端窗型的和侧窗型的
所谓侧窗型的就是说
它的光阴极所对应的这个窗呢
是在圆柱形的侧面
然后端窗型是圆柱形的端面
这个从名称上很容易去区分
那么我们还可以根据
光阴极的形式不同
给它分成两类
一类叫反射式的光阴极
也就是说光子入射
和电子出射是在同一面
我们叫反射式的光阴极
最常用的还是透射式的光阴极
也就是说光从一面入射
电子从另外一面出来
我们叫透射式的光阴极
那么根据
这个电子倍增系统的不同
我们也可以把它分成两类
一类叫聚焦型的
一类叫非聚焦型的
那么聚焦性呢
通常它有比较快的响应时间特性
用于时间测量
或者响应时间比较快的那些场合
主要的结构呢
包括了直线结构和环状结构
下面这个结构描述的是
它的倍增系统的结构
那么非聚焦型的呢
它通常电子倍增系数
可以做的比较大
一般能谱测量系统
我们多用这个非聚焦型的
像这种百叶窗结构的
或者盒栅型结构的
通常都是非聚焦型结构的
下面我们来介绍一下
光电倍增管的主要性能
那么光电倍增管的主要性能呢
最重要的性能
第一个就是它的光谱响应
也就是说
它对什么样的光是敏感的
具体的说就是
它的光阴极受到光照之后
它发射光电子的概率
是入射光波长的函数
我们把这个函数称为光谱响应
或者通常情况下
其实是一条曲线
我们叫它的光谱响应曲线
那么我们了解
光电倍增管的光谱响应
是要和前面我们所说到的
闪烁体的发射光谱
它们俩去对应
它对应得比较好
或者匹配得比较好
才能构成一个比较好闪烁探测器
那我们来看一下
光电倍增管的第二个属性
叫光照灵敏度
那么光照灵敏度
我们可以把它分为
阴极灵敏度和阳极灵敏度
我们先来看它的阴极灵敏度
所谓阴极灵敏度
描述的是我们在光阴极上
照单位光通量的光
然后在光阴极上能够产生的
光电子电流的大小
所以这个是直接描述了
它阴极的一个特性
我们叫阴极灵敏度
那么阳极灵敏度描述的是
我们照在光阴极上
单位光通量的光
然后能够在阳极上
产生的电流信号
我们叫它的阳极灵敏度
显然阳极灵敏度
其实不光取决于阴极灵敏度
而且取决于什么
取决于它倍增的一个系数
所以有了阴极灵敏度
和阳极灵敏度之后呢
我们就可以定义
光电倍增管的增益
光电倍增管的增益指的是
阳极接收到的电子数
除以第一打拿极收集到的光电子数
我把它定义为光电倍增管的增益
那么具体的我们可以
把它写成下面这个形式
也就是说它的阳极灵敏度
除以阴极灵敏度
但是阴极灵敏度之前呢
我们要乘上一个系数
这个系数描述的是第一打拿极
对光电子的收集效率
也就是说
从阴极出发的光电子
未必都能打到第一打拿极上去
那么这个中间有一个效率
我们进一步的话
可以把它写成阳极电流
除以阴极电流乘上这个系数
或者我们也可以把它写成
几极它的放大倍数的
一个连乘的形式
也许就是δ的n次方
δ之前
我们也加上一个系数
这个系数描述的是
打拿极间电子的传输效率
也就说
从前面一个打拿极出来的电子
其实也未必都能打到
下一个打拿极上去
有一些损耗
所以我们用g去表示它这个效率
那么光电倍增管的增益呢
根据不同的类型
不同的高压
那么它是不一样的
通常可以达到
10的六次方到
10的八次方这样一个量级
所以我们会看到
光电倍增管的增益有这么大
所以闪烁探测器的输出信号
通常这个信号并不是太小的
那么光电倍增管
在使用上我们还要注意
它的一些问题
那么包括了它的暗电流
和噪声的问题
那么所谓的暗电流和噪声
我们来看一下
它描述的是这样的一个情况
指的是工作状态下的光电倍增管
完全与光辐射隔绝的时候
它的阳极仍然能够输出电流
和脉冲信号的这样一个特性
显然这个时候我们说
它输出电流或者脉冲信号
都不是因为
它测到了光而产生的
因为我们完全与光隔绝了
那么这个时候的输出的电流
我们叫它叫暗电流
这个时候输出的脉冲信号
就是噪声信号
它的主要成因
包括了下面几个方面
一个是光阴极
它有热电子发射
也就是说这个时候
没有光打到光阴极上去
但是光阴极上依然有电子发射
这样的一个情况
所造成的有暗电流
和噪声的情况
也包括了在这个光电倍增管里面
虽然是一个电真空的器件
但难免还会有残余的气体
那么残余气体的电离呢
我们说会有离子反馈
和光子反馈的一些问题
也会形成暗电流和噪声
第三个问题就是
它里面可能会存在一些
尖端放电的问题
或者漏电的问题
那么这个主要是
制造工艺所形成的
所以它会有暗电流和噪声
当然这个是我们不希望有的
通常情况下
我们希望它越小越好
那么它的指标呢
我们通常用这样的
两个指标去描述它
一个叫噪声能当量
噪声能当量
描述的是噪声的一个特性
也就是说当没有任何光子
照射到光阴极上的时候
我们可以测得
这个光电倍增管的一个噪声谱
这个噪声谱描述的是
噪声输出脉冲幅度的一个分布
我们把纵坐标
取n等于每秒钟50个计数
然后把这个相应的脉冲幅度
所对应的入射粒子的能量
称为噪声能当量
当然这个已经对应到
入射粒子能量上了
所以单位是取keV
那么这个是描述它的噪声特性
那么还有一个特性呢
就是暗电流
也是阳极暗电流
那么我们说这个阳极暗电流
实际上是它噪声脉冲信号的
一个平均值
而通常情况下就是直接用
这个电流的单位去描述它
一般情况下
光电倍增管的暗电流
差不多是10的负六次方
到10的负十次方安培
这样一个量极
那么我们来看一下
光电倍增管的时间特性
那么光电倍增管的时间特性呢
我们用两个时间去描述它
一个叫飞行时间
一个叫飞行时间的离散
飞行时间呢
我们也叫渡越时间
指的是光电子从光阴极
到达阳极的平均时间
那么渡越时间离散描述的是
飞行时间或者渡越时间
分布函数的半宽度
我们说到达阳极的每个电子
都经历了不同的倍增过程
和飞行距离
渡越时间离散呢
描述了或者反映了
这个飞行时间的涨落
渡越时间的离散呢
决定了闪烁探测器的
时间分辨本领
那么这张表里
给出来不同类型的
就是不同打拿极类型的
光电倍增管
它的电子飞行时间和飞行时间离散
从这个上面我们会看出来
有一些光电倍增管
它的电子飞行时间是比较快的
例如只有几个纳秒
有一些是比较慢的
可能慢到六七十个纳秒
这样的一个情况
那么通常情况下飞行时间越大
它的飞行时间的离散
也会相应地比较大
所以我们在选择
光电倍增管的时候要注意
如果你注重于
测量时间特性的话
你就要选择那些飞行时间小
飞行时间离散小的那些
光电倍增管
最后我们来看一下
光电倍增管的稳定性
稳定性指的是
在恒定的辐射源照射的情况下
光电倍增管的阳极电流
随时间的一个变化
那么这个变化
我们叫它的稳定性
那么光电倍增管的稳定性呢
通常我们用两个稳定性
去描述它
一个叫短期稳定性
一个叫长期稳定性
所谓的短期稳定性呢
指的就是建立稳定的工作状态
所需要的时间
那么通常情况下
闪烁探测器
需要有一个开机预热的时间
一般预热半小时之后
才开始测量是比较好的
因为你躲过了那个
短期不稳定性
另外一个就是它的长期稳定性
那么光电倍增管的长期稳定性呢
指的是在工作达到稳定之后
它随着时间
还有一个略有下降的
一个比较慢的变化
当然长期稳定性
和你管制的材料 工艺等等有关
同时和周围的环境温度
显然也是有关系的
在长期工作的条件下
我们说闪烁探测器
是需要采取一定措施的
我们叫稳峰的措施
因为它有这样的慢的变化过程
你可能就需在长期工作的时候
实时地去反馈
找到它的这种慢的变化
可能需要通过提升
工作电压等等措施
把这个慢的变化
给它纠正过来
我们叫它叫稳峰
那么最后我们来看一下
光电倍增管应用中
应该注意的几个问题
那么第一个问题就是
要做好光的屏蔽
首先是绝对不能在
加高压的时候曝光
因为它是一个测量微光的器件
你要在加高压的时候曝光的时候
这个光电倍增管有可能就烧毁
第二个就是我们给
光电倍增管供电的时候
注意高压的极性
我们说其实光电倍增管供电
可以有两种供电方式
一个叫正高压供电方式
一个叫负高压的供电方式
那么所谓的正高压的供电方式呢
也就是说
阳极那个地方是正高压
它的缺点是脉冲输出的
需要一个耐高压的电容
进行隔直耦合
通常耐高压电容
这个耐高压通常要耐到
几千伏这样的高压
这样的电容体积比较大
因而分布电容会比较大
那么高压纹波
也可以通过这个电容
直接耦合到输出信号端去
所以这是它的一个主要的问题
但是它的好处
是光电倍增管的
光阴极那个地方是地电位
然后我们说
它的绝缘处理是比较简单的
那么另外一种方式呢
就是负高压供电方式
这个时候阳极是地电位
光阴极那个地方是一个负的高压
这种情况下
输出端耦合方式比较简单
直接耦合输出也可以
那么在电流工作方式的时候
只能是一个这样一个输出方式了
我们说这个时候呢
要注意的问题是
它的光阴极处于一个
很高的负电压 负电位
需要注意阴极对处于地电位的
光屏蔽外壳之间的一个绝缘
也就是说这个时候的绝缘
其实我们往往
如果说不采取其他措施的话
靠的是光阴极外面那层玻璃
这个在应用上面要注意一下
我们通常情况下
在外面再加一个绝缘的处理
那么光电倍增管呢
它是由很多个电极
形成的一个器件
那我们要给每个电极
加上不同的电压
这样的话才能让这个电子
从光阴极逐步地飞到阳极上去
那么当然一般情况下
我们并不是说给光电倍增管
要加很多个电压
我们通常情况下是加一个电源
然后通过分压电阻
给他分出各个电压来
所以这个地方
有一个分压电阻的问题
那么由于当电子
在两个联极间运动的时候
会在分压电阻上
流过一个脉动电流
那么这个时候呢
流过脉动电流的时候
它的两端
就是电阻的两端会有压降
这种情况下
我们必须保证脉动电流要远小于
由高压电流流经分压电阻
所产生的那个稳定电流
这样的话
它的这个电阻两端的电压的变化
才是比较小的
也就是说
才能保证各打拿极电压的稳定
否则的话
流过电流不同
它的电压不同
它的电场就不同
它的倍增系数就会发生变化
所以这种情况下
我们说分压电阻不能太大
如果太大的话
你这个稳定电流太小
它就不稳定了
就说它的脉动电流
会影响它两端的电压了
那么这个也就对
高压电流的功率
提出了一定的要求
但是一般情况下
我们因为光电倍增管都是买来的
厂家在实验的过程里面
已经给出来分压电阻的参数
一般情况我们都是参照它的参数
然后根据我们自己的需求
再去做适当的调整就可以了
一般这个分压电阻
可能都是在兆欧
这样的量极
第四个我们说来看一下
它的并联电容
也就是说在最后几个打拿极
到阳极这个地方
我们说在分压电阻上
我们都需要把它并联上电容
因为在这些地方呢
脉动电流本身已经比较大了
那么不加电容的话
脉动电流一定会影响到
分压电阻两端的这个电压
所以我们加电容的效果呢
就是相当于达到了
一个滤波的效果
所以通常情况下
在最后一个打拿极
最后第二个打拿极
最后第三个打拿极
一般我们会加
三个左右这样的电容
去给它做这样的一个处理
那么当然有的时候
我们还需要更稳定
或者是更快速的这种
光电倍增管的这个恢复
那么在最后打拿极
或者前面几极中
我们可能会加入稳压管去处理
或者加入这种三极管等等
这样也是我们在实际工作中
可能会遇到的一些
也就是说有的时候
我们希望它恢复得更快一点
如果光有电容的话
这个时候往往是比较慢的
你加入一些晶体管的话
它恢复得会更快
稳定性也会更好
当然复杂性会提高
那么这就是关于光电倍增管
及其主要性能的内容
-1.1 基础知识、常量与单位
-1.2 原子核的构成、表示方法与相关术语
-1.3 原子核的大小与稳定性规律
-1.4 原子核的结合能
-1.5 原子核的自旋
-1.6 原子核的磁矩与电矩
-1.7 原子核的统计性质、宇称与能态
-课后作业--作业
-2.1 放射性衰变的基本规律
-2.2 递次衰变规律
-2.3 放射系
-2.4 放射规律的一些应用
-课后作业--作业
-3.1 原子核的衰变方式
-3.2 α衰变
-3.3 β衰变
-3.4 γ跃迁
-课后作业--作业
-4.1 核反应的概况
-4.2 核反应能和Q方程
-4.3 核反应截面和产额
-4.4 反应机制及核反应模型
-课后作业--作业
-6.1 辐射与物质相互作用概述
-6.2 重带电粒子与物质的相互作用
-6.3 快电子与物质的相互作用
-6.4 γ射线与物质的相互作用
-课后作业--作业
-7.1 统计学的基础知识
-7.2 放射性测量的统计误差
-7.3 电离过程的涨落与法诺分布
-7.4 粒子束脉冲的总电离电荷量的涨落
-7.5 时间间隔的统计分布
-课后作业--作业
-8.1 气体中离子与电子的运动规律
-8.2 电离室
--8.2.3 脉冲电离室的主要性能指标第一部分:能量分辨率
--8.2.4 脉冲电离室的主要性能指标第二部分:饱和特性、坪特性等
-8.3 正比计数器
-8.4 G-M计数管
-8.5 气体探测器小结
-课后作业--作业
-9.1 闪烁体
-9.2 光电倍增管
-9.3 闪烁探测器
-9.4 单晶闪烁谱仪
-课后作业--作业
-10.1 半导体与半导体探测器
-10.2 PN结半导体探测器
-10.3 锂漂移和高纯锗半导体探测器
-10.4 其他半导体探测器
-课后作业--作业
-12.1 活度测量方法
-12.2 符合测量法
-12.3 γ能谱解析
-课后作业--作业
-13.1 中子的基本特性与分类
-13.2 中子源
-13.3 中子与物质的相互作用
-13.4 中子探测的特点与探测方法分类
-13.5 常用的中子探测器
-课后作业--作业