3 3光电倍增管的应用

1、光电倍增管（PMT）研究进展及应用记2004年北京HAMAMATSU技术交流会前言“2004年北京HAMAMATSU技术交流会”于2004年10月27日2004年10月29日在浙江杭州召开的。北京HAMAMATSU技术交流会是由北京滨松光子技术有限公司承办的技术交流活动，每年举办一次，邀请各个科研机构和生产单位的专家和技术人员参加，主要介绍滨松公司的产品和研究进展，解答用户的技术问题，交流讨论光电器件在科研和生产中的应用问题。我代表西安交通大学生物医学与分子光子学研究室和西安天隆科技有限公司有幸参加了这次交流活动。HAMAMATSU（滨松）是总部设在日本的一家主要生产光器件的跨国公司。它在亚洲

2、、欧洲和北美设有七家分支机构。日本滨松下设四个生产部门：电子管事业部，主要生产以光电倍增管为主的各种真空探测器,真空光源等相关仪器设备。半导体事业部，主要生产以光电二极管为主的各种半导体光电器件。系统事业部，主要生产以滨松公司自产器件为中心的各种分析和测量仪器,应用在半导体芯片,生物工程和医疗等各种领域。激光器事业部，主要生产科研和产业用的大功率半导体激光器。北京滨松光子技术有限公司是1988年由中国核工业总公司北京核仪器厂与日本滨松光子学株式会社共同投资成立的。在2004年交流会中来自日本滨松总部、电子管事业部、半导体事业部的五位专家做了五场专题报告，分别是大冢副社长做的“HPK(滨松)与光

3、产业的现状和未来”，夸田敏一先生做的“PMT新产品介绍”，久米英浩先生做的“PMT应用技术产品及应用领域”，伊藤先生做的“半导体光检测新产品介绍”和石原繁树做的“光源产品介绍”。会议过程中还穿插有技术交流活动，为来自各个科研院所和生产单位的技术人员提供了一个交流的平台。光电倍增管技术的进展图1 滨松生产的PMT近些年得到广泛应用的MCP-PMT（Microchannel Plate Photomultiplier），金属封装PMT，多通道PMT代表了光电倍增管的最新研究进展：1.高量子效率，高灵敏度，高响应速度，探测波长向红外延伸。某些型号PMT光谱响应范围可延伸置1200nm。2.采用金属封

4、装，多通道结构，提高有效光电面积。已有的平板型PMT，其有效光电面积可达89。3.采用平板化、多阳极技术，可以小型化，具有二维高分辨率。已有的10×10道阳极， 44的MCP-PMT厚度仅有14.8mm。4.努力降低暗电流和自身噪声，减少放射性物质。暗电流最小可达0.5nA，自身噪声可减置5个暗计数/sec。5.将电子管真空技术与半导体技术，微细加工技术，电子轨道技术和周边电路技术相结合。HPD(Hybrid Photo Detector)就是一种结合了电子管真空技术与半导体技术的复合器件。光电转换后的电子经过电场加速,直接照射在CCD或APD上,引起“电子入射倍增效应”。6.使用简

5、单化，价格降低。光电倍增管的应用领域光电倍增管的应用领域非常广泛，主要分为以下十几种：光谱学：紫外/可见/近红外分光光度计，原子吸收分光光度计，发光分光光度计，荧光分光光度计，拉曼分光光度计，其他液相或气相色谱如X光衍射仪、X光荧光分析和电子显微镜等。质量光谱学与固体表面分析：固体表面分析，这种技术在半导体工业领域被用于半导体的检查中，如缺陷、表面分析、吸附等。电子、离子、X射线一般采用电子倍增器或MCP来测定。环境监测：尘埃粒子计数器，浊度计，NOX、SOX 检测。生物技术：细胞分类计数和用于对细胞、化学物质进行解析的荧光计。医疗应用：相机，正电子CT，液体闪烁计数，血液、尿液检查，用同位素

6、、酶、荧光、化学发光、生物发光物质等标定的抗原体的定量测定。其他如X光时间计，用以保证胶片得到准确的曝光量。射线测定：低水平的射线，射线和射线的检测。资源调查：石油测井，用于判断油井周围的地层类型及密度。工业计测：厚度计，半导体检查系统。摄影印刷 ：彩色扫描，把彩色分解成三原色（红、绿、兰）和黑色，作为图象数据读出。高能物理加速器实验：辐射计数器，TOF计数器，契伦柯夫计数器，热量计。中微子、正电子衰变实验，宇宙线检测 ：中微子实验，空气浴计数器，天体X线探测，恒星及星际尘埃散乱光的测定激光：激光雷达，荧光寿命测定。等离子体：等离子体探测，使用光电倍增管用来计测等离子中的杂

7、质光电倍增管和半导体光电器件新应用举例一、滨松生产的高通量（high-throughput）PET系统图2 PET系统外观图3 PET扫描图像显示了许多疾病的早期征兆作为一种全身检查工具，PET正逐渐用于癌症、心脏病，甚至痴呆的早期普查和诊断。滨松把它掌握的光子学技术，和达到最新技术发展水平的PMT应用在PET上，极大推进了PET的发展，使它灵敏度更高，响应速度更快。滨松已经开始用自己生产的PET为公司员工做定期的健康检查，取得了显著效果。二、利用半导体激光的植物栽培技术，图4 红色LD和蓝色LED照射下的植物工厂用有限的土地生产更多的粮食新型植物工厂。滨松的研究人员凭借他们在光学方面的专长发

8、现了一种提高粮食产量的新方法。过去的研究发现，红色激光可以显著刺激水稻的生长，但事实上，它刺激的只是秸秆的生长，因而实际上减少了水稻的产量。经过大量的实验，他们发现蓝光可以刺激开花并使稻穗饱满。通过合理结合红色激光和蓝光可以既提高水稻生长速度又增加产量。三、植物生长的光子分析技术图5 水被西红柿植株吸收的过程想要准确了解在植物体中到底发生了什么是非常困难的，但是滨松的“平板正电子发射成像（Planar Positron Emission Imaging）”技术使实时观察植物新陈代谢和化学物质的移动成为可能。这项技术在农业科学方面有非常广泛的应用前景。四、跟踪“电子发光”优化IC设计 图6 通过

9、记录光子发射观察电子轨迹现在的集成电路技术可以在很小的硅片上集成数以百万计的晶体管，但是如何确定电路是否工作一切正常成了新的问题。一种全新的方法是跟踪电子的“发光轨迹”，如果能捕获到电子通过晶体管时发出的数个光子，就能十分精确地评估电子线路的工作状态。但是这需要专门的超高灵敏度的光探测器，它不仅能进行单光子计数，还能确定光子在平面上的确切位置，而且时间响应在秒以内。采用这项技术，IC制造商可以在设计初期发现隐藏的问题，改进产品设计。五、宇宙射线探测 图7 Super-Kamiokanden内部的PMT阵列位于日本神冈的Super-Kamiokande（其前身为 Kamiokande），原是为了

10、测量质子衰变所建造的实验装置，不过至今尚未测量到衰变的实例，可是其设计同样相当适合用来观测中微子。身处地底一千公尺深的神冈矿山下，注入了50000吨纯水的超大水缸，其内层布满了11200颗光电倍增管（PMT, Photomultiplier Tubes）。当中微子与水中的电子发生电子散射（ES, Electron Scattering）时，中微子的能量便会传给电子或经反应制造出的子，而这些带电粒子因为其行进速度超过光在水中的速度，使得它们会在行进方向幅射出一锥状的电磁波，也就是所谓的Cerenkov 光锥，而这些光锥就会在表面的探测器上留下一圈圈的讯号。Super-Kamiokande 于19

11、98所发表的论文之中，首度凭借测量大气层中微子的比例而间接验证了中微子振荡的效应，并给出大气层中微子的质量平方差。荣获2002诺贝尔物理奖的东京大学教授小柴昌俊便是因为领导此实验而获此殊荣。六、三维人体测量系统图8三维人体曲线扫描系统及控制软件截图滨松生产的人体曲线扫描系统，基于激光扫描器，可以进行全身高精度非接触式测量，测量范围2 m (H) x 0.6 m (D) x 1 m (W)，精度达到+/- 0.5%，测量时间611秒。这套系统可以应用于服装工业，医疗行业和运动制品行业。七、癌症诊断治疗新技术，按分子分离癌细胞和正常细胞图9 肺部癌组织近红外激励的拉曼光谱当激光照射在一种材料上时就

12、会发生拉曼散射效应；光线是散射的，其中一小部分散射光发生能量损失,转换为分子的振动能,分子的振动频率是特有的,通过分析这些散射光,就能获悉材料的结构和化学组成特征。2002年日本东京大学研究生院理学系教授浜口宏夫等人组成的研究小组与日本庆应大学、日本滨松公司使用拉曼散射光谱技术，对癌细胞和正常细胞成功进行了分子分离。实验中使用的是浜口等人开发的被称为“时空分解拉曼散射光谱技术”，将波长为1064nm的近红外激光用作光源。尽管此次是利用由生物活体上切除下来的肺癌样品对拉曼散射光的光谱进行了观测，但如果开发出像光纤内窥镜那样的装置的话，就能够以数百nm的空间分辨率实时地观测癌细胞，有望用于对癌症的早期发现和治疗等。过去由于没有能够检测近红外光光谱的设备，因此一般情况下都是使用可见光作为光源，而此时产生的萤光由于比拉曼散射光要强，因此难以检测出光谱。此次，浜口等人与滨松光电共同开发出了能够检测近红外拉曼散射光光谱的检测设备。通过将该设备配备于时空分解拉曼散射光谱技术的系统上，就能够利用拉曼散射光谱技术精确区分出癌细胞和正常细胞的不同的生物分子结构。另外，试验证明还能够区分出不同癌症的分子结构差异。时空分解拉曼光谱技术能够对由空间和时间所导致的拉曼散射光光谱变化进行分