光电倍增管的选择和使用_

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1、数?这一点在? ?式 中并未考 虑,因为该 式中吸引作用和排斥作用仅仅 以简单的相加形式? ?一产?出现,也 就是说这两 种作用互不影 响,各自独立地作出贡献?对于这一点的修正,应 当使? ?式中的几一产?几?一?产?一产?注 意?之因子 来 自重正化因子?,它完全来自和声子的互作用,而和屏蔽库仑作用 无关,因此这 里的又无需修正 ?其次,?。?的修正不能 仅取。?的值,而应当考 虑各种频率下的贡献的 平均效果?假定这种修 正使?一?一?一?之?最后,积分上限在? ?处截断【由于? ?式的假定?是带有任意性的,这里?和 几,?一样也是待定的常数?综合这些考虑,? ?式 应 当改成铀?一?士?在

2、? ?的?。公式?中,除 ?和材有关?,? ?一八?以外,还包 含参最产?一?根据?式,?和。关? 。动有关,因此在?。和?的关系了。?一“中,指数。不会简单地是一恒定值?,利 用? ?式容易得到?的表示式?一廷土业业士二皿应亡 ?卜产?,几?一? ?,田?却几一拼?几? ?这是? ?和? ?式的解 的大致简单表 式,?场?正是给 出象?式那样 的?。公式?,?更恰当 的是 应当把 ? ?一?,这 里?是随久,产?缓变的函数?最后提一下 关于 同位素效应 的 问 题?按?理论? ? ?切? ?一功,即 同位素效应指数是一恒定常数?可是实验上 对各种元 素的同位素的?。的测?给出的 ? ? ?

3、”,其。值都不是?,如?一?,? ?一?,?一? ?,? ?,? ?一?有 的元素没有 同位 素效应,有 的甚至是负值,如?珑?利用数字求解方程?,? ?,并要求结果在 最小平方偏差下 和?。公式?式 所给的符合,这样就决 定了常数值?一?,?一? ?,?一?把这些代人?的表示 式,因此“和材料的几,拜?两个参?有关?鉴于括号中第 二项 是一正数,因而?,这要比?理论预 测的合理?以后于?年,? ? ?和功? ? ,?对于?场? ?的?。公式再次作了修正,其中不仅。要代以声子频率的某种平均值,而且系数?,还和广有关,因此 同位素指数?也要作出相应的修正?考文做?黝? ? ?,从盯中,? ?,?

4、,? ?,? ?,?丑?二,?洲?,? ? ? ? ? ?,? ? ?,? ?,? ?吹?,?,? ?,?,? ?一? ? ? ?,外,?丑?”?,? ? ?,?,?,?丑?”,1 6 7(1968), 331.8P.B.Allena ndR.C.Dyn e s, J.P而,s.C, 8(1975),L158, ; P h,a.丑e二,B, 12(1975),9 05.光电倍增管的选择和使用 (l )李禄华 (北京 综合仪 器 厂)引言随着科学技术的迅 速发展,新的科技领域不 断出现,光 电倍增管的应 用范围在日益 扩大.各应用场合对 光电倍增管提出了各种各样的要求,促进了光 电倍增管研究与生

5、产的发展.目前国际上 制造光电倍增管的厂家,生产的品种有物理的多达一百余种.由于制造时 使用的窗 材料、阴极材料、倍增极材料和倍增极 结构多种多样,加上一系列不同的外 形尺寸 和倍增极级数的变化,形成 了品种繁多的光 电倍增 管,为各方 面的使用者提供了广泛选 择管子 的可 能性.对 一特定光信号的侧里,为要 获得比较满意的结果,需要正确地选择光电倍增管,恰当地选择它的供 电状态;注意光电倍增管的输出到记 录装 置之间 的传输方式,注意环境条件的影响 以及遵守有关 注意事项.这些都离不开对光电倍增管基本特 性的了解.本文的目的在于帮助使用者为满足 使用要求 而选择合 适的光电倍增管,并力求 获

6、得优良的使 用性能.除了目前广泛应用的分 立倍增极 的光 电倍增管外,近十几年来尚出现连续式倍增极的光电倍增管,如通 道式和微通道板式 的光电倍增管,以及真空一半导体混合式 光电倍增管.关于连 续式倍增极 光电倍增管和混合式光电倍增管,本文不做介 绍.一、光电倍增管的工作原理和基本结构光电倍增管 是一种真空光电器件,它可 把紫外、可见和红外辐射转变成电信号并加以放大.它的工作原理建立在 光电发射、二次电子发射 和电子光学 的理论基础上.关于光电发射和二次电子发射 的机理一般用固体能带理论 处理.光 电子、二次电子的聚焦 和加速遵从带 电粒子在 电场中的运动规律.有关 这些方面的 知识,在许多光

7、电倍增 管的著作中都有叙述.光电倍增管 由下述几个部件 组成:(l )一个光 电阴极.对 端窗管来说,光电阴极一般是半透明 的,真空燕发在 光窗的内表 面上;对侧窗管来说,光电阴极是不透 明的,蒸发在 金属基底上,置于管内离光窗一定距离处.光电阴极将落在它处的光谱灵敏区域 的光子流转换成电子流.(2)一个电子光学输人系统.它 由光电阴极与第一倍增极 之间的电极 结构和各电极所加的电位构成,它将光电阴极发 射的光电子聚 焦在第一倍增极的有效面上.(3)一个倍增系统.它 由若 干个倍增极 组成,每一个倍增极依次加上递增的电位,倍增极借助于二次电子发 射来“倍增”电子.倍增系统的终端有一个阳极,它接

8、收由最后一个倍增极来 的电子流,并输出信号.上述各部件被 密封在一个高真空 的管壳内.管内建 立和保持高真空,对 光 电发射 层和二次电子发射层具有良好的工作状态,以及保持光 电倍增管光电参数的恒定性 都是重要的条件.具体的管型结构通 过结构设计来实现.结构设计的任务就是根据带电粒子在 电场中的运动规律,确定 电极的形状、数目、电极 之间的相互位置 以及各个 电极的 电位 分布,从而给 出尽可 能高的级间 收集效率和良好的阴极均 匀 性,以及满足在一定 的放大倍数下具有低的暗 电流的要求.对快速管,还要求渡越 时间分散 小、高频特性好和大 的线性 电流.光电倍增管作为微光探测 器件具有如 下特

9、点:(l )灵敏度极高,噪声低,作光子计数时可探 测来 自光电阴极的一个光电子产生的输 出脉冲;(2)时间 响应快,在定时 测工上时间 分辨率可达20 0一30 0微微秒;(3)灵敏面 积 变 化范 围大,阴极有效直 径大约从 1 0毫米到几 百毫米.加上其 它方面的特点,使 光电倍增管广泛地应用于 科学技术的各 个方面,如 闪烁计数、光子计数、激光探测、空 间科学、天体物理、表面科学、环 境科学、工业检测和理化 分析等方面.渗透到理、工、农、医和 国防等国民经济的各个领域.二、光电倍增管的主要参数下面简 单介绍一些光电倍增 管 的 重 要参数,这 些参数反映 了光电倍增管 的性能.了解光电倍

10、增管的参数和特性对选 择和使用管子都是 必要的.1.且子效率量子效率 的定义为光 电阴极发射光 电子 的平均数 与人射到阴极的光子数的比值,通常 用百分数表示.童子效率与人射光波长 有关,因11卷7期此给出量子效率的数据 时必 须注 明波长.如无特 别注明,通常是指 阴极光谱响应 的峰值波长.量子效 率这一参数对不 同阴极材料 的阴极灵敏度能提供有效的比较.此外,对探测单色光它也 给出了直接有用的信息.因此,随 着单色性很好 的激光器的 广泛 应用,量子效 率这一参数引起了人们的更大兴趣.2.辐照灵敏度辐照灵敏度 的定义为光电阴极发 射的光电流除以人 射到阴极 的辐 射通量所得的 商,单位用毫

11、安/瓦表示.辐照灵敏度也是对 某一波长而言 的.辐照灵敏度与量子效率之间有如下关系:量子效 率(多)一124 05;/又,式 中s:为辐照灵敏度(毫 安/瓦),浇为波长(埃).例如对波长为4000埃 的辐 射,辐照灵敏度为 8 0.6毫 安/瓦时,其量子效率为 2 5多. 3.光谱 响应特性量子 效率(辐照灵敏度)只能 反映 某一波 长上的阴极灵敏度,而光电阴极的光电发射是选择性 光电效应,它在某 一波长范围内的量子效率是随 波长而变 化的.因此引入“光谱响应特性”这一 术语来表示 量子效率(辐照灵敏 度)与波长的依 赖关系.虽然光谱 响应特性给出了阴极灵敏度 的完整信 息,但所需测试设备比较

12、复杂,测试 烦琐费时.所以对一种阴极,制造 厂家只给出一条典型的光谱响应 特性曲线,对 出厂的每一 支管子通常不 给 出此 测量数据.4.光照 灵敏度制造厂家普 遍地采用光照灵敏度这一 参数来 表征阴极灵敏度.测试 时采用一个 色 温 为 2856 K的钨丝灯作光源,用阴极发射的 光电流除以人射到阴极的光通量所得的商来表示,单位 为微安/流明.尽管光照灵敏度对光 谱响应特 性显著不同的 阴极材料不 能 提 供 有效的比较,而需要采用量子 效率(辐照灵 敏度)这 一参数.但长期以来仍一直被制 造厂家所采用.这是因为所 需测试 设备简单,测试标准容易复制,测 量简捷;对 同一阴极材料的管子的测 量

13、数据仍能提 供有效的比较.近几年 来,许 多制造厂家又采用若 千个“颜 色灵敏度”参数来作为 光照灵敏度的补充.这样使这一旧的参数显示 出新的生命力.而且人 们发现,对具有一定的 光谱响应特性的管 子,光照灵敏度 与峰值辐照灵敏度之间存在一对应关 系.可 以从光照灵敏 度推算 出峰值辐照灵敏度,它们 的关 系式如下:_、p8,!了。(;)w(:)、 :天 J*(:)二(,“式中S。为峰值辐照灵敏度(毫安/瓦),yk为 光照灵敏度 (微安/流 明), R (又)为光 电阴极相对光谱响应特性,w(劝为色温2856K时钨 丝灯的相对光谱功 率分布, V(劝为人 眼视觉函数 (白昼)相对分布,c为转换

14、因数.某 些阴极材料的c值如表1所示.阴极材料s卜esl卜K一Cs卜b一K一Na一(51A g一 O - -Cs亡值19161123614405.蓝光、红光和红外 灵敏度蓝光、红光和红外 灵敏度的测试 与光照灵敏度测试 基本相 同,所 不同的是在光 源与阴极之间加 人有色滤光片.各制造厂家 所加滤光片的型号不 完全相同.对蓝光灵敏度测试,国际上一般采用康宁公司的cs - -5一5 8型 滤光片,厚度为l/2毛坯厚度.我国 的制造 厂家采用QB一2 4型滤光片(厚2毫米).对红光 灵敏度测试,我国的制造厂家采用HB ll型滤光片, EMI公司采用CS - -2一6 2型 滤光片,这两种型号滤光片

15、的性能很接近.对 红外灵敏度测试,EMI公 司采用Wr at t en8 7型滤光片 (对半透 明阴极管)和wr at t en88A型滤光片 (对不透 明阴极管).QB一2 4, CS - -5一5 8, CS - -2一6 2,Wra tt en87和 Wrat-t en88A的光谱透过 率曲 线 如 图1所示.光照、蓝光、红光和红外灵敏度的侧试,可帮助 我们粗略地了解管子 光谱响应特性 的大 致情况.对多碱阴极管和其它对红外灵敏的管子,一 般是 同时侧 试这几个参数,并用它 来表 征阴极灵敏度特性.应该注意的是,各制造厂家物理叻8 03 ; /, 知印匆们3 0八饭)哥泪侧纽长2 0l 0O- s e L L L 匕一L一力 .以仁Jw eJ洲刀月佣5阅曰】7的目】 驯刀波长(奄橄来)图1测试光电阴极“颇色灵故度”所用的 几种沁光片的光谱透过串曲线lQB一2斗(厚2奄米): 各62;月-wratten2C宇5一5 83e eCS5Wr