《光电倍增管响应度的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电倍增管响应度的研究（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、豆丁文档代下载：http:/ （0.1元/篇）精品文档豆丁网维维大豆整理2011年7月19号光电倍增管响应度的研究作者：吴小明指导老师：毛杰健光电倍增管的工作原理及结构1.1光电倍增管的基本工作原理3光电倍增管(英文简写PMT)由光电阴极，电子光学输入系统，二次发射倍增系统和阳极四部分组成。光阴极由吸收系数大，逸出功低，量子效率高，暗电流小的材料制成(图1-1)。光照射阴极产生光电效应而发射光电子(称为一次电子)。倍增极被一个能量较高的快速电子轰击会发射出许多个电子称二次电子) 。从光阴极K 到各个倍增极、，再到阳极加上依次递增的电压.即的电位比高，的电位比高等。阴极K 发射的光电子经电子光学
2、系统的加速和聚焦被收集到第一倍增极上，倍增极将发射更多的二次电子，这些二次电子又被电场加速和聚焦打到第二倍增极上得到倍增，图1-1 光电倍增管的基本工作原理如此倍增下去，在阳极回路中形成阳极电流。为了描述不同物体发射二次电子的能力，引入二次倍增系数，定义为从物体发射出来的二次电子数与同一时间内轰击该物体的一次电子数的比。也即二次发射电流和一次发射电流之比。设光阴极发射的光电流为，二次倍增系数为(一般为3 - 6 倍) ，光电倍增极的级数为(通常8 - 13 个倍增级)。假定各倍增极有相同的，且电极之间聚焦与收集都很理想. 故阳极电流。光电倍增管的电流放大系数，它与倍增级数和倍增极材料的二次倍增
3、系数有密切关系。当入射到阴极K 上的光子频率大于阴极光电效应的红限频率时，光电倍增管会在阳极上产生一个大电流输出，与阴极收集到的电子数成正比。重复进行多次的测量发现，阳极的平均电流。与阳极收集到的平均电子数成正比，与入射光子的能量成正比，即。由于光电过程及逐次光电倍增中的量子效应，使得即使入射光子的能量E 是一定的时候，最终在阳极上收集到的电子数N 也不是一定的。随机变量N 的概率分布服从于均值。N 的泊松分布. 即阳极收集到N 个电子的几率如图1-2 假定入射的一个光子只打出一个光电子，则阳极上收集的平均光子数为，当很大时，上述泊松分布函数近视为高斯分布的概率密度函数。即 其中 利用 可得由
4、图1-2 设二次倍增系数，倍增极个数。则, 可理解为，可见光电倍增管不仅有响应速度快，灵敏度高的特点，而且有分辨能量相差较小的两个光子的能力。1.2 光电倍增管的偏置电路4光电倍增管及其倍增电极偏置电路如图1-3所示，光电倍增管实质上是一个真空管。在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极（图中未画出）、电子倍增极和电子收集极（阳极）a 的器件。在阴极和阳极a 之间加上高压，在各个电子倍增极上加上梯度递增的倍增电压,该电压由电压偏置电路提供。图1中的串联电阻（）分压器构成PMT 的电压偏置电路，接于高压上的串联电阻，将分割成所需要的梯度递增的倍增电压供给PMT的各个倍增电极使用。当光照射
5、光阴极，光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）被倍增电极的电场加速飞向该电极并撞击在该电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。如果入射光子在光阴极上撞击产生了个光电子，若该个光电子全部被第一倍增极所吸引并且第一倍增极的增益为（即每个光电子又激发出个二次电子），则上产生的二次电子数量为个。这样，如果第二倍增极的增益为，由上产生的二次电子数量就为个。这样经过N级的逐级放大最后由阳极收集形成阳极电子流，如式（1）所示，式中为第倍增极的增益，。图1-3 光电倍增管及
6、其倍增电极偏置电路示意图 (1)设所有倍增极的增益均一样大小：，或者说倍增极的平均增益，则10 级PMT的总增益M为： (2)可见PMT的增益是很高的，可以对单个的光子进行测量。要使PMT具有稳定的增益，各个倍增极之间就要有稳定的电压差用来对电子进行加速。为各个倍增极提供逐级递增的电压差的电路称为PMT偏置电路或称为分压电路。为了使光电倍增管能正常工作，通常需在阴极和阳极a之间加上千伏左右的高压，同时还需在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间分配一定的极间电压，以保证光电子能有效地收集和加速，使光电流通过倍增极得到放大。光电倍增管对高压供电电源和偏置电压的稳定性要求比较高，在精密光辐射测量中，通常要
7、求电源的稳定度达到0.01-0.05。1.3 光电倍增管的结构5光电倍增管由光电发射阴极(光阴极) 和电子光学输入系统(光电阴极到第一倍增极之间的系统)、二次发射倍增系统及电子收集极(阳极) 等组成，是一种真空器件。图1-4是一种最简单的电子光学系统, 这种电子光学系统的收集率在85% 以上, 渡越时间的离散性(指阴极面上各点所发射的光电子达到第一倍增极上各处时产生的时间差) 约为10n s。性能最好的电子光学系统采用了球面形光电阴极, 并且附加了3 个圆筒形电极。这样, 阴极表面电位分布比较均匀, 而且从阴极中心和边缘发射的电子轨迹长度相差甚小, 可使渡越时间的离散性接近于零。1.光电阴极2
8、.与光电阴极同电位的金属筒3.带孔膜片4.第一倍增极图1-4电子光学系统结构示意图光电倍增管的倍增极结构分为聚焦型和非聚焦型两种。非聚焦型有百叶窗式结构和盒网室结构两种；聚焦型有直列聚焦型结构和圆形鼠笼聚焦式结构两种。光电倍增管阳极目前一般采用栅网状结构。如图1-5所示。图1-5阳极结构2.光电倍增管的响应度光电倍增管的响应度受多方面的因素影响，比如：偏置电压的高低、环境光和温度变化等多方面因素的影响，下面就光电倍增管响应度因不同因素影响进行设计性实验。2.1偏置电压对电倍增管响应度的影响由于光倍增管的响应度受到多方面的因素影响，就在其它条件相同的情况下，由偏置电压的变化来判断光电倍增管的响应
9、度情况：2.1.1电压为750V时光电倍增管的响应度实验时可以先采用比较小的电压进行实验，并对实验图像像进行分析可以发现光电倍增管随着电压的不断地增加对光子的响应度从对光的不响应到逐渐敏感，并且得出了电压为750V时的实验图像如图1-6所示。图1-6 电压为750V时光电倍增管的响应度从上面的图像可以看出由于偏置电压过低光子不能到达阳极使点3后的图像测量值几乎为零，此时光电倍增管对光不敏感，也就是说还没有找到合适的偏置电压，可以进行下一步的实验。2.1.2电压为850V时光电倍增管的响应度由于光电倍增管工作时对电压有一定的要求所以可以对偏置电压进行进一步的加强，并得出了电压为850V时光电倍增
10、管对光的响应图像如图1-7所示。图1-7 电压为850V时光电倍增管的响应度对图1-6和图1-7两图进行比较发现偏置电压越高光电倍增管就对光越敏感。为了寻找最佳的偏置电压，可以再加大光电倍增管的工作电压进行实验。2.1.3电压为950V时光电倍增管的响应度从前面的实验得知，随着电压的增加光电倍增管对光的敏感度和响应度进一步的增加，当电压为950V和1000V时光电倍增管的响应度分别如图1-8、图1-9所示。图1-8 电压为950V时光电倍增管的响应度在实验过程中，可以看出随着偏置电压的增大光电倍增管对光的会不断的敏感，响应度增加。从电压为750V 时光电倍增管对光不敏感，850V 、950V和
11、1000V对光均敏感，对以上四副图的峰值、拐点以及最低点的域值进行比较可以得出电压越高光电倍增管对光越敏感，并可以看出当电压为950V和1000V时由光电倍增管得出图像的峰值等都比较稳定，当然也可以选择更高的电压，但在实验过程中我们并不能把电压设置得过高，因为当电压增大时光电倍增管的热电子发射在信号检测中形成暗计数，还可能使光电倍增管的结构受到影响，故该光电倍增管的响应电压应为950V最佳偏置电压。图1-9 电压为1000V时光电倍增管的响应度2.2环境光对光电倍增管响应度的影响由于光电倍增管的响应度也受到外界光线的影响。就此可以设计在无光和有光的条件下进行实验，找出环境光对光电倍增管响应度的
12、影响：2.2.1在有光时光电倍增管的响应度由于光电倍增管还要受到环境的影响，我们可以对此进行实验分析，在有光的情况下由实验得出的图像如图1-10所示，并在图中标注一些主要的点如峰值、拐点和最低点等。图1-10 有光时光电倍增管的响应度2.2.2在无光时光电倍增管的响应度在进行无光条件的实验时，当然在实验中做到真正无光是很困难的，可以采用暗室并使光电倍增管尽量用金属外壳封闭起来，以减少环境光的影响，并在其它条件相图1-11 无光时光电倍增管的响应度同情况下可以得到如图1-11所示的实验图像，并在图中也标注一些主要的点如峰值、拐点和最低点等。由以上两图的图形看出：在有光时的图像由于环境光的影响图像
13、不稳定出现大量的波浪形图像；无光时光电倍增管对光的响应度更趋于平稳，使实验数据也更具有可靠性。因此，无光环境是决定光电倍增管对微弱光信号的检测能力的重要因素之一。2.3工作温度对光电倍增管响应度的影响光电倍增管工作时由于阴极材料发热，这样对光电倍增管的响应度产生较大的影响，因此不稳定的工作温度对光电倍增管的响应度也会带来不同程度的影响，为使实验数据更加符合实际，在实验时可以采用制冷器制冷，让光电倍增管工作在一定的温度下。2.3.1常温时光电倍增管的响应度图1-12 常温时光电倍增管对光的响应光电倍增管在工作过程中，阴极材料的工作温度会不断的升高，这样会对光电倍增管的响应度带来影响。在常温时光电
14、倍增管实验时的响应度如图1-12所示，采集出峰值及拐点后的数据如表1-1。表1-1 常温时拐点后的数据序号145678910阈值71.0087.0089.0091.0093.0095.0097.0099.00测量值62169.0023.0017.0028.0017.0026.0032.0014.002.3.2制冷时光电倍增管的响应度为了分析温度对光电倍增管响应度的影响，在实验中采用了半导体制冷系统对光电倍增管进行制冷，可以使光电倍增管工作在零下20摄氏度左右，使光电增管在此图1-13 制冷时光电倍增管对光的响应温度下工作，并采集此时的光信号的图像如图1-13所示，采集出拐点后的数据如表1-2。表1-2制冷时拐点后的数据序号14567891011阈值72.0086.0088.0090.0092.0094.0096.0098.00100.00测量值55586.0013.0026.0020.0030.0027.0015.0016.0022.00对以上两次实验的数据进分析，致冷前和制冷后的光子计数的数据比较可以看出降低光电倍增管的使用环境温度可以
