9.2.1 光电倍增管及其主要性能在线视频

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