寧悅悅，董天豪，王 潔

(浙江海洋大學(xué) 物理系，浙江 舟山 316022)

隨著我國整體高新技術(shù)領(lǐng)域研究的不斷深化，光電子產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展[1]。基于光電子發(fā)射、電子光學(xué)以及二次電子發(fā)射等理論，光電倍增管能夠通過光電子轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，是一種具有極高靈敏度和超快時(shí)間響應(yīng)的光探測(cè)器件[2，3]。由于光電倍增管具有高靈敏度、快時(shí)間響應(yīng)、低噪音及高增益等特點(diǎn)，在測(cè)量精度要求高的臨床檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、光度測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[2]。

1 光電倍增管的基本原理

光電倍增管是一種真空光電器件，主要由光入射窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極和陽極組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 光電倍增管剖面圖A

圖2 光電倍增管剖面圖B

當(dāng)光照射光電倍增管陰極時(shí)，陰極向真空中激發(fā)出光電子(一次激發(fā))，這些光電子按聚焦集電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，由倍增電極激發(fā)的電子(二次激發(fā))被下一倍增極的電場(chǎng)加速，飛向該極并撞擊在該極上再次激發(fā)出更多的電子，通過逐級(jí)的二次電子發(fā)射得到倍增放大，放大后的電子被陽極收集作為信號(hào)輸出。

從光陰極射出，到達(dá)第一打拿極的一個(gè)電子，經(jīng)過倍增系統(tǒng)的多次倍增后在陽極得到的電子數(shù)，稱為光電倍增管電流放大倍數(shù)，即增益，用M表示，可由公式(1)計(jì)算得出。

(1)

理想情況下一般用下式表示：

M=δn

(2)

上式中，δ表示平均二次發(fā)射系數(shù)，n表示打拿極的級(jí)數(shù)，其中二次發(fā)射系數(shù)δ是極間電壓的函數(shù)，可用經(jīng)驗(yàn)公式(3)表示。

δ=a(VD)b

(3)

上式中，VD為打拿極之間的電壓，a、b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

如果打拿極電子傳遞效率為g，則增益M比較實(shí)際的表達(dá)式可用公式(4)表示。其中，對(duì)于良好的聚焦型光電倍增管g約等于1，對(duì)于非聚焦型光電倍增管g小于1。

M=(gδ)n

(4)

當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，不容易探測(cè)。但光電倍增管可以對(duì)電流進(jìn)行放大，放大倍數(shù)可達(dá)幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管對(duì)電流的倍增放大效果受光電特性、伏安特性、光譜特性的影響。

2 光電倍增管的基本特性

2.1 光電特性

2.1.1 陰極光電特性

將光電倍增管陰陽極切換開關(guān)撥至“陰極”，選用白光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，改變光照度，測(cè)量在電壓一定時(shí)的陰極電流。分別測(cè)量電壓為-80 V和-50 V時(shí)，陰極電流與光照度的關(guān)系，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。繪制光電倍增管在不同電壓下的陰極光電特性曲線，如圖3所示。

表1 光電倍增管陰極光電特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 光電倍增管陰極光電特性曲線

2.1.2 陽極光電特性

光源選用白光，將陰陽極切換開關(guān)撥至“陽極”。在光照度為0Lx到4Lx的范圍內(nèi)，保持電壓一定，改變光照度的大小，記錄相應(yīng)的電流表示數(shù)。分別測(cè)量電壓為-250V和-200V時(shí)，陽極電流與光照度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，光電倍增管陽極光電特性曲線如圖4所示。

表2 光電倍增管陽極光電特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 光電倍增管陽極光電特性曲線

2.2 伏安特性

2.2.1 陰極伏安特性

選用白光作為光源，將陰陽極切換開關(guān)撥至“陰極”。在光照度不變時(shí)，改變電壓的大小，記錄電流表示數(shù)，其中電壓變化范圍為0到80V。改變光照度為0.5Lx、1.0Lx、2.0Lx，測(cè)量電流與電壓的關(guān)系，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表3所示。繪制光電倍增管在三種光照度下的陰極伏安特性曲線，如圖5所示。

表3 光電倍增管陰極伏安特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 光電倍增管陰極伏安特性曲線圖

2.2.2 陽極伏安特性

在相同的光照度下，將白光作為光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，陰陽極切換開關(guān)撥至“陽極”，記錄在不同電壓下電流表的示數(shù)。分別測(cè)出光照度為0.1Lx、0.2Lx、0.5Lx時(shí)的陽極伏安特性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制光電倍增管在不同光照度下的陽極伏安特性曲線，如圖6所示。

表4 光電倍增管陽極伏安特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 光電倍增管陽極伏安特性曲線圖

2.3 光譜特性

在可見光范圍內(nèi)，控制不同波長(zhǎng)的光光照度為0.1Lx，將陰陽極切換開關(guān)撥至“陽極”。分別測(cè)量不同波長(zhǎng)的光在電壓為-300V時(shí)的電流，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表格，如表5所示。繪制波長(zhǎng)與電流的關(guān)系曲線，即為光電倍增管光譜特性曲線，如圖7所示。

表5 光電倍增管光譜特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 光電倍增管光譜特性曲線圖

3 結(jié)果與討論

在陰極電壓一定時(shí)，光電倍增管陰極電流隨光照度基本呈線性增加關(guān)系。陰極電壓增大，陰極電流變化范圍增大不明顯，如圖3所示。由圖4可得，陽極電流隨光照度的增加而增加，增大陽極電壓，陽極電流變化范圍明顯增大。因此，在光電倍增管的使用中，可以適當(dāng)降低陰極電壓，增大陽極電壓，提高光電轉(zhuǎn)換的效率。

在同一光照度下，增大陰極電壓，光電倍增管陰極電流增大。電壓較小時(shí)，變化率較大。隨著電壓增大到一定值后，曲線趨于平穩(wěn)，陰極電流不再改變，如圖5所示。隨著光照度的增加，陰極電流變化范圍增大。由圖6可得，在光照度一定時(shí)，陽極電流隨電壓的增大而增大。電壓較小時(shí)，不同光照度對(duì)應(yīng)的陽極電流變化趨勢(shì)基本相同，電壓增大，陽極電流增大不明顯。當(dāng)電壓增大到300V時(shí)，不同光照度對(duì)應(yīng)的陽極伏安特性曲線出現(xiàn)了陡峭的上升曲線，陽極電流急劇增加，且電壓和光照度越大，曲線越陡峭。為達(dá)到理想的倍增放大效果，需要將光電倍增管的電壓控制在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)適當(dāng)增大光照度。

光波波長(zhǎng)在400nm到630nm的范圍內(nèi)，光電倍增管的輸出電流隨波長(zhǎng)的增大而減小，基本呈反比關(guān)系，如圖7所示。在光照度及電壓一定時(shí)，光電倍增管對(duì)紫光波段的光敏感程度最高，電流倍增放大效果明顯。光波波長(zhǎng)較小時(shí)，光譜特性曲線出現(xiàn)了陡峭的下降曲線，輸出電流急劇減小，電流的變化率隨波長(zhǎng)的增加而減小。

4 展望與應(yīng)用

光電倍增管的陽極輸出電流隨光照度和電壓的增加而逐漸增加，將極微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并加以放大[4]。生活中，根據(jù)這一特性，人們可以將光電倍增管廣泛應(yīng)用于高精度要求的檢測(cè)領(lǐng)域[5]。例如在醫(yī)學(xué)上可以利用光電倍增管制作光強(qiáng)探測(cè)儀器檢測(cè)生物體發(fā)出的極微弱的恒定光強(qiáng)是否發(fā)生變化，從而檢測(cè)生物體是否發(fā)生病變[3]。

在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，當(dāng)照射光波長(zhǎng)在585～630nm的范圍內(nèi)時(shí)，陽極輸出電流較小，光電倍增管對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光倍增放大效果不明顯。因此光電倍增管在應(yīng)用時(shí)具有一定的局限性。