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1、光电倍增管特性参数及其测量试验报告 光电倍增管特性参数及其测量试验报告 试验名称 ： 光电倍增管特性参数及其测量 姓名 ： 学号 ： 专业 ： 班级 ： 试验时间 ： 2022 年 5 月 13 日 厦门理工学院光电工程试验教学中心 试验日期： 5.13室温：气压： 同组试验者： 试验目的与要求 通过本试验，了解把握光电倍增管的暗电流、信噪比、灵敏度 和增益等特性及其测量方 法，为应用光电倍增管对微辐弱射的探测奠 定基础。 试验器材 MXY8101 光电倍增管综合试验仪 1 台 耐高压连接线 10 只 试验内容（包括试验原理、光路图、操作方法与步骤、数据记录及处理、试验结果分析与争论等） 试验
2、原理、光路图： （1）光电倍增管工作原理 光电倍增管属于真空光电传感器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子聚焦系统、倍增电极和阳极 5 部分构成，光电倍增管有多种结构类型，典型光电倍增管如图 1.40-1 所示，为侧窗圆形鼠笼式光电倍增管。 其工作原理分下面 5 部分： 光子透过入射窗口玻璃入射到玻璃内层光电阴极上，窗口玻璃的透过率满意光电 倍增管的光谱响应特性； 进入到光电阴极上的光子使光电阴极材料产生外光电效应，激发出电子，并飞离 表面到真空中，称其为光电子； 光电子通过电场加速，并在电子聚焦系统的作用下射入到第一倍增极 D1 上，D1 放射出的光电子数目是入射光电子数目的倍，这些二次光电
3、子又在电场作用下射入到下 一倍增极； 入射光电子经 N 级倍增后，电子数就被放大N倍，图 1.401 所示的倍增管共有 8 级，即 N=8； 经过倍增后的电子由阳极收集起来，形成阳极电流，在负载上产生压降，输出电 压信号 Uo。 （2）光电倍增管的基本特性参数 光电倍增管的特性参数如下。 光电灵敏度 光电灵敏度是光电倍增管探测光信号力量的一个重要标志，通常分为阴极灵敏度 Sk 与阳极灵敏度 Sa。它们又可分为光谱灵敏度与积分灵敏度。光电倍增管的阳极光谱灵敏度 常用 Sa，表示，阳极积分灵敏度常用 Sa表示，其量纲为 A/lm。 阴极光谱灵敏度 Sk, Sk，定义为阴极电流与入射光谱光通量之比，
4、即 1 图 1.402 光电倍增管供电电路接线图 k, I S K = （A/lm） (1.40-1) 阴极积分灵敏度 Sk Sk 定义为阴极电流与入射光通量（积分）之比，即 I S K k = （A/lm） (1.40-2) 阴极灵敏度的测量 光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图 1.40-2 所示。入射到阴极 K 的光照度为 Ev， 光电阴极的面积为 A，则光电倍增管所接收到的光通量v为 v = EvA (1.40-3) 通过测量入射到 PMT 光敏面上的照度得到入射光通量，将式(1.40-3)代入式（1.40-2）， 便可得到阴极灵敏度 Sk ，假如入射光为单色，则所测量出来的阴极灵敏度为
5、光谱灵敏度； 而入射光为白色，则所测量出来的阴极 灵敏度为积分灵敏度。 入射到光电阴极的光通量由 LED 发 光二极管供应，用 LED 发光二极管很容 易供应各种颜色的“单色光”，可以近似 地将其看作光谱辐射量，在试验前计算 出 入射到阴极面上的光照度，再测出 LED 光源出光口的面积时，便很简单计算出它发出的 光通量。试验中常用的光通量为 210-5210-2lm 范围。 图 1.402 光电倍增管供电电路接线图 阳极光照灵敏度 Sa Sa 定义为光电倍增管在肯定的工作电压下阳级输出电流 Ia 与入射到光电阴极上光通 量（或照度 Ek）之比，即 I S a a = （A/lm） (1.40-
6、4) 或 k a a E I S = （A/lx） （1.40-5） 电流放大倍数(增益)G G 定义为在肯定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流 Ia与阴极电流 Ik 之比，即 k a I I G = （1.40-6） 由于阳级灵敏度为 PMT 增益与阴极电流之积，因此，增益又可表示为 k a S S G = (1.40-7) G 描述了光电倍增管系统的倍增力量，它是工作电压的函数。 暗电流 Id 当光电倍增管处于隔绝辐射的暗室中时，其阳极输出电流称为暗电流。暗电流与光电 2 倍增管的供电电压 Ubb有关，因此必需首先确定 Ubb，才能测定它的暗电流 Id。引起暗电 流的主要因素有：欧姆漏电、
7、热电子放射、场致放射、玻璃荧光与玻壳放电等。 （3）光电倍增管的供电电路 光电倍增管的供电电路常采纳如图 1.403 所示的电阻链分压结构。它由 N+1 个电阻 串联而成，其中 N 为光电倍增管的倍增极数。设流过串联电阻的电流为 IR，则每个电阻上 的压降为电流 IR 与电阻 Ri 的乘积，因此，加在光电倍增管倍增极上的电压为 Udi=IRRi+1。为确保流过电阻链中每个电阻的电 流 IR 都近似相等，应满意关系 IR10Iam （1.40-8） 光电倍增管的输出电流 Ia，在负载电 阻 Ra 上产生的压降为输出电压信号 Uo， 即 Uo=IaRa （1.40-9） 图 1.403 光电倍增管
8、常规供电电路 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)。采纳正 高压接法的特点是可使屏蔽光、磁、电的屏蔽罩直接与光电倍增管的玻璃 壳相连，使之成为一体，因而屏蔽效果 好，暗电流小，噪声低。但是，这时的阳极处于正高压，使后面的处理电路难于连接。交 流输出信号时虽然可以采纳高压隔离电容进行隔离，但是会导致寄生电容增大；假如是直 流输出，则不仅要求传输电缆能承受高压，而且后级的直流放大器也处于高电位状态工作， 会产生一系列的不便，危急性也增大。 负高压接法的优点是阳极电位低，便于与后面的放大器连接，如图 1.40
9、4 所示，Ua 直接与直流放大器相连，又可以通过电容只输出沟通信号。使用操作平安又便利。负高压 接法的缺点是玻璃壳的电位与阴极电位接近，为负高压，玻璃壳与屏蔽罩之间的电场很高， 为降低它们之间的电场，防止玻璃壳放电的发生，必需使它们分别 12cm。 图1.404 光电倍增管供电电路与偏置电路 操作方法与步骤： （1）熟识光电倍增管试验仪MXY8101 光电倍增管综合试验仪的特点是： 仪器内部暗室里安装有 GDB221 型圆形鼠笼式 8 倍增级的光电倍增管；试验光源为可切换发光颜色的 LED 灯，灯的亮度能够通过电位器进行调整； 仪器面板上装有独立电源的数字电表可供试验应用，第一块电压表的量程是
10、 2022V；其次块电压表的量程是 200V； 两块电流表为 0.2mA、2 mA，基本满意试验过程所用。 仪器面板上还安装有高压电源的调压旋钮（左面第一个），能够调整光电倍增管试验所用的负高压电源的电压，逆时针旋转电压降低，顺时针旋转电压增高 面板上还安装了光源亮度的调整旋钮，同样，顺时针旋转亮度增加。 图 1.405 MXY8101 光电倍增管综合试验仪的形状图如图 1.405 所示，采纳内置式光学系统的 方式，避开了杂散光的干扰，使试验时能够达到暗室的效果。打开上盖后，可以看到光电 倍增管安装在左侧黑色屏蔽壳体中，光源和探测装置安装在右侧黑色方块上，其前面是测 量光源照度的探测器，后面是
11、 LED 光源。黑色方块与光电倍增管阴极面由黑色细管连接， 黑色方块的右侧为外接被测光源的接入口，能够通过光纤将被测光导入。 仪器表面上分别安装了试验过程所需要的各种数字仪表和必需用到的部件。如内部光 源的掌握部件和光电倍增管的连接线等。下面分别叙述如下：光源的发光颜色切换开关安 装在仪器面板的最右侧，下面标有“光源切换”字样，按动按键，旁边的“光源指示”灯 将发出与内部光源同样颜色的指示光，标志着光电倍增管接收光的颜色。光强度的调整由 左侧第 2 个旋钮完成，其下方标有“光源亮度调整”字样。 MXY8101 光电倍增管综合试验仪的下面安装有 2 个开关，右侧是仪器的电源总开关， 左面是试验仪
12、光源的“光源开关”，为测量光电倍增管暗电流，需要临时关闭光源。面板 上还安装有 6 个插孔并分别在其上方标有字符，注明其功能。 “E”为负高压电源输出 端，它与“GND”插孔之间的电压为负高压（可由“高压调整”旋钮调整）；“K”为光电 倍增管的阴极引出插孔；“D1”为光电倍增管第 1 倍增极的引出端，“DN”为光电倍增管 最末一极倍增极（即第 8 极）的引出端；“A”为光电倍增管的阳极引出端。上述插孔是 光电倍增管特性参数测量过程中实现图 1.402 至 1.404 电路图的关键。 （2）暗电流测量试验步骤 先将光电倍增管试验仪取出，认真观看仪器的外接端口的定义。尤其留意其上的开关、调整旋钮、
13、插座和配件的名称与意义；MXY8101 光电倍增管综合试验仪形状如图 1.405 所示，其主要电极有阴极 K，第一倍增极 D1，末极倍增极 DN（第 8 级），阳极 A，负高压 电源E 和电源地 GND 等外接端口； 在连接电源或打开电源开关前要检查光源开关是否处于关闭状态，高压调整旋钮是否 旋到最小值。 在试验面板上找到阴极 K、阳极 A、第一倍增极 D1与地 GND 等接线插孔和光源开关、高压电压调整旋钮、光源调整旋钮等重要部件，然后按图 1.406 连接测量电路； 用装有 100K 电阻的连接线将阴极 K 与第一倍增极 D1相连，在阳极 A 与 GND 之间串入 0.2mA 电流表（A
14、接电流表的负极，GND 接电流表的正极），用来读取阳极电流(若超量程 可选用 2mA 电流表)； 再将高压电源的电压调整旋钮逆时针旋至最低位置，然后用连接线将“E”插孔和倍 增管的阴极 K 插孔相连接，在“E”和“GND”之间并入 2022V 高压表（“E”接高压 表正极，“GND”接高压表负极）； 打开光电倍增管试验仪的电源开关，观看到数字电流表的示值应为零值（阳极电流 Ia 为 0），然后再调整“高压调整”旋钮，使高压表的电压渐渐增高，待增高到微安表有有 效读数时停止，读出此时的电压值与阳极电流值； 然后，再缓慢调整高压电源，观测高压表的示值，当它们分别为100V、200V、300V、40
15、0V、500V、600V、700V 和800V 时记录阳极暗电流，它即为光电倍增管在不同工作 电压下的暗电流 ID值； 将所测得的数据填入表 1.401；在直角坐标系中画出 IdV 关系曲线；分析光电倍增管阳极暗电流与供电电源电压之间 的关系； 将高压调整旋钮调到最小后再关闭试验仪的总电源。 （3）测量 PMT 的阳极电流灵敏度 Sa 的试验步骤 检查光电倍增管试验仪的接线端是否已经根据测量暗电流的接法接好；再检查高压电源 调整旋钮和光源调整旋钮是否已经都逆时针旋究竟；打开电源，打开光源开关，按下光源 切换开关，使光源为绿色，调整光源亮度调整旋钮使照度示数为 0.5*10lx。再根据表 1.402 中的规定数值将电源电压 Ubb分别调整为100V、200V、300V、400V、500V、600V、700V、800V，记录下当前工作电压下的倍增管阳极电流 Ia（随着电流上升，可自行更换更大量 程的电流表，防止电流表因超量程而损坏），求出 Sa 填入表 1.402； 再根据表 1.
