光电倍增管特性实验

1光电倍增管特性实验【实验目的】1、熟悉光电倍增管的基本构成和工作原理，掌握光电倍增管参数的测量方法；2、掌握光电倍增管高压电源模块的使用方法；3、学习光电倍增管输出信号的检测和变换处理方法。【基本原理】1．光电倍增管结构及工作原理光电倍增管是一种真空管，它由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。电子倍增系统为使光电倍增管正常工作，光电倍增管中阴极（K）和阳极（A）之间分布有多个电子倍增极Dn。如图2所示，在管外的阴极（K）和各个倍增极及阳极（A）引脚之间串联多个电阻Rn,由Rn形成的分压电阻使各个倍增极相对阴极而言加上了逐步升高的正电压，要在阴极（K）和阳极（A）之间加上500～3000V左右的高电压，目的是吸引并加速从阴极飞出的光电子，并使他们飞向阳极。图1图1中回路电流Ib是流过分压器回路的电流，被叫做分压器电流，它和后面叙述的输出线性有很大的关系。Ib可近似用工作电压V除以分压电阻之和的值来表示。光电倍增管的输出电流主要是来自于最后几级，为了在探测脉冲光时，不使2阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容。图中和电阻并联的电容Cn-3、Cn-2、Cn-1、Cn就是因此而设计的。本实验系统使用的电子倍增系统为环形聚焦型。由光阴极发射出来的光电子被第一倍增极电压加速撞击到第一倍增极，以致发生二次电子发射，产生多于入射光电子数目的电子流。这些二次电子发射的电子流又被下一个倍增极电压加速撞击到下一个倍增极，结果产生又一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集，光电子经过从第1极到最多19极的倍增电极系统，可获得10倍到108倍的电流倍增之后到达阳极。这时可以观测到，光电倍增管的阴极产生的很小的光电子电流，已经被放大成较大的阳极输出电流。通常在阳极回路要接入测量阳极电流的仪表，为了安全起见，一般使阳极通过RL接地，阴极接负高压。总之，当入射光经过下述过程后，光电倍增管才能输出电流。（1）入射光透过玻璃光窗；（2）激励光电阴极的电子向真空中放出光电子（外光电效应）；（3）光电子经聚焦极汇集到第一倍增极上，进行二次电子倍增后，相继经各倍增极发射二次电子；（4）由末级倍增极发射的二次电子经阳极输出。2．光电倍增管的主要参量与特性（1）光谱响应光电倍增管的阴极将入射光的能量转换为光电子。其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。图3给出了双碱光电倍增管的典型光谱响应曲线。光谱响应特性的长波端取决于光阴极材料，短波端则取决于入射窗材料。对应于该光谱响应曲线，本实验系统采用中心波长在425nm的蓝光LED发光二极管做光源。根据不同型号的光电倍增管的光谱响应特性，其中长波端的截止波长，对于双碱阴极和Ag-O-Cs阴极的光电倍增管定义为其灵敏度降至峰值灵敏度的1%点，多碱阴极则定义为峰值灵敏度的0.1%。对于每一支光电倍增管来讲，真实的数据可能会略有差异。3图2（2）灵敏度由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要精密测试系统和很长的时间，且提供每一支光电倍增管的光谱响应特性不现实，所以一般用光照灵敏度来评价光电倍增管的灵敏度。阳极光照灵敏度表示的是对光电面上入射一定光束时，阳极输出电流的大小。即对应于1流明光的输出电流称之为光照灵敏度，用SA表示；单位为A/LM（安培/流明）。光照灵敏度有表示阴极特性的阴极灵敏度和表示光电倍增管整体特性阳极灵敏度两种。本测试仪系统如图3所示那样，光源用标定的蓝色发光LED管，并且加上减光片装置（有时在光源和光电倍增管之间使用视觉灵敏度补正滤光片，但是通常不用），电流计接在阳极回路，给各电极加上典型的电压分配，以使光通量保持在10-10—10-5流明。如果测量SA越大，表明光电倍增管探测微弱光信号本领越强。4图3（3）光电特性光电倍增管的阳极输出电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的光电特性。一般光电倍增管的光电特性曲线线性（直线性）是很好的。也就是说具有宽的动态范围。但是在接收较强的光入射时，会产生偏离理想线性的情况。其主要原因是阳极的线性特性影响。具有透过型的光电阴极的光电倍增管，工作在低电压、大电流场合，也可能出现阴极线性特性的影响。阴极、阳极两者的线性特性在工作电压一定时，与入射光波长无关，而取决于电流值大小。因此对于模拟量测量，必须选取能保证阳极电流与光照在大范围内保持线性关系的那些型号的光电倍增管（工程上一般取特性偏离于直线3%作为线性区的界限）。（4）伏安特性光电倍增管的伏安特性是指在改变阳极—阴极间的工作电压时，从而引起阳极输出电流的变化。光电倍增管的输出电流对工作电压非常敏感，因此必须使用高稳定性的高压电源。本测试仪采用的高压电源的漂移、纹波、温度变化、输出变化、负载变化等的综合稳定度优于该光电倍增管稳定度1个数量级，并连续可调。（5）阳极暗电流光电倍增管在完全黑暗的环境中仍会有微小的电流输出，这个微小的电流叫做阳极暗电流。作为微小电流、微弱光使用的光电倍增管，希望暗电流尽可能小。阳极暗电流是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素，其产生5的主要原因有以下几种：①由光电表面及倍增极表面的热电子发射引起的电流；②管内阳极和其它电极之间，以及芯柱阳极管脚和其它管脚之间的漏电电流；③因玻璃及电极支持材料发光产生的光电流；④场致发射电流；⑤因残留气体电离产生的电流（离子反射）；⑥因宇宙射线、玻璃中的放射性同位素发出放射线、环境γ射线等导致玻璃发光引起的噪声电流。阳极暗电流也受阳极电压的影响，随着工作电压增加而增加，但增加率并非一样。（6）电流放大（增益）由一个具有初速能量EP的一次电子，从倍增极发射出δ个二次电子（称δ为二次发射系数），在低噪声的条件下得到倍增，从而达到了电流放大的作用。电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比值。在理想情况下，具有n个倍增极，每个倍增极的平均二次电子发射率为δ的光电倍增管的电流增益为δn。二次电子发射率δ由下式给出：δ=A·Eα这里的A为一常数，E为极间电压，α为一由倍增极材料及其几何结构决定的系数，α的数值一般介于0.7和0.8之间。在具有n个倍增极的光电倍增管，其电流增益μ即可表示为：μ=Ia/Ik=Sa/Sk或μ=δn3．光电倍增管的使用及连接回路（1）光电倍增管输出的电流、电压转换①负载电阻进行电流、电压转换光电倍增管输出是一个电流信号，而与其相连的后续电路，一般是基于电压信号而设计的，因此，常用一个负载电阻来完成电流-电压的转换。由于光电倍增管小电流输出时可看成一个具有很高特性阻抗的理想恒流源，为此，理论上负6载电阻可以选取任意大的阻值，实现从一个很小的电流信号得到一个很大的电压信号。但实际上，较大的负载电阻会导致频率响应和输出线性的恶化。图4光电倍增管的输出回路如图4中，考虑到上述因素，本测试仪采用温度系数小的金属膜无电感负载电阻，并选取适当阻值的电阻来完成光电倍增管特性的测试。②运算放大器电流-电压转换使用运算放大器进行电流-电压转换的电路，在和数字电压表组合起来用时，就不需要使用昂贵的微小电流计，也可精确测试光电倍增管的输出电流。图5用运算放大器的电流、电压变换回路用运算放大器进行电流-电压转换的基本电路如图6所示，因为运算放大器的输入阻抗非常高，光电倍增管的输出电流不能在图5中的A点流入运算放大器的反相端子（-）。因此，绝大部分的电流流经反馈电阻Rf，然后流出前置放大器的输出端。一般运算放大器有非常高的放大倍数为105，通常保持在反相输入端子（A点）的电位与同相输入端子（B点）的电位（接地电位）相同下工作（把这称作并接地或假接地）。所以运算放大器输出电压和Rf两端发生的电压V0相同，理论上，可以得到开路放大倍数倒数大小的高精度，实现电流-电压变换。这种情况下，输出电压V0可用下面的公式来计算：V0=-IP×Rf限制输出电压V0的因素主要有：光电倍增管的阳极电流IP、反馈电阻Rf的7大小以及运算放大器的工作电压等。③光电倍增管的快速输出回路在检测具有快速上升、下降时间的脉冲光时，通常使用具有50欧姆阻抗的同轴电缆连接光电倍增管和后接回路。为了传送信号输出波形不失真，如图7那样，输出端子用和同轴电缆特性阻抗相同的纯电阻作为终端。由此，从光电倍增管看的特性阻抗与电缆长度无关，观测波形的失真可减轻。但是，特别在使用MCP内藏型光电倍增管等观测超高速现象的场合，电缆如果过长，由于同轴电缆自身的信号损失，需要注意信号波形的失真。如在输出端阻抗特性不匹配时，从光电倍增管看的阻抗特性因频率数而异的，并且，该值还受同轴电缆长度的影响，因而可能产生输出失真。这种不匹配，不仅因同轴电缆和终端电阻，而且由于使用的接线端子本身或因同轴电缆的末端处理而引起的可能性也存在。所以必须特别注意选择接线端子和同轴电缆与光电倍增管的连接。同轴电缆与接线端子的连接都不要有阻抗特性的不连续点。【实验仪器】本光电倍增管特性及微弱光信号测试仪系统，它包括下列3部分：①主机控制箱：高压调节驱动模块（高压模块的使用可参考仪器使用说明书）、各种负载电阻、电流/电压变化模块、光源光强调节装置、信号频率调节装置等；②屏蔽暗室：侧窗式光电倍增管、功率可调光源部件、滤光片、减光装置等；③附件：检流计（选用）；选购件：电流表、数字万用表、示波器；实验报告与要求1、作出阳极电压一定条件下输出阳极电流与光强之间的关系曲线（光电特性）；2、作出光强一定条件下输出阳极电流与阳极电压之间的关系曲线（伏安特性）；3、作出负载电阻大小和输出电压的关系曲线，并分析负载电阻的大小对信号探测的影响；4、分析相同条件下直接负载输出和运用运算放大器输出的曲线关系；85、测量光电倍增管的阳极灵敏度；6、测量光电倍增管的暗电流（选做）。【注意事项】1、光电倍增管对光的响应度很高，因此在没有完全隔离外界干扰光的情况下切勿对光电倍增管施加工作电压，否则会导致管内倍增极的损坏；2、即使光电倍增管处在非工作状态，也要尽可能减少光阴极和倍增极的不必要的曝光，以免对光电倍增管造成不良影响；3、光电阴极的端面是一块很光亮的玻璃片，要妥善保护；4、使用时必须预先在暗处避光一段时间，要保持清洁干燥，同时要满足规定的环境条件，切勿超过规定的电压最大值；5、在有磁场影响的环境，应该用高导磁金属进行磁屏蔽。光振动垂直板面