光電管與光電倍增管

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更新時間: 2013-09-04

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1 光電管與光電倍增管 -光電管與光電倍增管

 

2 光電管與光電倍增管 -正文

  將微弱光信號轉換成電信號的真空電子器件。光電管通常用於自動控制、光度學測量和強度調製光的檢測。如用於保安與警報系統、計數與分類裝置、影片音膜複製與還音、彩色膠片密度測量以及色度學測量等。光電倍增管用在光學測量儀器和光譜分析儀器中。它能在低能級光度學和光譜學方面測量波長 200~1200納米的極微弱輻射功率。閃爍計數器的出現,擴大了光電倍增管的應用範圍。激光檢測儀器的發展與採用光電倍增管作為有效接收器密切有關。電視電影的發射和圖像傳送也離不開光電倍增管。光電倍增管廣泛地應用在冶金、電子、機械、化工、地質、醫療、核工業、天文和宇宙空間研究等領域。

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光電管與光電倍增管光電管與光電倍增管

  構造和原理  光電管由真空管殼內的光電陰極和陽極所構成(圖中 a)。陽極相對陰極為正電位。光或輻射照射陰極時,陰極發射光電子。光電子在電場的作用下到達陽極,在電路中產生光電流。
  光電倍增管由真空管殼內的光電陰極、陽極以及位於其間的若干個倍增極構成(圖中 b)。工作時在各電極之間加上規定的電壓。當光或輻射照射陰極時,陰極發射光電子,光電子在電場的作用下逐級轟擊次級發射倍增極,在末級倍增極形成數量為光電子的106~108倍的次級電子。眾多的次級電子最後為陽極收集,在陽極電路中產生可觀的輸出電流。
  第一種實用光電陰極是1929年由L.R.科勒製成的銀氧銫陰極,從此出現了光電管。1934年Л.А.庫別茨基提出光電倍增管雛形。1939年V.K.茲沃雷金製成實用的光電倍增管。多鹼光電陰極和Ⅲ-Ⅴ族負電子親和勢光電陰極發明后,出現了寬光譜光電倍增管、高靈敏度光電倍增管等品種,採用Ⅲ-Ⅴ族鎵磷銫倍增極以後可以製成檢測單個光量子的光電倍增管。還出現了快速光電倍增管、異形窗光電倍增管和孿生光電倍增管。70年代末期,採用微通道板電子倍增器,使快速性能達到了新的高度,並出現了位敏光電倍增管。
  光電管分為真空光電管和充氣光電管兩類。充氣光電管存在不少缺點,限制了它的應用。真空光電管按受照方式可分為側窗式和端窗式。端窗式包括弱流和強流兩種。強流光電管具有平行平板結構。按倍增系統的結構,光電倍增管可分為分立式和連續式。分立式光電倍增管有圓籠式、直列式、快速式、盒柵式和百葉窗式等。連續式光電倍增管有單通道和微通道板兩種。
  特性和參數  陰極靈敏度是光電管和光電倍增管最基本的參數,光譜響應特性是最基本的特性(見真空電子器件陰極)。通常將光譜響應特性峰值處的陰極光譜靈敏度稱為陰極輻射靈敏度。這個參數是表徵光電陰極性能的重要特徵數據之一。
  在合適的工作電壓下,光電管和光電倍增管的輸出電流在很寬的光照範圍內精確地與陰極受照光通量成正比,稱為光電管和光電倍增管的光電線性。
  光電管和光電倍增管長時間連續使用時,其靈敏度有減小趨勢,在強光照射下或大電流下更是如此。若在黑暗處存放適當時間,靈敏度可以部分或全部恢復。
  應避免使用細窄強光光束集中照射陰極很小的一部分,陰極電流和陽極電流不應超過所推薦的最大值。
  光電倍增管的倍增性能可用陽極靈敏度來描述。陽極靈敏度表示入射於光電陰極的單位光通量所產生的陽極電流,單位為安/流明。陽極靈敏度與陰極靈敏度的比值,為光電倍增管的增益。
  光電倍增管無光照時,陽極電路中的電流稱為暗電流。暗電流是決定光電倍增管測量閾值的因素之一。陽極靈敏度越高,暗電流越小,則光電倍增管能測量更為微弱的光信號。
  陽極靈敏度和暗電流均隨工作電壓的提高而上升,但是上升斜率不同,因此存在最佳工作電壓,使信噪比最大。一般用途的光電倍增管,只要陽極靈敏度能滿足需要,總是選擇在較低的電壓下工作。
  進行脈衝幅度測試時,通常採用在核輻射源137Cs作用下的 NaI(Tl)閃爍體作為脈衝光源。一定的信號脈衝幅度對應於一定的脈衝光。但由於光電發射和次級發射的統計性,即使入射相同光強的脈衝光,輸出信號脈衝幅度也會出現分散現象。因此又用脈衝幅度解析度來表徵光電倍增管和閃爍體對兩個不同輸入信號脈衝的幅度分辨能力。脈衝幅度解析度規定為脈衝幅度分佈曲線上與所考慮的峰相應的半峰寬(半峰值處的全寬度)對於峰位幅度的比值的百分數。幅度解析度即區分兩個幅度相差不超過某一相對值的脈衝的能力。用於閃爍計數的光電倍增管,幅度解析度一般應小於10%。
  光電倍增管在輸出信號脈衝的同時,也產生雜訊脈衝。雜訊常常與暗電流相併考慮,但是雜訊與暗電流又有區別。雜訊是指由於光電倍增管內電流傳輸過程的統計性而在輸出中產生的統計起伏。暗電流的統計起伏構成暗雜訊;信號電流的統計起伏構成信號中雜訊,後者的主要來源是散粒雜訊和倍增雜訊。雜訊可用信噪比、暗雜訊計數率、雜訊等效輸入以及雜訊等效能量等參量表示。
  光電倍增管的脈衝時間特性,包括脈衝上升時間、脈衝響應寬度、電子渡越時間和渡越時間分散等參數。而通常用上升時間、響應寬度和渡越時間三個參數來表徵快速光電倍增管的脈衝時間特性。典型的快速光電倍增管的上升時間應小於2納秒,響應寬度不超過4納秒,渡越時間約40納秒。
  發展方向  提高光電陰極的靈敏度、拓寬光譜響應特性是光電管和光電倍增管的重要課題。因此,光電管和光電倍增管的主要發展方向是採用雙鹼陰極、多鹼陰極,以及Ⅲ-Ⅴ族鎵砷化合物陰極。鈀銀氧銫陰極的閾值波長可延伸至1400納米,因此也具有發展前景。對於紫外光電倍增管,光譜響應的拓寬在於發展各種透紫光窗。除石英光窗外,氟化物光窗是最有希望的。
  連續式微通道板用作倍增系統,除了在增益、抗磁、直流線性以及脈衝工作特性等方面具備良好的性能外,由於渡越時間(約1納秒)和渡越時間分散(約 15皮秒)均很短,而空間解析度(約30線對/毫米)很高,在新型快速光電倍增管方面很引人注目。在此基礎上採用多陽極技術所開創的新一代位敏光電倍增管,在快速響應、激光檢測以及高能物理研究上已取得有價值的應用。這種管子的陽極數目已發展到20×20個。也有採用硅二維位置敏感片,並將微通道板增加到三塊而構成二維光子計數管。
  低雜訊和光子計數用光電倍增管要求倍增極具有較高次級發射係數,宜採用Ⅲ-Ⅴ族鎵磷化合物倍增極。高溫管、高穩定管以及快速管普遍採用合金倍增極。後者的重要性並不亞於光電陰極。用於液體閃爍計數器的球形窗光電倍增管直徑已達508毫米,而適合醫療掃描機的小型光電倍增管直徑只有10毫米。隨著計算機輔助橫切技術(CT)的興起,異型窗管和孿生管將形成系列。
  參考書目
 J.B.Dance,Photoelectronic Devices,Iliffe Books Ltd., London, 1969.

 

3 光電管與光電倍增管 -配圖

 

4 光電管與光電倍增管 -相關連接

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