光探测及PMT选择演示文稿

光的探测及光电倍增管的选择

■引言对于“光信号”的探测要得到比较滿意的结果，首先要选择合适测量方法，其次需正确选择光探测器－光电倍增管，恰当地挑适它的工作状态、注意光电倍增管输出的传输方式、提高信噪比、注意环境条件的影响。光的探测及光电倍增管的选择这里着重介绍三个部分：■第一部分光的探测■第二部分光电倍增管的选择■第三部分使用中几个问题第一部分光的探测光的世界，五彩缤纷、灿烂夺目，令人神往。“光是制造物质的粘合剂”。(物质之光)“光是向电子提供能量并控制其轨道”。

(电子之光)“光是控制着细胞新陈代谢，支配着细胞与细胞间的信息传递和功能调节”。

(生命之光)“光是探索人类、未知未踏领域的“关键因素”第一部分光的探测第一部分光的探测

■“电荷积分法”

(即将各个光电子产生的阳极脉冲进积分，用阳极输出电流大小来表征光的辐射通量)“电荷积分法”▲直流法－是将光电倍增管输出信号的直流成份，通过放大器低通带滤波器的检测方法(适用于光较强探测)。“电荷积分法”

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交流法－是将光电倍增管输出信号，通过电容只取交流成份，或将光信号调制成一定频率的调制光，再用交流放大器(锁相放大器)的检测方法(适用于光较弱探测)“电荷积分法”对光电倍增管的要求是：●稳定性高●暗电流小●伩噪比高●宽光谱(紫外～红外)●滞后低在光分析仪器常采用“电荷积分法”该应用里常采用的石英玻璃窗和多碱側窗型、端窗型光电倍增管。

光子计数法■光子计数法－是把光电倍增管的输出脉冲经过放大、幅度甄别，对幅度在某一甄别电压以上的脉冲进行计数的方法(适用于极微弱光探测)。

光子计数法特点是：

▲有很高的信噪比。在极弱光测量时，比测量电流法高5-10倍。

▲可以探测极低的辐射通量，可探测到1x10-18w

或更低

▲有很高的稳定性。

光子计数法

▲有很宽的动态范围

▲本底-计数可以很方便从二次测量之差方法扣除

▲消除了漏电流的影响

▲便于数据处理

光子计数法

对光电倍增管特性的要求是：▲单光电子分辨率要高▲暗脉冲计数少▲增益大(一般要求G＞1X106)

在生物、化学发光及生命科学等微弱中探测中常用“光子计数法”。时间相关的单光子计数激光器的驱动电路经延迟后，作为时幅变换器开始信号，光电倍增管的输出信号作为时---幅变换器停止信号，利用多道脉冲分析器而获得样品光的发射的波形。“能谱分析法”通过光电倍增管探测射线+闪烁体的“简接发光”确定样品中的射线及活度。如γ、α、康普顿谱仪。第二部分光电倍增管的选择选择光电倍增管的原则是：

■入射光波长

■光的强度

■光束直径

■光的速度光电阴极◆原则：选择的光阴极的光谱响应应与待测光的光谱相似。光电阴极的初步选择要考虑

▲窗材料

▲阴极材料

▲阴极大小

▲阴极形式

▲光电参数窗材料

常用的窗材料有：

★硼硅玻璃（300nm）★透紫玻璃（185nm）★合成（熔融）石英（160nm）★蓝宝石(Al2O3)150nm★MgF2（115nm）

光电倍增管的短波阈由窗材料决定

光阴极材料

★Sb－Cs

特点是：◎阴极电阻低、允许强光下有大电流流过阴极的场合下工作

★双碱-BA(Sb－Rb－Cs、Sb－K－Cs)

特点是：◎灵敏度较高◎暗电流小－热电子发射小光阴极材料★高温双碱(Sb-K-Na)

特点是：◎耐高温－200℃

★多碱(Sb-K-Na-Cs)

特点是：◎宽光谱◎灵敏度高光阴极材料

★Ag-O-Cs

特点是：◎光谱可到近红外◎灵敏度低

★GaAs(砷化镓)

特点是：◎高灵敏◎光谱平坦◎强光下容易引起灵敏度变坏光阴极材料

★Cs-I

特点是：◎日盲◎在115nm的短波也有高的灵敏度

★Cs-Te

特点是：◎日盲◎阴极面透过型和反射型光阴极材料

常用的阴极材料有：▲锑绝（SbCs）－650nm▲锑钾绝（SbKCs）－650nm▲锑钾钠（SbKNa）－650nm▲锑钾钠绝（SbKCsNa）－850nm

光电倍增管光谱长波阈由阴极材料决定。阴极形式▲半透明阴极(入射光方向与电子运动方向一致)－－端窗光电倍增管。●端窗管特点：▲A阴极面积变化范围大：

(直径从10—200mm)。▲B阴极均匀性好，与光信号耦耦合好▲C阴极电阻率高。▲D磁场效应大。

阴极形式▲不透明光电阴极(入射光方向与电子运动方向一致)－－侧窗光电倍增管

●侧窗管特点：▲A阴极电阻率低▲B磁场效应小▲C阴极均匀性差▲D与光耦合较差一般光度学、光谱仪应用的光电倍增管大多数都选用不透明阴极的側窗光电倍增管

阴极大小

阴极大小的选择取决于：光信号束的大小。

光电阴极极选择举例：

■对800nm左右红外光谱，Ag-O-CS不是唯一的，而GaAs、InGaAs是候选者

■在光谱学应用：S-20(Sb-K-Na-Cs)是优选者

■谱特性与人眼睛灵敏度配合最好的是Bi-Ag-O-Cs、Sb-Rb-Cs

■对探测紫外辐射，阴极的选择取决于特定要求：如要求紫外—可见区都灵敏度(S-20)阴极是最适合；就“日盲”而言要求光谱在300nm以下，则用CsI阴极。

■为了在火箭和人造卫星上研究宇宙中的太阳辐射最合适的窗材料是MgF2，可到115nm。倍增系统光电倍增管的增益、线性、时间特性由倍增系统决定。一个倍增系统通常包括三个部分：

▲结构形式

▲倍增极级数

▲倍增极材料。结构形式▲环形聚焦型（C.C）

特点：

■小型紧凑

■时间响应特性也

代表管型：侧窗型和小型的部分端窗管如R1051P21R212CR131R5610R1705R980。结构形式▲盒栅型（BG）特点：■光电子收集效率高■均匀性好。■代表管型：R228R550CR110CR119（R1307）CR105结构形式▲直线聚焦型（L）

特点：■时间响应好（快速）■时间分辨率好■脉冲均匀性好代表管型：（端窗管型）R329R331R580CR166CR115结构形式

▲百叶窗型（VB）

特点■第一倍增极的有效面积大，易制成较大阴极的PMT■耐磁牲好、■输出电流大、■增益高代表管型：R1513R887EMI9635QB等结构形式▲细网型（FM）

特点：■耐磁性能好（强磁场下工作）■均匀性好■倍增极短、平行电场、具有位置探测功能。代表管型：R3432-01R2490-05R5064R4721及细网型的多阳极的PMT（H41394140-01）等结构形式▲MCP（Microchannel微通道板）

特点是：■好的时间响应（0.1-0.3ns）■小型高增益、■强磁场下工作、■二维高空间图像分辨率、■对带电粒子、紫外线、X射线、r射线、中子都很灵敏。■低电耗、小型、重量轻代表管型：R2809UR2024R2566等。倍增极材料

对倍增极（二次电子发射）材料的要求是：■足够大的二次发射系数■热电子发射小■工作稳定性好■对高温光电倍增管中，还要求倍增极高温性能好。倍增极材料目前常用的倍增极的倍增极材料有：■锑-碱（Sb-CsSb-K-Cs）■铜铍合金（Cu-Be）■磷化镓（GaP）■磷砷化镓（GaAsP）等

一次电子电压与二次发射系数的关系曲线表（2）各种倍增极的特性上升时间(ns)脉冲线性(mA)磁特性（mT）均习性收集效率特

征环形聚焦型0.9-3.01-100.1△○小型高速盒栅型6-201-10○○高收集效率直线聚焦型0.7-310-250△○高速线性好百叶窗型6-1810-40○△大面积PMT细网型1.5-5.5300-1000700-1200以上○△高磁场用线性好MCP0.1-0.370015-1200以上○△超高速表（2）各种倍增极的特性不同结构的单电子谱不同结构的线性电流■三使用场合如石油测井要选择：

▲高温管、耐震管

光分析仪器一般选择：

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