《光電倍增管特性參數(shù)及其測量》實(shí)驗(yàn)報(bào)告 -

《光電倍增管特性參數(shù)及其測量》實(shí)驗(yàn)報(bào)告-《光電倍增管特性參數(shù)及其測量》試驗(yàn)報(bào)告

試驗(yàn)名稱

：

光電倍增管特性參數(shù)及其測量

姓名

：

學(xué)號(hào)

：

專業(yè)

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年級(jí)

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試驗(yàn)時(shí)光

：

2022

年

5

月

13

日

廈門理工學(xué)院光電工程試驗(yàn)教學(xué)中心

試驗(yàn)日期：5.13室溫：氣壓：同組試驗(yàn)者：

試驗(yàn)?zāi)康呐c要求

通過本試驗(yàn)，了解把握光電倍增管的暗電流、信噪比、敏捷度和增益等特性及其測量方

法，為應(yīng)用光電倍增管對微輻弱射的探測奠定基礎(chǔ)。

試驗(yàn)器材

①M(fèi)XY8101光電倍增管綜合試驗(yàn)儀1臺(tái)

②耐高壓銜接線10只

試驗(yàn)內(nèi)容（包括試驗(yàn)原理、光路圖、操作辦法與步驟、數(shù)據(jù)記錄及處理、試驗(yàn)結(jié)果分析與研究等）

試驗(yàn)原理、光路圖：

（1）光電倍增管工作原理

光電倍增管屬于真空光電傳感器件，它主要由光入射窗、光電陰極、電子聚焦系統(tǒng)、倍增電極和陽極5部分構(gòu)成，光電倍增管有多種結(jié)構(gòu)類型，典型光電倍增管如圖1.40-1所示，為側(cè)窗圓形鼠籠式光電倍增管。

其工作原理分下面5部分：①光子透過入射窗口玻璃入射到玻璃內(nèi)層光電陰極上，窗口玻璃的透過率滿足光電倍增管的光譜響應(yīng)特性；②進(jìn)入到光電陰極上的光子使光電陰極材料產(chǎn)生外光電效應(yīng)，激發(fā)出電子，并飛離表面到真空中，稱其為光電子；③光電子通過電場加速，并在電子聚焦系統(tǒng)的作用下射入到第一倍增極D1上，D1放射出的光電子數(shù)目是入射光電子數(shù)目的δ倍，這些二次光電子又在電場作用下射入到下一倍增極；④入射光電子經(jīng)N級(jí)倍增后，電子數(shù)就被放大δN倍，圖1.40‐1所示的倍增管共有8級(jí)，即N=8；⑤經(jīng)過倍增后的電子由陽極收集起來，形成陽極電流，在負(fù)載上產(chǎn)生壓降，輸出電壓信號(hào)Uo。

（2）光電倍增管的基本特性參數(shù)

光電倍增管的特性參數(shù)如下。

①光電敏捷度光電敏捷度是光電倍增管探測光信號(hào)能力的一個(gè)重要標(biāo)志，通常分為陰極敏捷度Sk與陽極敏捷度Sa。它們又可分為光譜敏捷度與積分敏捷度。光電倍增管的陽極光譜敏捷度常用Sa，λ表示，陽極積分敏捷度常用Sa表示，其量綱為A/lm。②陰極光譜敏捷度Sk,λSk，λ定義為陰極電流與入射光譜光通量之比，即1圖1.40‐2光電倍增管供電電路接線圖λk,λΦISK=（μA/lm）(1.40-1)③陰極積分敏捷度SkSk定義為陰極電流與入射光通量（積分）之比，即ΦISKk=（μA/lm）(1.40-2)④陰極敏捷度的測量光電倍增管陰極敏捷度的測量原理如圖1.40-2所示。入射到陰極K的光照度為Ev，光電陰極的面積為A，則光電倍增管所接收到的光通量φv為φv=EvA(1.40-3)通過測量入射到PMT光敏面上的照度得到入射光通量，將式(1.40-3)代入式（1.40-2），便可得到陰極敏捷度Sk，假如入射光為單色，則所測量出來的陰極敏捷度為光譜敏捷度；而入射光為白色，則所測量出來的陰極敏捷度為積分敏捷度。入射到光電陰極的光通量由LED發(fā)光二極管提供，用LED發(fā)光二極管很容易提供各種色彩的“單色光”，可以近似地將其看作光譜輻射量，在試驗(yàn)前計(jì)算出入射到陰極面上的光照度，再測出LED光源出光口的面積時(shí)，便很簡單計(jì)算出它發(fā)出的光通量。試驗(yàn)中常用的光通量為2×10-5～2×10-2lm范圍。

圖1.40‐2光電倍增管供電電路接線圖

⑤陽極光照敏捷度SaSa定義為光電倍增管在一定的工作電壓下陽級(jí)輸出電流Ia與入射到光電陰極上光通量φ（或照度Ek）之比，即ΦISaa=（μA/lm）(1.40-4)或kaaEIS=（μA/lx）（1.40-5）⑥電流放大倍數(shù)(增益)GG定義為在一定的入射光通量和陽極電壓下，陽極電流Ia與陰極電流Ik之比，即kaIIG=（1.40-6）因?yàn)殛柤?jí)敏捷度為PMT增益與陰極電流之積，因此，增益又可表示為kaSSG=(1.40-7)G描述了光電倍增管系統(tǒng)的倍增能力，它是工作電壓的函數(shù)。⑦暗電流Id當(dāng)光電倍增管處于隔絕輻射的暗室中時(shí)，其陽極輸出電流稱為暗電流。暗電流與光電2倍增管的供電電壓Ubb有關(guān)，因此必需首先確定Ubb，才干測定它的暗電流Id。引起暗電流的主要因素有：歐姆漏電、熱電子放射、場致放射、玻璃熒光與玻殼放電等。（3）光電倍增管的供電電路光電倍增管的供電電路常采納如圖1.40‐3所示的電阻鏈分壓結(jié)構(gòu)。它由N+1個(gè)電阻串聯(lián)而成，其中N為光電倍增管的倍增極數(shù)。設(shè)流過串聯(lián)電阻的電流為IR，則每個(gè)電阻上的壓降為電流IR與電阻Ri的乘積，因此，加在光電倍增管倍增極上的電壓為Udi=IRRi+1。為確保流過電阻鏈中每個(gè)電阻的電流IR都近似相等，應(yīng)滿足關(guān)系IR≥10Iam（1.40-8）光電倍增管的輸出電流Ia，在負(fù)載電阻Ra上產(chǎn)生的壓降為輸出電壓信號(hào)Uo，即Uo=IaRa（1.40-9）

圖1.40‐3光電倍增管常規(guī)供電電路

光電倍增管的供電方式有兩種，即負(fù)高壓接法(陰極接電源負(fù)高壓，電源正端接地)和正高壓接法(陽極接電源正高壓、而電源負(fù)端接地)。采納正高壓接法的特點(diǎn)是可使屏蔽光、磁、電的屏蔽罩直接與光電倍增管的玻璃殼相連，使之成為一體，因而屏蔽效果好，暗電流小，噪聲低。但是，這時(shí)的陽極處于正高壓，使后面的處理電路難于銜接。交流輸出信號(hào)時(shí)雖然可以采納高壓隔離電容舉行隔離，但是會(huì)導(dǎo)致寄生電容增大；假如是直流輸出，則不僅要求傳輸電纜能承受高壓，而且后級(jí)的直流放大器也處于高電位狀態(tài)工作，會(huì)產(chǎn)生一系列的不便，危急性也增大。負(fù)高壓接法的優(yōu)點(diǎn)是陽極電位低，便于與后面的放大器銜接，如圖1.40‐4所示，Ua直接與直流放大器相連，又可以通過電容只輸出溝通信號(hào)。使用操作安全又便利。負(fù)高壓接法的缺點(diǎn)是玻璃殼的電位與陰極電位臨近，為負(fù)高壓，玻璃殼與屏蔽罩之間的電場很高，為降低它們之間的電場，防止玻璃殼放電的發(fā)生，必需使它們分別1～2cm。

圖1.40‐4光電倍增管供電電路與偏置電路

操作辦法與步驟：

（1）認(rèn)識(shí)光電倍增管試驗(yàn)儀MXY8101光電倍增管綜合試驗(yàn)儀的特點(diǎn)是：①儀器內(nèi)部暗室里安裝有GDB221型圓形鼠籠式8倍增級(jí)的光電倍增管；②試驗(yàn)光源為可切換發(fā)光色彩的LED燈，燈的亮度能夠通過電位器舉行調(diào)節(jié)；③儀器面板上裝有自立電源的數(shù)字電表可供試驗(yàn)應(yīng)用，第一塊電壓表的量程是2000V；其次塊電壓表的量程是200V；④兩塊電流表為0.2mA、2mA，基本滿足試驗(yàn)過程所用。⑤儀器面板上還安裝有高壓電源的調(diào)壓旋鈕（左面第一個(gè)），能夠調(diào)節(jié)光電倍增管試驗(yàn)所用的負(fù)高壓電源的電壓，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電壓降低，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電壓增高⑥面板上還安裝了光源亮度的調(diào)節(jié)旋鈕，同樣，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)亮度增加。

圖1.40‐5

MXY8101光電倍增管綜合試驗(yàn)儀的形狀圖如圖1.40‐5所示，采納內(nèi)置式光學(xué)系統(tǒng)的方式，避開了雜散光的干擾，使試驗(yàn)時(shí)能夠達(dá)到暗室的效果。打開上蓋后，可以看到光電倍增管安裝在左側(cè)黑色屏蔽殼體中，光源和探測裝置安裝在右側(cè)黑色方塊上，其前面是測量光源照度的探測器，后面是LED光源。黑色方塊與光電倍增管陰極面由黑色細(xì)管銜接，黑色方塊的右側(cè)為外接被測光源的接入口，能夠通過光纖將被測光導(dǎo)入。儀器表面上分離安裝了試驗(yàn)過程所需要的各種數(shù)字儀表和必需用到的部件。如內(nèi)部光源的控制部件和光電倍增管的銜接線等。下面分離講述如下：光源的發(fā)光色彩切換開關(guān)安裝在儀器面板的最右側(cè)，下面標(biāo)有“光源切換”字樣，按動(dòng)按鍵，旁邊的“光源指示”燈將發(fā)出與內(nèi)部光源同樣色彩的指示光，標(biāo)志著光電倍增管接收光的色彩。光強(qiáng)度的調(diào)節(jié)由左側(cè)第2個(gè)旋鈕完成，其下方標(biāo)有“光源亮度調(diào)節(jié)”字樣。MXY8101光電倍增管綜合試驗(yàn)儀的下面安裝有2個(gè)開關(guān)，右側(cè)是儀器的電源總開關(guān)，左面是試驗(yàn)儀光源的“光源開關(guān)”，為測量光電倍增管暗電流，需要臨時(shí)關(guān)閉光源。面板上還安裝有6個(gè)插孔并分離在其上方標(biāo)有字符，注明其功能?！埃璄”為負(fù)高壓電源輸出端，它與“GND”插孔之間的電壓為負(fù)高壓（可由“高壓調(diào)節(jié)”旋鈕調(diào)節(jié)）；“K”為光電倍增管的陰極引出插孔；“D1”為光電倍增管第1倍增極的引出端，“DN”為光電倍增管最末一極倍增極（即第8極）的引出端；“A”為光電倍增管的陽極引出端。上述插孔是光電倍增管特性參數(shù)測量過程中實(shí)現(xiàn)圖1.40‐2至1.40‐4電路圖的關(guān)鍵。

（2）暗電流測量試驗(yàn)步驟

①先將光電倍增管試驗(yàn)儀取出，認(rèn)真觀看儀器的外接端口的定義。尤其注重其上的開關(guān)、調(diào)整旋鈕、插座和配件的名稱與意義；MXY8101光電倍增管綜合試驗(yàn)儀形狀如圖1.40‐5所示，其主要電極有陰極K，第一倍增極D1，末極倍增極DN（第8級(jí)），陽極A，負(fù)高壓電源‐E和電源地GND等外接端口；②在銜接電源或打開電源開關(guān)前要檢查光源開關(guān)是否處于關(guān)閉狀態(tài)，高壓調(diào)節(jié)旋鈕是否旋到最小值。③在試驗(yàn)面板上找到陰極K、陽極A、第一倍增極D1與地GND等接線插孔和光源開關(guān)、高壓電壓調(diào)節(jié)旋鈕、光源調(diào)節(jié)旋鈕等重要部件，然后按圖1.40‐6銜接測量電路；④用裝有100K電阻的銜接線將陰極K與第一倍增極D1相連，在陽極A與GND之間串入0.2mA電流表（A接電流表的負(fù)極，GND接電流表的正極），用來讀取陽極電流(若超量程可選用2mA電流表)；⑤再將高壓電源的電壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針旋至最低位置，然后用銜接線將“－E”插孔和倍增管的陰極K插孔相銜接，在“－E”和“GND”之間并入2000V高壓表（“－E”接高壓表正極，“GND”接高壓表負(fù)極）；⑥打開光電倍增管試驗(yàn)儀的電源開關(guān)，觀看到數(shù)字電流表的示值應(yīng)為零值（陽極電流Ia為0），然后再調(diào)節(jié)“高壓調(diào)節(jié)”旋鈕，使高壓表的電壓逐漸增高，待增高到微安表有有效讀數(shù)時(shí)停止，讀出此時(shí)的電壓值與陽極電流值；⑦然后，再緩慢調(diào)整高壓電源，觀測高壓表的示值，當(dāng)它們分離為‐100V、‐200V、‐300V、‐400V、‐500V、‐600V、‐700V和‐800V時(shí)記錄陽極暗電流，它即為光電倍增管在不同工作電壓下的暗電流ID值；⑧將所測得的數(shù)據(jù)填入表1.40‐1；⑨在直角坐標(biāo)系中畫出Id~V關(guān)系曲線；分析光電倍增管陽極暗電流與供電電源電壓之間的關(guān)系；⑩將高壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)到最小后再關(guān)閉試驗(yàn)儀的總電源。

（3）測量PMT的陽極電流敏捷度Sa的試驗(yàn)步驟

①檢查光電倍增管試驗(yàn)儀的接線端是否已經(jīng)根據(jù)測量暗電流的接法接好；再檢查高壓電源調(diào)節(jié)旋鈕和光源調(diào)節(jié)旋鈕是否已經(jīng)都逆時(shí)針旋到底；打開電源，打開光源開關(guān)，按下光源切換開關(guān)，使光源為綠色，調(diào)節(jié)光源亮度調(diào)節(jié)旋鈕使照度示數(shù)為0.5*10lx。再根據(jù)表1.40‐2中的規(guī)定數(shù)值將電源電壓Ubb分離調(diào)節(jié)為‐100V、‐200V、‐300V、‐400V、‐500V、‐600V、‐700V、‐800V，記錄下當(dāng)前工作電壓下的倍增管陽極電流Ia（隨著電流上升，可自行更換更大量程的電流表，防止電流表因超量程而損壞），求出Sa填入表1.40‐2；②再根據(jù)表1.40‐2中的照度值調(diào)節(jié)照度分離為1*10lx、1.5*10lx、2*10lx、2.5*10lx、3*10lx，分離測量在當(dāng)前照度下不同電壓下的陽極電流Ia和陽極敏捷度Sa；③試驗(yàn)儀的光學(xué)系統(tǒng)中，光源經(jīng)過玻璃反射到光電倍增管陰極面的光照度為光源照度的510%，經(jīng)過玻璃透射到照度探測裝置上的光照度為光源照度的90%，因此反射到光電倍增管陰極面的光照度Ek為透射到照度探測裝置上的照度E（照度計(jì)上顯示的數(shù)值）的1/9。這樣就能夠計(jì)算出光電倍增管陰極面的受光照度EK，帶入式kaaEIS=（μA/lx）計(jì)算出光電倍增管的陽極敏捷度。不同色彩的光源照度是不一樣的，學(xué)生們可以自行設(shè)計(jì)測量其他色彩光源陽極敏捷度的表格并舉行測量。④將所測的數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)中找到對應(yīng)點(diǎn)，將這些點(diǎn)銜接起來構(gòu)成光電倍增管陽極敏捷度與電源電壓的關(guān)系曲線，從中鮮亮地看出它們之間的關(guān)系。⑤試驗(yàn)完成后，先將高壓電源調(diào)節(jié)電位器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，再關(guān)閉總電源；

（4）測量PMT的增益G

按照增益的定義，可以用如圖1.40‐7所示的測量電路對光電倍增管的增益G舉行測量。詳細(xì)測量步驟如下：

圖1.40‐7光電倍增管增益測量電路圖1.40‐8

①確認(rèn)電源已經(jīng)關(guān)閉后，將光電倍增管按圖1.40‐7或圖1.40‐8所示銜接，詳細(xì)步驟如下：分離將“－E”與“GND”接到2000V高壓表的紅、黑插座上，將陰極K插孔用連線接到0.2mA電流表的“+”插孔，再將電流表的“－”插孔與“－E”相銜接，用來測量陰極電流Ik；用裝有100K電阻的銜接線將“－E”與“D1”銜接，；將陽極“A”與2mA電流表的“－”插孔相連，電流表的“+”插孔與GND相銜接，用來測量陽極電流Ia；②先將光源亮度調(diào)節(jié)旋扭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，然后將總電源開關(guān)閉合，打開光源開關(guān)，按下光源切換開關(guān)，使光源為藍(lán)色；③將高壓電源電壓調(diào)整旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，邊旋邊看高壓表，待增高到表1.40‐3規(guī)定電壓值時(shí)，停止旋轉(zhuǎn)，測量在當(dāng)前高壓電源電壓下Ik、Ia值；調(diào)整光源的照度，使Ik、Ia的讀數(shù)值適合觀測；然后，再轉(zhuǎn)變電源電壓值，再重復(fù)測量Ik、Ia的值，并將測得的值填入表1.40‐3；④將表1.40‐3中的數(shù)據(jù)填在直角坐標(biāo)中，并畫出曲線，分析光電倍增管的增益G與電源電壓Ubb的關(guān)系；⑤轉(zhuǎn)變光源照度，重新測量，觀看增益變化。⑥轉(zhuǎn)變光源色彩，重復(fù)上述操作，觀看不同色彩光源下增益變化。

（5）陽極輸出電壓測量①確認(rèn)電源已經(jīng)關(guān)閉后，按圖1.40‐9銜接電路。用裝有100K電阻的銜接線將K插孔與D1插孔相銜接，在-E與GND之間并入2000V電壓表（-E接電壓表正極，GND接電壓表負(fù)極），用來測量供電電壓Ubb，再將K與-E相連。②用裝有82K電阻的銜接線將A和GND銜接，并在陽極A與GND之間并入200V電壓表（GND接電壓表正極，陽極A接電壓表負(fù)極），用來測量陽極輸出電壓。③完成電路銜接后，將高壓調(diào)節(jié)旋扭和光源亮度調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，打開電源，關(guān)閉光源，順時(shí)針調(diào)整高壓調(diào)節(jié)旋鈕，使2000V電壓表示數(shù)為表1.40‐4要求值，記錄下無光狀態(tài)下不同供電電壓下的輸出電壓，填入表1.40‐4。④將高壓調(diào)節(jié)旋扭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，打開光源，按下光源切換開關(guān)，調(diào)節(jié)光源為白色，順時(shí)針調(diào)整高壓調(diào)節(jié)旋鈕，使2000V電壓表示數(shù)為表1.40‐4要求值，記錄當(dāng)前供電電壓下的輸出電壓，填入表1.40‐4。⑤更換光源色彩，重復(fù)上述操作，觀看陽極輸出電壓變化。⑥調(diào)節(jié)光源亮度，重復(fù)上述操作，觀看陽極輸出電壓變化。

圖1.40‐9圖1.40‐10試驗(yàn)儀光輻射接入裝

光電倍增管測量微弱輻射的強(qiáng)度利用如圖1.40‐4所示的電路測量微弱輻射強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)先將被測輻射通過儀器內(nèi)部右側(cè)的黑色方塊右邊的如圖1.40‐10所示的“接入裝置”接入到儀器（可以利用接入裝置的M8×1螺紋將外接被測輻射接入），然后再開機(jī)舉行實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)內(nèi)部光源應(yīng)當(dāng)處于關(guān)斷狀態(tài)。若使用如圖1.40‐4所示電路的放大器，要注重放大倍率的調(diào)節(jié)與標(biāo)定，既要使輸出電壓的幅度便于觀看又要滿足動(dòng)態(tài)范圍的要求。明顯，MXY8101光電倍增管綜合試驗(yàn)儀在設(shè)計(jì)上采納內(nèi)置式光學(xué)系統(tǒng)避開了雜散光和強(qiáng)光的照射，因此在光電倍增管不工作的狀況下，可以將光電倍增管屏蔽盒的上蓋擰下來，觀察光電倍增管的結(jié)構(gòu)。

5.關(guān)機(jī)與結(jié)束

1將所測的數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果（包括試驗(yàn)曲線）保存好，分析試驗(yàn)結(jié)果的合理性，如不合理，則要重新作上述試驗(yàn)；若合理，可以關(guān)機(jī)；②最后，將所用的配件放回配件箱；將試驗(yàn)所用儀器整理好后，請指導(dǎo)老師檢查，批準(zhǔn)后離開試驗(yàn)室。

數(shù)據(jù)記錄及處理：

光電倍增管暗電流測量值

倍增管電壓Ubb（V）

-100

-200

-300-400

-500

-600

暗電流Id（μA）

0

0

0

0

10

20

光電倍增管陽極敏捷度的測量

照度

測量次數(shù)

1

2

3

4

5

6

E（*10lx）

Ek（*10lx）

電源電壓Ubb（V）

-100

-200

-300

-400

-500

-600

19.5

0.056

Ia（μA）

10

10

40

180

560

1260

Sa（μA/lx）

0.46

0.46

1.85

8.31

25.84

58.14

20.0

0.11

Ia（μA）

10

10

40

190

570

1390

Sa（μA/lx）

0.45

0.45

1.80

8.56

25.68

62.61

20.5

0.167

Ia（μA）

10

10

50

230

690

1680

Sa（μA/lx）

0.44

0.44

2.19

10.10

30.29

73.75

21.0

0.22

Ia（μA）

10

10

40

240

730

1800

Sa（μA/lx）

0.43

0.43

1.72

10.30

31.33

71.25

21.5

0.28

Ia（μA）

10

10

50

230

680

1660

Sa（μA/lx）

0.42

0.42

2.09

9.63

28.46

69.49

22.0

0.33

Ia（μA）

10

10

50

240

720

1820

Sa（μA/lx）

0.41

0.41

2.05