光電倍增管特性實驗

1光電倍增管特性試驗【試驗?zāi)康摹?2、把握光電倍增管高壓電源模塊的使用方法;3、學(xué)習(xí)光電倍增管輸出信號的檢測和變換處理方法。【根本原理】光電倍增管構(gòu)造及工作原理光電倍增管是一種真空管，它由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極五個主要局部組成。電子倍增系統(tǒng)〔K〕和陽極〔A〕子倍增極De如圖2所示，在管外的陰極〔K〕和各個倍增極及陽極〔A〕引腳之間串聯(lián)多個電阻Rn,由Rn形成的分壓電阻使各個倍增極相對陰極而言加上了逐步上升的正電壓，要在陰極〔K〕和陽極〔A〕5003000V左右的高電壓，目的是吸引并加速從陰極飛出的光電子，并使他們飛向陽極。前級 中間級 未級D2DJ Do?

Dn-

ICLV—7----------

三 1”D:R.[.Rji-1

RJI-2

Rn-；1Rji

HHHHHV

Cn-ECrt卄 Hl圖1中回路電流lb是流過分壓器回路的電流，被叫做分壓器電流，它和后面表達的輸出線性有很大的關(guān)系。IbV除以分壓電阻之和的值來表示。光電倍增管的輸出電流主要是來自于最終幾級， 為了在探測脈沖光時，不使陽極脈動電流引起極間電壓發(fā)生大的變化，常在最終幾級的分壓電阻上并聯(lián)電容。圖中和電阻并聯(lián)的電容 C-3、C-2、cn-1、C就是因此而設(shè)計的。本試驗系統(tǒng)使用的電子倍增系統(tǒng)為環(huán)形聚焦型。 由光陰極放射出來的光電子子數(shù)目的電子流。這些二次電子放射的電子流又被下一個倍增極電壓加速撞擊到下一個倍子放射被陽極收集，光電子經(jīng)過從第119極的倍增電極系統(tǒng)，可獲得10倍到108倍的電流倍增之后到達陽極。這時可以觀測到,光電倍增管的陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流，已經(jīng)被放大成較大的陽極輸出電流。通常在陽極回路要接入測量陽極電流的儀表RL接地，陰極接負高壓?？傊斎肷涔饨?jīng)過下述過程后，光電倍增管才能輸出電流。入射光透過玻璃光窗;鼓勵光電陰極的電子向真空中放出光電子(外光電效應(yīng))光電子經(jīng)聚焦極集合到第一倍增極上，進展二次電子倍增后，相繼經(jīng)各倍增極放射二次電子;由末級倍增極放射的二次電子經(jīng)陽極輸出。光電倍增管的主要參量與特性(1)光譜響應(yīng)光的波長而變。這種光陰極靈敏度與入射光波長之間的關(guān)系叫做光譜響應(yīng)特性。圖3給出了雙堿光電倍增管的典型光譜響應(yīng)曲線。 光譜響應(yīng)特性的長波端取決于光陰極材料，短波端則取決于入射窗材料。對應(yīng)于該光譜響應(yīng)曲線，本試驗系統(tǒng)承受中心波長在425nm的藍光LED發(fā)光二極管做光源。依據(jù)不同型號的光電倍增Ag-0-Cs陰極的光電倍增管定義為其靈敏度降至峰值靈敏度的1冰，多堿陰極則定義為峰值0.1%。對于每一支光電倍增管來講，真實的數(shù)據(jù)可能會略有差異。典型光譜響應(yīng)曲線〔2〕靈敏度-1^呈瘞理」金黑李由于測量光電倍增管的光譜響應(yīng)特性需要周密測試系統(tǒng)和很長的時間， 每一支光電倍增管的光譜響應(yīng)特性不現(xiàn)實，所以一般用光照靈敏度來評價光電倍增管的靈敏度。陽極光照靈敏度表示的是對光電面上入射肯定光束時， 出電流的大小。即對應(yīng)于1流明光的輸出電流稱之為光照靈敏度，用SA表示;2單位為A/LM〔安培/流明〕。光照靈敏度有表示陰極特性的陰極靈敏度和表示光電倍增管整體特性陽極靈敏度兩種。本測試儀系統(tǒng)如圖3所示那樣，光源用標定的藍色發(fā)光LED管，并且加上減光片裝置〔有時在光源和光電倍增管之間使用視覺靈敏度補正濾光片， 但是通常不用〕，電流計接在陽極回路，給各電極加上典型的電壓安排，以使光通量保持在10-10—10-5流明。假設(shè)測量SA越大，說明光電倍增管探測微弱光信號本領(lǐng)越強。1000-2023V標準燈泡擋板\標準燈泡擋板\減光濾光片?(3)光電特性光電倍增管的陽極輸出電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數(shù)關(guān)系， 為倍增管的光電特性。一般光電倍增管的光電特性曲線線性(直線性)是很好的。也就是說具有寬的動態(tài)范圍。但是在接收較強的光入射時，會產(chǎn)生偏離抱負線性管，工作在低電壓、大電流場合，也可能消滅陰極線性特性的影響。陰極、陽極兩者的線性特性在工作電壓肯定時，與入射光波長無關(guān)，而取決于電流值大小。因此對于模擬量測量，必需選取能保證陽極電流與光照在大范圍內(nèi)保持線性關(guān)系3%乍為線性區(qū)的界限)。(4)伏安特性光電倍增管的伏安特性是指在轉(zhuǎn)變陽極一陰極間的工作電壓時，從而引起陽極輸出電流的變化。光電倍增管的輸出電流對工作電壓格外敏感， 因此必需使用高穩(wěn)定性的高壓電源。本測試儀承受的高壓電源的漂移、紋波、溫度變化、輸出變化、負載變化等的綜合穩(wěn)定度優(yōu)于該光電倍增管穩(wěn)定度 1個數(shù)量級，并連續(xù)可調(diào)。(5)陽極暗電流光電倍增管在完全黑暗的環(huán)境中仍會有微小的電流輸出,做陽極暗電流。作為微小電流、微弱光使用的光電倍增管,

這個微小的電流叫陽極暗電流是打算光電倍增管對微弱光信號的檢出力量的重要因素， 其產(chǎn)生的主要緣由有以下幾種:由光電外表及倍增極外表的熱電子放射引起的電流;管內(nèi)陽極和其它電極之間，以及芯柱陽極管腳和其它管腳之間的漏電電流;因玻璃及電極支持材料發(fā)光產(chǎn)生的光電流;場致放射電流;因殘留氣體電離產(chǎn)生的電流〔離子反射〕因宇宙射線、玻璃中的放射性同位素發(fā)出放射線、環(huán)境發(fā)光引起的噪聲電流。

〔6〕電流放大〔增益〕P由一個具有初速能量E的一次電子，從倍增極放射出S個二次電子〔稱S為二次放射系數(shù)〕，在低噪聲的條件下得到倍增，從而到達了電流放大的作用。P電流增益就是光電倍增管的陽極輸出電流與陰極光電子電流的比值。 在抱負狀況下，具有n個倍增極，每個倍增極的平均二次電子放射率為管的電流增益為Sn。二次電子放射率S由下式給出：aS=A?Ea

S的光電倍增A為一常數(shù)，E為極間電壓，a為一由倍增極材料及其幾何構(gòu)造打算的數(shù)值一般介于0.70.8n個倍增極的光電倍增管,這里的

卩=la/IkSa/Sk的系數(shù)，a3.光電倍增管的使用及連接回路其電流增益 卩即可表示為:〔1〕光電倍增管輸出的電流、電壓轉(zhuǎn)換①負載電阻進展電流、電壓轉(zhuǎn)換光電倍增管輸出是一個電流信號，而與其相連的后續(xù)電路，一般是基于電壓信號而設(shè)計的，因此，常用一個負載電阻來完成電流 -電壓的轉(zhuǎn)換。由于光電倍增管小電流輸出時可看成一個具有很高特性阻抗的抱負恒流源， 載電阻可以選取任意大的阻值，實現(xiàn)從一個很小的電流信號得到一個很大的電壓信號。但實際上，較大的負載電阻會導(dǎo)致頻率響應(yīng)和輸出線性的惡化。KFDY1DY2DY3DY4DY5P—WV

HV

L*R2R3R4

*信號輸出7L”.：JCS.：7^4光電倍增管的輸出回路如圖4中，考慮到上述因素，本測試儀承受溫度系數(shù)小的金屬膜無電感負載電阻，并選取適當阻值的電阻來完成光電倍增管特性的測試。②運算放大器電流-電壓轉(zhuǎn)換-Ip?Rf使用運算放大器進展電流-Ip?Rf5用運算放大器的電流、電壓變換回路用運算放大器進展電流-電壓轉(zhuǎn)換的根本電路如圖6所示，由于運算放大器的輸入阻抗格外5中的A點流入運算放大器的反相端子〔-〕。因Rf105，通常保持在反相輸入端子〔A點〕的電位與同相輸入端子〔B點〕的電位〔接地電位〕一樣下工作〔把這稱作并接地或假接地〕。所以運算放大器輸出電壓和RfVO一樣,理論上，可以得到開路放大倍數(shù)倒數(shù)大小的高精度，實現(xiàn)電流Vo可用下面的公式來計算:V)=-IpXRf

-電壓變換。這種Vo的因素主要有：光電倍增管的陽極電流IPRf的大小以及運算放大器的工作電壓等。③光電倍增管的快速輸出回路在檢測具有快速上升、下降時間的脈沖光時，通常使用具有 50歐姆阻抗的同軸電纜連接光電倍增管和后接回路。為了傳送信號輸出波形不失真，如圖7那樣，輸出端子用和同軸電纜特性阻抗一樣的純電阻作為終端。由此， 管看的特性阻抗與電纜長度無關(guān)，觀測波形的失真可減輕。但是，特別在使用MCP內(nèi)藏型光電倍增管等觀測超高速現(xiàn)象的場合，電纜假設(shè)過長，由于同軸電纜自身的信號損失，需要留意信號波形的失真。如在輸出端阻抗特性不匹配時，從光用的接線端子本身或因同軸電纜的末端處理而引起的可能性也存在。所以必需特別留意選擇接線端子和同軸電纜與光電倍增管的連接。同軸電纜與接線端子的連接都不要有阻抗特性的不連續(xù)點。器】本光電倍增管特性及微弱光信號測試儀系統(tǒng)，它包括以下 3局部：①主機掌握箱：高壓調(diào)整驅(qū)動模塊〔高壓模塊的使用可參考儀器使用說明書〕 、各種負載電阻、電流/電壓變化模塊、光源光強調(diào)整裝置、信號頻率調(diào)整裝置等;②屏蔽暗室：側(cè)窗式光電倍增管、功率可調(diào)光源部件、濾光片、③附件：檢流計〔選用〕；選購件：電流表、數(shù)字萬用表、示波器;試驗報告與要求1、作出陽極電壓肯定條件下輸出陽極電流與光強之間的關(guān)系曲線性〕；2、作出光強肯定條件下輸出陽極電流與陽極電壓之間的關(guān)系曲線性〕；

減光裝置等;特特3、作出負載電阻大小和輸出電壓的關(guān)系曲線，并分析負載電阻的大小對信號探測的影響;4、分析一樣條件下直接負載輸出和運用運算放大器輸出的曲線關(guān)系;5、測量光電倍增管的陽極靈敏度;6、測量光電倍增管的暗電流〔選做〕。【留意事項】1光電倍增管對光的響應(yīng)度很高，因此在沒有完全隔離