PMT基礎(chǔ)知識 之七(光電倍增管的選擇)

光電倍增管基礎(chǔ)知識之七(光電倍增管的選擇)由于光電倍增管應(yīng)用的廣泛性，一種型號的光電倍增管不可能對任一應(yīng)用都是適用的。因此正確地選擇管子的型號（甚至是選擇管子）是很必要的。隨著光電倍增管品種的增加和性能提高，也提供了廣泛選擇的可能性。選擇管子一般應(yīng)考慮下面幾個方面。一 光電陰極光電陰極的初步選擇要考慮窗材料，陰極材料、陰極大小和陰極形式這四個因素。進一步的選擇還要考慮陰極的光電參數(shù)的情況。1 窗材料選擇光電倍增管具有良好的光譜匹配是首要的。在所研究的光信號的波長或波長范圍內(nèi)，應(yīng)該使被選擇的陰極給出高的光電子（量子）產(chǎn)額。粗略地說，光電倍增管的光譜特性取決于窗材料和陰極材料的組同合。長波截止波長取決于陰極材料，短波截止波長取決于窗材料的光譜透過率。常用的窗材料主要有三種：硼硅玻璃、透紫玻璃和石英玻璃。它們的短波截止波長分別為300nm、190nm、160nm。2 陰極材料陰極材料除決定了光譜響應(yīng)的長波截止波長外，一般說來，還決定量子效率和熱電子發(fā)射的大小。各種陰極材料的光譜響應(yīng)、量子效率和熱電子發(fā)射有很大的不同。常用的陰極材料有銻絕（SbCS）、銻鉀絕（SbKCs）、銻鉀鈉（SbKNa）銻鉀鈉絕（SbKNaCs）。下面給出粗略的數(shù)據(jù)，也給用戶有一個數(shù)量的概念。表（）各種陰極材料的特性（硼硅玻璃窗材料） 特性陰極材料光譜響應(yīng)（峰值（nm）線性電流（上限）（平均電流）Sb-Cs300-650（440）1ASb-Rb-Cs/Sb-K-Cs300-650（420）0.1A/0.01ASb-k-Na-Cs300-850（420）900紅外延長10ASb-K-Na300-650（375）10AGa-As300-9000.1A（1） 對紅外響應(yīng)在800nm左右紅外光譜測量而言，Ag-O-Cs陰極不是唯一的， 族化合物光電陰極（GaAsP）是候選者。由于（S-1）Ag-O-Cs陰極在室溫下熱電子發(fā)射高，大多數(shù)應(yīng)用來說必須對（S-1）陰極進行冷卻至干冰或更低溫度。如果不需要紅外響應(yīng)則絕不選用（S-1）陰極，這不僅是因為在室溫下它的熱電子發(fā)射遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它陰極，而且也因為在較短的波長它的量子效率低。（2） 在光度學(xué)應(yīng)用方面，例如光譜學(xué)、天文學(xué)及生物學(xué)上應(yīng)用需要在整個可見光譜有高的量子產(chǎn)額，那么（S-20）陰極是優(yōu)選者。它的唯一對手是氧敏化的K2CsCs（o），因為它的熱電子發(fā)射小，在可見光區(qū)域?qū)庾佑嫈?shù)而言，這種陰極無疑是合適的。（3） 譜特性與人的眼睛靈敏度配合最好的是Bi-Ag-O-Cs（SbRCs陰極可以取代它）對可見光敏度具有全色性（即均勻性）應(yīng)用。（4） 對于探測紫外輻射陰極的選擇取決于特定的要求。如果要求紫外可見區(qū)都靈敏，S-20陰極是最合適。就“日盲” 應(yīng)用而言，則可用碘化銫（CSI）、碲化銫（Cs-Te）陰極。（5） 為了在火箭和人造衛(wèi)星上研究宇宙中的太陰輻射，最合適的陰極是MgF2，其譜特性紅限約為140nm，峰值波長55nm，其最大量子率超過0.43 陰極大小陰極大小的選擇取決于光信號束的大小。光束大應(yīng)選用陰極直徑大的管子。但陰極面積大，熱電子發(fā)射也多，對信噪比不利。光束小或能將寬光束聚焦在小面積上，可采用陰極直徑小的管子。陰極面積小，熱電子發(fā)射也少，但陰極均勻性和幅度分辨率往往變差。所以，對陰極大小的選擇要全面考慮，要避免顧此失彼。4 陰極形式陰極形式分為端窗和側(cè)窗兩種。端窗管的特點是：陰極面積的變化范圍大（直徑從10-200mm），陰極均勻性好，與光信號耦合好，但陰極電阻率高，磁場效應(yīng)大。側(cè)窗管的特點是：陰極電阻率低，磁場應(yīng)小，但陰極均勻差，與光信號耦合較差。二 倍增系統(tǒng)倍增系統(tǒng)的初步選擇要考慮結(jié)構(gòu)形式、倍增極材料和級數(shù)。進一步的選擇還需光電參數(shù)的情況1 結(jié)構(gòu)形式常用的結(jié)構(gòu)形式有盒子式（BG）、百葉窗式（VB）、環(huán)形聚焦式（CF）和直線聚焦式（LF）。結(jié)構(gòu)形式的選擇一般從陰極直徑、所要求的響應(yīng)時間、單電子幅度分辨率和線性電流等方面來考慮。下面列出的粗略數(shù)據(jù)供用戶參考。表（2）各種倍增極的特性-特性結(jié)構(gòu)上升時間(ns)脈沖線性(mA)磁特性（mT）均習(xí)性收集效率特 征環(huán)形聚焦型0.9-3.01-100.1小型高速盒柵型6-201-10高收集效率直線聚焦型0.7-310-250高速線性好百葉窗型6-1810-40大面積PMT細(xì)網(wǎng)型1.5-5.5300-1000700-1200以上高磁場用線性好MCP0.1-0.370015-1200以上超高速2 倍增極的材料常用的倍增極材料有銻銫（或銻堿）、銅鈹和磷化鎵三種。銅鈹與銻堿倍增極相比，在同一增益下其陽極電壓高得多。這對時間響應(yīng)和脈沖線性電流有利，因此絕大多數(shù)的快速管和高溫管都采用銅鈹倍增極，銻堿倍增極的陽極電壓低，因此絕大多數(shù)非快速管都采用這材料。磷化鎵和銻鉀倍增極在600伏電壓下具有高的二次發(fā)射系數(shù)，利用它做第一倍增極材料可獲得優(yōu)良的單電子幅度分辨率，用于光子計數(shù)、低能粒子探測和契侖科夫計數(shù)等方面。3 倍增極級數(shù)對同一倍增極材料來說，級數(shù)的多少一般就反映了管子的靈敏度的高低，即增益高低。選擇增益的高低取決于輸入信號的大小和輸出電流的大小。一般管子的級數(shù)介于（9-13）級，少數(shù)管子級數(shù)介于（5-8）級。三 使用場合：根據(jù)使用來選擇。如耐震管、高溫管。四 使用要求根據(jù)使用要求來選擇。如時間測量選適當(dāng)快速的光電倍增管，能譜分析選用高分辨率的光電倍增管，低能或微弱光測量選用低暗電流或低噪聲光電倍增管。五 光電參數(shù)光電倍增管的某些參數(shù)、特性不僅與結(jié)構(gòu)、材料有關(guān)。而且與制造工藝有很大的關(guān)系。即使同一型號的管子，某些參數(shù)分散范圍也往往很大。幾個重要參數(shù)，如量子效率、光譜響應(yīng)、單電子幅度分辨率、一定電壓下的增益（陽極光照靈敏度）、暗電流和穩(wěn)定性等都與制造工藝有很大的關(guān)系。因此對于使用要求苛刻的場合，不僅要選用管型，而且要按光電參數(shù)選擇具體的管子。光電參數(shù)的一般選擇，主要是考慮陰極靈敏度、暗電流或噪聲和增益（陽極靈敏度）。對某些專門應(yīng)用還可以對某些專門的應(yīng)用參數(shù)進行選，如石油放射性測井按“坪特性”選擇。選擇管子有時還會迂到一些實際問題，如有些使用要求是相互矛盾的。這需要我們抓住主要因素或采取折哀的辦法去解決。有時還需要采用測量技術(shù)。對性能能滿足使用要求的情況下，還要考慮選用價格較低的管子。 下面舉一些例子說明：1 首先要了解客戶，了解市場行情，做到有的放矢，有的應(yīng)用只對射線強度測量，就只要求管子有好的坪特性就足夠。其他參數(shù)只是次要；有的同位素應(yīng)用儀器和料位計，液位計，只控制通斷，對光電倍增管要求比較低，只要在射線作用下給出一定的信號就足夠了。2 進行摸索試驗針對客戶要求，一定要摸索清楚用戶要求與管子性能的關(guān)系。根據(jù)用戶某些特殊要求采用合適的工藝，例如有的用戶要求使用光電倍增管工作電壓比較低（過于偏低，實際上這是誤區(qū)，在適當(dāng)?shù)臅r候應(yīng)當(dāng)糾正過來）那么工藝上是否可以適當(dāng)再用多進一些銫（適當(dāng)改變銻的厚度）提高管子靈敏度把管子暗電流和穩(wěn)定性放在第二位，這并不是所有應(yīng)用場合都可以采用這樣的工藝，在強度測量同位素應(yīng)用儀器方面可以試一試。3 對管子進行分類，做到物盡其用有的管子外觀稍微有些缺陷，但其性能較好，我們就可以用這些管子作組合件和探頭。有的管子陽極靈敏度比較低（電壓偏高）可以改變陽極于末極的分壓比的辦法。相當(dāng)于提高了陽極的靈敏度?？梢杂脕碜鎏筋^，或者用放大倍數(shù)為25