光电倍增管特性测量和应用.pdf

《光电倍增管特性测量和应用.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电倍增管特性测量和应用.pdf（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、目 录 一 光电倍增管综合实验仪说明 1 二 实验 光电倍增管特性参数的测试 2 一 实验目的 2 二 实验内容 2 三 实验仪器 2 四 实验原理 2 五 注意事项 6 六 实验内容 6 1 暗电流测量 7 2 阳极灵敏度测量 7 3 阴极灵敏度测量 8 4 光电倍增管增益 放大倍数 的计算 8 5 光电倍增管光电特性测量 8 6 光电倍增管的时间特性 9 一 一 光电倍增管综合实验仪说明光电倍增管综合实验仪说明 光电倍增管是一种真空光电器件 它主要由光入射窗 光电阴极 电子光学系统 倍增极和 阳极组成 其工作原理为 当光照射光电倍增管的阴极 K 时 阴极向真空中激发出光电子 一次激发 这些

2、光电子按聚焦极电场进入倍增系统 由倍增电极激发的电子 二次激发 被下一倍增极的电场加速 飞向该极并撞击在该极上再次激发出更多的电子 这样通过逐级 的二次电子发射得到倍增放大 放大后的电子被阳极收集作为信号输出 它是一种具有极高 灵敏度和超快时间响应的光探测器件 可广泛应用于光子计数 极微弱光探测 化学发光 生物发光研究 极低能量射线探测 分光光度计 旋光仪 色度计 照度计 尘埃计 浊度 计 光密度计 热释光量仪 辐射量热计 扫描电镜 生化分析仪等仪器设备中 ZY12206C 型光电倍增管综合实验仪主要研究光电倍增管的基本特性 如暗电流 阴极灵敏 度 阳极灵敏度 放大倍数 增益 光电特性 伏安特

3、性 时间特性 光谱特性等等 实 验箱分电路部分和光路部分 在电路 PCB 板部分 模块化设计 配备有电压表 精密电流 表和照度计 连线 调节 观察和记录都很方便 加上我司拥有专利技术的结构设计使得整 个实验系统美观 严谨 二 实验 二 实验 光电倍增管特性参数的测试光电倍增管特性参数的测试 一 实验目的 1 了解光电倍增管的基本特性 2 学习光电倍增管基本参数的测量方法 3 学会正确使用光电倍增管 二 实验内容 1 暗电流的测量 2 阴极灵敏度的测量 3 阳极灵敏度的测量 4 光电倍增管放大倍数的测量 5 光电倍增管光电特性 6 光电倍增管时间特性 三 实验仪器 1 光电倍增管实验仪1 台 2

4、 双踪示波器1 台 四 实验原理 1 工作原理 工作原理 光电倍增管是一种真空光电器件 它主要由光入射窗 光电阴极 电子光学系统 倍增 极和阳极组成 其工作原理为 当光照射光电倍增管的阴极 k 时 阴极向真空中激发出光电 子 一次激发 这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统 由倍增电极激发的电子 二次激 发 被下一倍增极的电场加速 飞向该极并撞击在该极上再次激发出更多的电子 这样通过 逐级的二次电子发射得到倍增放大 放大后的电子被阳极收集作为信号输出 2 供电分压器 供电分压器 从光电阴极到阳极的所有电极用串联的电阻分压供电 使管内各极间能形成所需的电 场 光电倍增管的极间电压的分配一般由图 2

5、所示的串联电阻分压器执行的 最佳的极间电 压分配取决于三个因素 阳极峰值电流 允许的电压波动以及允许的非线性偏离 光电倍增管的极间电压可按前极区 中间区和末极区加以考虑 前极区的收集电压必须 足够高 以使第一倍增极有高的收集率和大的次极发射系数 中间级区的各级间通常具有均 匀分布的极间电压 以使管子获得最佳的增益 由于末极区各极 特别是末极区取较大的电 流 所以末极区各极间电压不能过低 以免形成空间电荷效应而使管子失去应有的直线性 当阳极电流增大到能与分压器电流相比拟时 将会导致末极区间电压的大幅度下降 从 而使光电倍增管出现严重的非线性 为防止极间电压的再分配以保证增益稳定 分压器电流 至少

6、为最大阳极电流的 10 倍 对于线性要求很高的应用场合 分压器电流至少为最大阳极 平均电流的 100 倍 确定了分压器的电流 就可以根据光电倍增管的最大阳极电压算出分压 器的总电阻 再按适当的极电压分配 由总电阻计算出分压电阻的阻值 3 电倍增管的特性和参数 电倍增管的特性和参数 光电倍增管的特性参数包括灵敏度 电流增益 光电特性 阳极特性 暗电流等 下面 介绍本实验涉及到的特性和参数 1 灵敏度 灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数 一般是指积分灵敏度 其单 位为 uA Lm 光电倍增管的灵敏度一般包括阴极灵敏度 阳极灵敏度 2 阴极光照灵敏度 阴极光照灵敏度 SK 阴

7、极光照灵敏度 SK是指光电阴极本身的积分灵敏度 定义为光电阴极的光电流 Ik除以 入射光通量 所得的商 LmA I S K k 1 光照度 E 阴极 K 面积为 A G VH 图 1 光电倍增管阴极灵敏度测量 光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图所示 入射到阴极 K 的光照度为 E 光电阴极 的面积为 A 则光电倍增管接受到的光通量为 AE 2 由式 1 2 可以计算出阴极灵敏度 入射到光电阴极的光通量不能太大 否则由于光电阴极层的电阻损耗会引起测量误差 光通量也不能太小 否则由于欧姆漏电流影响光电流的测量精度 通常采用的光通量的范围 为 10 5 10 2Lm 3 阳极光照灵敏度阳极光照灵敏度

8、 Sp 阳极光照灵敏度 Sp是指光电倍增管在一定工作电压下阳级输出电流与照射阴极上光通 量的比值 LmA I S p p 3 4 放大倍数放大倍数 电流增益电流增益 G 放大倍数 G 电流增益 定义为在一定的入射光通量和阳极电压下 阳极电流 Ip与阴极电 流 IK间的比值 K p I I G 4 由于阳级灵敏度包含了放大倍数的贡献 于是放大倍数也可以由在一定工作电压下阳极 灵敏度和阴极灵敏度的比值来确定 即 K p S S G 5 放大倍数 G 取决于系统的倍增能力 因此它是工作电压的函数 5 暗电流暗电流 d I 当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时 在阳极电路里仍然会出现输出电流 我们称

9、之为暗电流 暗电流与阳极电压有关 通常是在与指定阳极光照灵敏度相应的阳极电压下测 定的 引起暗电流的因素有 热电子发射 场致发射 放射性同位素的核辐射 光反馈 离 子反馈 极间漏电等 6 光电特性 光电特性 光电倍增管的光电特性定义为在一定的工作电压下 阳极输出电流 Ip与光通量之间的曲 线关系 7 时间特性 时间特性 由于电子在倍增过程中的统计性质以及电子的初速效应和轨道效应 从阴极同时发出的 电子到达阳极的时间是不同的 因此 输出信号相对于输入信号会出现展宽和延迟现象 这 就是光电倍增管的时间特性 3 高压供电与信号输出高压供电与信号输出 为了使光电倍增管能正常工作 通常在阴极和阳级间加上

10、近千伏的高压 同时 还 需在阴极 倍增极和阳极间分配一定的电压 保证光电子能被有效地收集 光电流通过倍增 系统得到增大 光电倍增管的供电方式有两种 即负高压接法 阴极接电源负高压 电源正端接地 和正 高压接法 阳极接电源正高压 而电源负端接地 正高压接法的特点是可使屏蔽光 磁 电的屏蔽罩直接与管子外壳相连 甚至可以制成 一体 因而屏蔽效果好 暗电流小 噪声水平低 但这时阳极处于正高压 会导致寄生电容 增大 如果是直流输出 则不仅要求传输电缆能耐高压 而且后级的直流放大器也处于高电 压 会产生一系列的不便 如果是交流输出 则通过耐高压 噪声小的隔直电容 负高压的优点是便于与后面的放大器连接 既可

11、直流输出 又可交流输出 操作安全方 便 缺点是玻壳的电位与阴极电位接近 屏蔽罩应至少离开玻壳 1 2cm 否则 由于静电 屏蔽的寄生影响 暗电流与噪声都会增大 Ip Rf VH V Ip 图 2 光电倍增管分压与信号输出电路 五 注意事项 1 光电倍增管对光的响应极为灵敏 因此 在没有完全隔绝外界干扰光的情况下 切 勿对管施加工作电压 否则会导致管内倍增极的损坏 2 测量阴极电流时 加在阴极与第一倍增级之间的电压不可超过 200V 否则容易损坏 光电倍增管 3 不要用手触摸光电倍增管的阴极面 以免造成光电倍增管透光率下降 4 阴极和阳极之间在切换时 首先必须把电压调节到零 5 将光源从暗箱上拆

12、下时 首先必须把电压调节到零 六 实验内容 准备步骤 用同轴电缆线将光电倍增管暗箱的 PMT 输出 接口与光电倍增管实验仪实 验箱上的 PMT 输入 接口相连 用同轴电缆线将光电倍增管暗箱上的 高压输入 接口与实 验箱上的 高压输出 接口相连 用同轴电缆线将照度计探头与实验箱上的 照度计输入 接 口相连 将所有旋钮逆时针调节到最小 注 本实验采用的光电倍增管的受光面面积为 24mm 8mm 1 暗电流测量 暗电流测量 1 将光源旋接在光电倍增管暗箱上 2 将暗箱上的 阴极电流 阳极电流 开关 以下简称 阴极 阳极 开关 打到 阳极电 流 档 3 将实验箱上的 HV LV 开关打到 HV 档 将

13、 静态特性测试 时间特性测试 开关 以 下简称 静态 时间 开关 打到 静态特性测试 档 4 缓慢调节电压调节旋钮至电压表显示为 1000V 记下此时电流表的显示值 该值即 为光电倍增管在 1000V 时的暗电流 5 将高压调节旋钮逆时针调节到零 2 阳极灵敏度测量 阳极灵敏度测量 1 将光电倍增管暗箱上的 阴极 阳极 开关打到 阳极电流 档 2 将实验箱上的 HV LV 开关打到 HV 档 将 静态 时间 开关打到 静态特性测试 档 将光源与照度计探头旋接 并与实验箱上的 LED2 相连 连接完毕后 将光照度调节 旋钮逆时针调节到零 按下照度表的换档开关将照度表的量程调节到 20lx 档 调

14、节调零旋 钮将照度值调节到 0 00 3 缓慢调节光照度调节旋钮 将照度值调节到 0 1lx 保持光照度调节旋钮不变 将 光源与照度计探头分开 4 将衰减器旋接在暗箱上 再将光源旋接在衰减器上 此衰减器将光衰减为原来的 1 00 倍左右 若要得到精确的衰减倍数 可以采用如下方法进行 首先将光源调节到 100lx 再将衰减片加入 然后测量此时的光照度 两者的比值即为衰减倍数 A 缓慢调节高压调 节旋钮 分别记下电压为 100V 200V 300V 400V 500V 600V 700V 800V 900V 和 1000V 时的阳 极电流值 5 将高压调节旋钮逆时针调节到零 将光照度调节旋钮逆时针

15、调节到零 6 绘出在该光照度下的 A I V 关系曲线 3 阴极灵敏度测量 阴极灵敏度测量 1 将实验箱上的 HV LV 开关打到 LV 档 2 将实验箱上的 静态 时间 开关打到 静态特性测试 档 3 将暗箱上的 阴极 阳极 开关打到 阴极电流 档 4 将光源与照度计探头旋接 并与实验箱上的 LED2 相连 连接完毕后 将光照度 调节旋钮逆时针调节到零 按下照度表的换档开关将照度表的量程调节到 20lx 档 调节调 零旋钮将照度值调节到 0 00 5 调节光照度调节旋钮使照度表显示为 10lx 6 保持光照度调节旋钮不变 将光源与照度计探头分开 将衰减器取下 再将光源旋 接在光电倍增管暗箱上

16、 缓慢从零增加电压 每隔 0 1V 记录对应的电流值 绘出电压与电 流之间的关系 并找到曲线趋于饱和的电流值 IK 7 将高压调节旋钮逆时针调节到零 将光照度调节旋钮逆时针调节到零 8 按照公式 LmA I S K k 计算阴极灵敏度 4 光电倍增管增益 光电倍增管增益 放大倍数放大倍数 的计算的计算 1 计算当光照度为 0 1 A lx 时 阳级电压分别为 500V 600V 700V 800V 900V 和 1000V 时的放大倍数 2 绘出该光强下的 G V 曲线 并对曲线进行分析 5 光电倍增管光电特性测量 光电倍增管光电特性测量 1 将实验箱上的 静态 时间 开关打到 静态特性测试 档 2 将光电倍增管暗箱上的 阴极 阳极 开关打到 阳极电流 档 3 将实验箱上的 HV LV 开关打到 HV 档 4 将光源与光照度探头连接 调节光照度调节旋钮使照度表显示为 0 2lx 5 将衰减器旋接在暗箱上 再将光源旋接在衰减器上 缓慢增加电压为 1000V 记下 此时的电流值 6 重复步骤 4 和 5 依次记下光照度为 0 2lx 0 3lx 0 4lx 0 5lx 0 6lx 时的电流