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1、 光电倍增管的技术及发展现状摘要: 简述了光电倍增管的结构和用途, 着重介绍了新型微通道板光电倍增管的结构特点和性能优势, 同时对当今光电倍增管的最新发展状况进行了陈述和分析。关键词: 光电倍增管; 微通道板; 结构; 性能; 应用; 发展Abstract: The basic structure and application of photomultiplier are briefly presented. The new characteristic and the higher performance of our recent designed MCP-PMTS are descri
2、bed indetail . Finally ,the latest development of MCP-PMTS is introduced and analyzed.引言光电子技术是当今世界的综合性高新技术, 其技术内涵宽广, 产品种类繁多, 应用领域广泛, 是影响未来社会发展的重要战略性产业之一。作为近代光学与电子的融合技术, 光电子技术已发展成为21世纪的尖端科技之一。 其中, 基于外光电效应的真空光电探测器件是最早出现的光电子技术分支, 主要包括光电管、 光电倍增管、 图像增强器以及变像管、条纹管等。 随着材料技术、 激光技术、 半导体技术、 微电子技术的飞速发展, 各种高新技术相
3、互促进, 共同发展, 真空光电探测器件在受到半导体光电器件冲击的同时也取得了新的发展, 并以其独特的性能特点而占据军民市场一定的份额。在真空光电探测器件中, 光电倍增管是针对微弱光探测的主要器件, 它在军民领域的应用范围很广。 随着近年来微电子技术的蓬勃发展, 半导体光电探测器也得到了迅猛的发展, 它们以体积小、 工作电压低、 价格低廉、 强光下工作稳定性好等特点得到了广泛的应用, 取代了光电倍增管的部分市场。 但光电倍增管在信噪比、 高速、 倍增系数、 探测面积等方面与半导体器件相比仍具有较大的优势。 因此, 在天文学、 光谱学、 激光测距和闪烁计数等方面, 光电倍增管仍具有独到的价值。1光
4、电倍增管的基本情况1.1光电倍增管的基本构成和工作原理光电倍增管是一种将微弱光信号转换为电信号的真空光电探测器件, 主要由附着在输入光窗内表面的光电阴极、 单级或多级电子倍增系统和接收信号的阳极组成。 它的工作原理是建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论的基础上的。光电阴极将入射的被测光信号转换成电信号, 光电子在外加电场的作用下, 经过聚焦、 汇聚在倍增电极, 通过碰撞倍增极表面的二次电子发射材料, 输出放大成为电子流, 再经过多次倍增, 信号最后被阳极接收并输出, 进入后续电路供分析研究。 将闪烁体与光电倍增管结合, 可实现对高能或低能辐射的各种射线、 粒子、 离子等进行测量, 大大拓
5、宽了光电倍增管的应用范围。1.2光电倍增管的分类由于光电倍增管的应用范围很广, 所以从19世纪30年代问世至今, 已发展成几百个品种的光电倍增管系列。 以入射光形式可分为端窗式和侧窗式; 以探测光谱不同可分为紫外、 可见光、 近红外等； 以倍增系统的不同可分为打拿极和微通道板等, 图1和图2分别为打拿极光电倍增管和微通道光电倍增管结构示意图; 以外形不同可分为球形和圆柱形以及方形； 以阳极输出的不同可分为单阳极和多阳极等；以聚焦方式不同又可分为静电聚焦和近贴聚焦型等等。当然, 不同的结构组成, 产生不同的参数特性和环境性能, 使用方可根据自己的实际应用提出参数要求, 生产厂家根据用户要求进行合
6、理的配置, 从而设计制作出合格的产品。1.3光电倍增管的基本参数和特性参数1.3.1光电倍增管的基本参数基本参数是光电倍增管性能最本质的反映, 它们常常与器件的工作机理、结构特征、材料性质和制造工艺等密切相关,主要包括阴极灵敏度、阳极灵敏度、电流增益、暗电流、光谱响应范围以及阴极均匀性等。1.3.2光电倍增管的应用参数光电倍增管的应用参数同样由器件的结构和材料决定,它针对不同应用的特殊要求,主要包括上升时间、半高宽、渡越时间和时间分辨率等时间特性；脉冲幅度分辨率、噪声能当量和计数坪特性等闪烁计数特性；暗噪声计数、单电子分辨率和峰谷比等单光子计数特性等。1.3.3光电倍增管的运行特性光电倍增管的
7、运行特性通常表征其所能承受的外部条件的限制和管子本身的使用极限,主要包括稳定性、温度特性、最大线性电流、抗电磁干扰能力、抗振动耐冲击能力等。1.4光电倍增管的应用光电倍增管能将微弱光信号转换成电信号并倍增放大,它在微光探测领域占有及其重要的地位,其超高的电子增益使得光电倍增管成为一种理想的低噪声放大器；光电倍增管具有很快的时间响应,特别是微通道板光电倍增管,响应时间达到了皮秒量级,因此,它又是一种很好的宽频带放大器。光电倍增管还有许多其它光电器件不能与之匹敌的优异特性,如高温双碱阴极的光电倍增管可工作于170 甚至200的环境中。光电倍增管是多种精密测量仪器的核心器件,被广泛应用于冶金、电子、
8、机械、化工、地质勘探、医疗、生物医药、核工业、天文、宇宙空间研究和环境监测等领域,对规模庞大的光电仪器仪表产业起着重要的支撑推动作用。具体应用如下:a.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。b.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。c. 环境监测:尘埃粒子计数器,浊度计等。 d.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
9、光计。 e.医疗应用: C相机, 正电子CT,液体闪烁计数,血液、尿液检查,用同位素、 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。 f.射线测定:低能量的A射线, B射线和C射线的检测。 g.资源调查: 石油测井, 用于判断油井周围的地层类型及密度。 h.工业计测:厚度计,半导体检查系统。 i.摄影印刷: 彩色扫 描, 把彩 色分解成 三原色( 红、绿、蓝) 和黑色,作为图象数据读出。 j.高能物理: 辐射计数器,TOF计数器,契伦柯夫计数器,热量计,中微子实验,空气浴计数器。 k.激光: 激光雷达,荧光寿命测定,激光核聚变
10、等。 l.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质。2微通道板光电倍增管的结构特点和性能优势微通道板光电倍增管是一种新型的光电倍增管, 与传统光电倍增管相比, 微通道板光电倍增管所使用的电子倍增系统为微通道板, 他的结构如图3所示。微通道板有上百万根微细玻璃管构成, 玻璃管孔径一般在几到几十微米,微孔内壁敷有二次电子发射材料, 单块板的厚度常规状态下为微孔直径的40倍,单块微通道板一般能获得1000倍以上的电子增益。 基于微通道板的薄片式结构, 以此作为倍增极的光电倍增管通常采用近贴聚焦的方式, 这样各电极间的距离大大缩短, 极间电场分布均匀, 同时为实现近贴聚焦而采取的真
11、空转移工艺技术, 减小了碱金属对器件内部的污染, 这样, 微通道板光电倍增管在基本参数、 应用参数和运行性能方面较之传统光电倍增管都有了较大的提高, 具体表现在以下几个方面:1) 较低的暗电流和较好的稳定性: 由于真空转移技术的应用, 游离的碱金属在管内的数量急剧下降, 从而大幅提高了暗电流性能; 同时, 由于管内无多余的碱金属, 避免了管壁上吸附的碱金属元素再分布导致的光电阴极灵敏度的变化, 阴极的稳定性得到提高。2) 优异的时间响应特性: 近贴聚焦结构的采用,极间距离很小, 微通道板的厚度很薄, 光电子在器件内运行的距离大大缩短, 很好地优化了电子渡越时间。同时近贴聚焦场是纵向均匀电场,
12、这样由于电场不均匀而造成的渡越时间零散大大减小, 即微通道板光电倍增管的时间分辨率较之传统光电倍增管有很大的提高。这一特性在某些应用中是至关重要的。另外, 微通道板光电倍增管的脉冲上升时间也得到改善, 目前国际最快的微通道板光电倍增管的上升时间已达到70 ps, 而且在超快脉冲探测、 时间相关单光子计数、激光雷达等应用方面具有很大优势。3) 良好的抗振动、 耐冲击和抗电磁干扰能力: 与传统光电倍增管的玻璃外壳不同, 微通道板光电倍增管一般采用金属- 陶瓷封接的管壳, 具有良好的抗振动耐冲击性能; 而近贴聚焦的结构, 使得电子的运动距离很短, 外界电磁场对真空内电子的干扰亦大幅下降。4) 易于实
13、现多路探测和位置分辨: 当光电阴极价带中的电子吸收入射光能量后跃迁到导带并克服电子亲和势进入真空后, 其初速度基本为零, 在外加平行电场的作用下, 电子沿轴向运动进入微通道板小孔, 微通道板的小孔是相互独立的, 因此经过倍增, 电子从微通道板另一端输出, 其位置基本与入射到阴极上的位置相对应, 输出的二次发射电子流的初速度同样基本为零, 再经过微通道板输出电极与阳极间的近贴平行电场的作用, 电子被阳极收集形成电流信号。 若将阳极制作成相互独立的若干单元,则各个单元阳极所收集的电子与阴极的位置是相互对应的, 这样就能在一只光电倍增管内实现多路探测, 并可以进行入射信号的位置分辨。 目前除分立式多
14、阳极以外, 采用编码型阳极如精细- 精细式高密度矩阵阳极、楔条阳极、延迟线阳极和电阻阳极等多阳极结构, 可实现单光子计数成像, 具有良好的空间和时间分辨率。当然, 微通道板光电倍增管与传统打拿极光电倍增管相比, 亦存在劣势, 主要表现在其成本较高,售价是传统光电倍增管的十倍以上; 其二, 微通道板光电倍增管由于微通道板的高电阻, 在使用时, 可输出的平均阳极线性电流较小, 而在脉冲工作状态, 输入脉冲的频率不能太高, 否则会导致输出脉冲畸变。3光电倍增管的技术及发展现状基于各项基础技术的发展和进步,同时为适应更高精度的测量要求, 近些年光电倍增管和其它光电子器件一样, 正在向小型化、高可靠、多
15、功能、模块化和集成化方向发展, 其制造技术和各项性能均得到了很大的提高, 如上述微通道板作为倍增极的微通道板光电倍增管( Microchannel Plate Photomultiplier) ,就是一种新型的光电倍增管。目前国际上光电倍增管的技术进步主要体现在对光电阴极、电子倍增系统和阳极输出结构的创新设计和工艺优化方面。另外,与半导体光电探测器件相结合的全新结构复合型光电倍增管亦发展迅速。3.1光电阴极的发展1)采用多种工艺手段提高传统实用光电阴极的量子效率, 如日本滨松公司已研制出量子效率达到40%以上的超级双碱阴极以及辐射灵敏度达到60mA/ W以上的紫外阴极；2)依据半导体材料能带弯
16、曲原理, 采用具有负电子亲和势的- 族化合物半导体材料如 GaAs、GaAsP等制作的系列光电阴极, 具有了50%的高量子效率。3) 采用InGaAs、InP/InGaAs复合材料制作的阴极, 其探测波长向红外延伸, 长波响应可延伸至1700 nm ；采用无窗式结构并将光电阴极制备在微通道板表面, 可探测极紫外和X 射线等短波信号。3.2倍增系统的发展1) 微通道板孔径向更小的方向发展,器件的时间特性和动态范围得到极大的优化, 目前最快的光电倍增管脉冲上升时间达到 70 ps。2) 采用微细加工技术, 将传统打拿极制成多通道集成的结构, 一方面减小了打拿极的体积, 改善了器件的时间特性, 另一方面为多路探测提供了条件。3) 将微通道板的长径比提高到 60
