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1、.试验 9 光电倍增管特性与微弱光信号探测试验目的1、生疏光电倍增管的根本构成和工作原理 ,把握光电倍增管参数的测量方法；2、把握光电倍增管高压电源模块的使用方法；3、学习光电倍增管输出信号的检测和变换处理方法。根本原理1光电倍增管构造及工作原理光电倍增管是一种真空管,它由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要局部组成。电子倍增系统为使光电倍增管正常工作,光电倍增管中阴极K 和阳极A 之间分布有多个电子倍增极 Dn。如图 2 所示,在管外的阴极K 和各个倍增极及阳极A 引脚之间串联多个电阻 Rn,由 Rn 形成的分压电阻使各个倍增极相对阴极而言加上了逐步上升的正电压,要在阴极
2、K 和阳极A 之间加上 5003000V 左右的高电压, 目的是吸引并加速从阴极飞出的光电子,并使他们飞向阳极。图 110 / 10图 1 中回路电流 Ib是流过分压器回路的电流,被叫做分压器电流,它和后面表达的输出线性有很大的关系。Ib可近似用工作电压V 除以分压电阻之和的值来表示。光电倍增管的输出电流主要是来自于最终几级 ,为了在探测脉冲光时,不使阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化 ,常在最终几级的分压电阻上并联电容。图中和电阻并联的电容 C、C 、C、C 就是因此而设计的。n-3n-2n-1 n本试验系统使用的电子倍增系统为环形聚焦型。由光阴极放射出来的光电子被第一倍增极电压加速撞击到
3、第一倍增极 ,以致发生二次电子放射,产生多于入射光电子数目的电子流。这些二次电子放射的电子流又被下一个倍增极电压加速撞击到下一个倍增极,结果产生又一次的二次电子放射,连续地重复这一过程,直到最末倍增极的二次电子放射被阳极收集,光电子经过从第1 极到最多19 极的倍增电极系统,可获得 10 倍到 108 倍的电流倍增之后到达阳极。这时可以观测到,光电倍增管的阴极产生的很小的光电子电流 ,已经被放大成较大的阳极输出电流。通常在阳极回路要接入测量阳极电流的仪表,为了安全起见,一般使阳极通过RL 接地,阴极接负高压。总之,当入射光经过下述过程后,光电倍增管才能输出电流。1 入射光透过玻璃光窗；2 鼓励
4、光电阴极的电子向真空中放出光电子外光电效应；3 光电子经聚焦极集合到第一倍增极上,进展二次电子倍增后,相继经各倍增极放射二次电子；4 由末级倍增极放射的二次电子经阳极输出。2光电倍增管的主要参量与特性1 光谱响应光电倍增管的阴极将入射光的能量转换为光电子。其转换效率阴极灵敏度随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。图 3 给出了双碱光电倍增管的典型光谱响应曲线。光谱响应特性的长波端取决于光阴极材料,短波端则取决于入射窗材料。对应于该光谱响应曲线,本试验系统承受中心波长在 425nm 的蓝光 LED 发光二极管做光源。依据不同型号的光电倍增管的光谱响应特性,其
5、中长波端的截止波长,对于双碱阴极和 Ag-O-Cs 阴极的光电倍增管定义为其灵敏度降至峰值灵敏度的1%点,多碱阴极则定义为峰值灵敏度的 0.1%。对于每一支光电倍增管来讲,真实的数据可能会略有差异。图 22 灵敏度由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要周密测试系统和很长的时间 ,且供给每一支光电倍增管的光谱响应特性不现实,所以一般用光照灵敏度来评价光电倍增管的灵敏度。阳极光照灵敏度表示的是对光电面上入射肯定光束时,阳极输出电流的大小。即对应于 1 流明光的输出电流称之为光照灵敏度,用 SA 表示；单位为 A/LM安培/流明。光照灵敏度有表示阴极特性的阴极灵敏度和表示光电倍增管整体特性阳极灵敏度两
6、种。本测试仪系统如图3 所示那样,光源用标定的蓝色发光LED 管,并且加上减光片装置有时在光源和光电倍增管之间使用视觉灵敏度补正滤光片,但是通常不用,电流计接在阳极回路,给各电极加上典型的电压安排,以使光通量保持在 10-1010-5 流明。假设测量 SA 越大,说明光电倍增管探测微弱光信号本领越强。图 33 光电特性光电倍增管的阳极输出电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系,称为倍增管的光电特性。一般光电倍增管的光电特性曲线线性直线性是很好的。也就是说具有宽的动态范围。但是在接收较强的光入射时,会产生偏离抱负线性的状况。其主要缘由是阳极的线性特性影响。具有透过型的光电阴极的光电倍增管,工
7、作在低电压、大电流场合,也可能消灭阴极线性特性的影响。阴极、阳极两者的线性特性在工作电压肯定时,与入射光波长无关,而取决于电流值大小。因此对于模拟量测量,必需选取能保证阳极电流与光照在大范围内保持线性关系的那些型号的光电倍增管工程上一般取特性偏离于直线 3%作为线性区的界限。4 伏安特性光电倍增管的伏安特性是指在转变阳极阴极间的工作电压时 ,从而引起阳极输出电流的变化。光电倍增管的输出电流对工作电压格外敏感,因此必需使用高稳定性的高压电源。本测试仪承受的高压电源的漂移、纹波、温度变化、输出变化、负载变化等的综合稳定度优于该光电倍增管稳定度 1 个数量级,并连续可调。5 阳极暗电流光电倍增管在完
8、全黑暗的环境中仍会有微小的电流输出,这个微小的电流叫做阳极暗电流。作为微小电流、微弱光使用的光电倍增管,期望暗电流尽可能小。阳极暗电流是打算光电倍增管对微弱光信号的检出力量的重要因素,其产生的主要缘由有以下几种： 由光电外表及倍增极外表的热电子放射引起的电流； 管内阳极和其它电极之间 ,以及芯柱阳极管脚和其它管脚之间的漏电电流； 因玻璃及电极支持材料发光产生的光电流； 场致放射电流； 因残留气体电离产生的电流离子反射； 因宇宙射线、玻璃中的放射性同位素发出放射线、环境射线等导致玻璃发光引起的噪声电流。阳极暗电流也受阳极电压的影响 ,随着工作电压增加而增加,但增加率并非一样。6 电流放大增益由一
9、个具有初速能量 EP的一次电子,从倍增极放射出个二次电子称为二次放射系数,在低噪声的条件下得到倍增,从而到达了电流放大的作用。电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比值。在抱负状况下,具有 n 个倍增极,每个倍增极的平均二次电子放射率为 的光电倍增管的电流增益为 n。二次电子放射率 由下式给出：=AE这里的A 为一常数,E 为极间电压,为一由倍增极材料及其几何构造打算的系数,的数值一般介于 0.7 和 0.8 之间。在具有 n 个倍增极的光电倍增管,其电流增益 即可表示为： = Ia / Ik = Sa / Sk 或 = n 3光电倍增管的使用及连接回路1 光电倍增管输出的电流
10、、电压转换负载电阻进展电流、电压转换光电倍增管输出是一个电流信号 ,而与其相连的后续电路,一般是基于电压信号而设计的,因此,常用一个负载电阻来完成电流-电压的转换。由于光电倍增管小电流输出时可看成一个具有很高特性阻抗的抱负恒流源 ,为此,理论上负载电阻可以选取任意大的阻值,实现从一个很小的电流信号得到一个很大的电压信号。但实际上,较大的负载电阻会导致频率响应和输出线性的恶化。图 4 光电倍增管的输出回路如图 4 中,考虑到上述因素,本测试仪承受温度系数小的金属膜无电感负载电阻,并选取适当阻值的电阻来完成光电倍增管特性的测试。运算放大器电流-电压转换使用运算放大器进展电流-电压转换的电路,在和数
11、字电压表组合起来用时, 就不需要使用昂贵的微小电流计,也可准确测试光电倍增管的输出电流。图 5用运算放大器的电流、电压变换回路用运算放大器进展电流-电压转换的根本电路如图 6 所示,由于运算放大器的输入阻抗格外高,光电倍增管的输出电流不能在图 5 中的 A 点流入运算放大器的反相端子-。因此,绝大局部的电流流经反响电阻 Rf,然后流出前置放大器的输出端。一般运算放大器有格外高的放大倍数为 105, 通常保持在反相输入端子A 点的电位与同相输入端子B 点的电位接地电位一样下工作把这称作并接地或假接地。所以运算放大器输出电压和 Rf两端发生的电压 V0一样,理论上,可以得到开路放大倍数倒数大小的高
12、精度,实现电流-电压变换。这种状况下,输出电压 V 可用下面的公式来计算：0V = -I R0Pf限制输出电压 V 的因素主要有：光电倍增管的阳极电流 I 、反响电阻 R 的0Pf大小以及运算放大器的工作电压等。光电倍增管的快速输出回路在检测具有快速上升、下降时间的脉冲光时,通常使用具有 50 欧姆阻抗的同轴电缆连接光电倍增管和后接回路。为了传送信号输出波形不失真,如图 7 那样, 输出端子用和同轴电缆特性阻抗一样的纯电阻作为终端。由此,从光电倍增管看的特性阻抗与电缆长度无关,观测波形的失真可减轻。但是,特别在使用 MCP 内藏型光电倍增管等观测超高速现象的场合 ,电缆假设过长,由于同轴电缆自
13、身的信号损失,需要留意信号波形的失真。如在输出端阻抗特性不匹配时,从光电倍增管看的阻抗特性因频率数而异的,并且,该值还受同轴电缆长度的影响,因而可能产生输出失真。这种不匹配,不仅因同轴电缆和终端电阻,而且由于使用的接线端子本身或因同轴电缆的末端处理而引起的可能性也存在。所以必需特别留意选择接线端子和同轴电缆与光电倍增管的连接。同轴电缆与接线端子的连接都不要有阻抗特性的不连续点。试验仪器本试验用PAT 型光电倍增管特性及微弱光信号测试仪系统,它包括以下 3 局部：主机掌握箱：高压调整驱动模块高压模块的使用可参考仪器使用说明书、各种负载电阻、电流/电压变化模块、光源光强调整装置、信号频率调整装置等
14、；屏蔽暗室：侧窗式光电倍增管、功率可调光源部件、滤光片、减光装置等；附件：检流计选用；选购件：电流表、数字万用表、示波器； 试验步骤与试验内容试验步骤测量前,先了解一下光电倍增管主控箱面板上各键的功能及试验中需要用到的一些参考曲线。1、主控箱面板如图 6图 6主控箱前面板构造1 电流表uA：显示光电倍增管输出的阳极电流；2 电压表V：显示输出电压读数；3 检流计：外接 pA 检流计,测量暗电流；4 输出Q9：外接示波器,观看输出电压波形；5 按钮开关 K1：“仪器总电源开关“；6 按钮开关 K2：“高压电源开关“72 波段开关 K3：“连续/调制“转换开关,转变光源在连续或脉冲光下的工作方式；
15、82 波段开关 K4：“微电流/暗电流“转换开关,切换光电倍增管阳极电流输出方式；92 波段开关 K5：“特性测试/输出测试“转换开关,切换阳极微弱电流在后接电路的工作方式；103 波段开关 K6：“负载/IV 变换“转换开关,切换阳极微弱电流在输出测试中选择的电流-电压转换方式；11 多波段开关 K7：“负载调整“选择开关,在阳极微弱电流输出电流-电压转换时,选择不同负载阻值；12 多波段开关 K8：“I/V 调整“选择开关,在阳极微弱电流输出电流-电压转换时,选择不同反响电阻阻值；13 旋钮 S1：“频率调整“,在光源工作于调制状态时,连续调整脉冲的频率；14 旋钮 S2：“光强调整“,连续调整光源的发光强度；顺时针调整 LED 光强增加。15 旋钮 S3：“高压调整“,连续调整光电倍增管高压电源的输出电压。可参考下面给出的输出高压掌握曲线。3
