實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)-光電倍增管特性參數(shù)及測(cè)量

光電倍增管特性參數(shù)及其測(cè)量

  光電倍增管是的光電傳感器件，其暗電流、信噪比、靈敏度和時(shí)間響應(yīng)等特性都具有*的特點(diǎn)，是非常優(yōu)秀的一類(lèi)光電器件。掌握光電倍增管的主要特性與參數(shù)對(duì)微弱輻射的探測(cè)具有非常重要的意義。

1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，了解掌握光電倍增管的暗電流、信噪比、靈敏度和增益等特性及其測(cè)量方法，為應(yīng)用光電倍增管對(duì)微輻弱射的探測(cè)奠定基礎(chǔ)。

2. 實(shí)驗(yàn)器材

①　MXY8101 光電倍增管綜合實(shí)驗(yàn)儀1臺(tái)；

②　耐高壓連接線(xiàn)10只；

3. 基礎(chǔ)知識(shí)

（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(yáng)極5部分構(gòu)成，光電倍增管有多種結(jié)構(gòu)類(lèi)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(guò)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(guò)率滿(mǎn)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(chēng)其為光電子；

③ 光電子通過(guò)電場(chǎng)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發(fā)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(chǎng)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δ^N倍，圖1.40-1所示的倍增管共有8級(jí)，即N=8；

⑤ 經(jīng)過(guò)倍增后的電子由陽(yáng)極收集起來(lái)，形成陽(yáng)極電流，在負(fù)載上產(chǎn)生壓降，輸出電壓信號(hào)U_o。

（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光電靈敏度

光電靈敏度是光電倍增管探測(cè)光信號(hào)能力的一個(gè)重要標(biāo)志，通常分為陰極靈敏度S_k與陽(yáng)極靈敏度S_a。它們又可分為光譜靈敏度與積分靈敏度。光電倍增管的陽(yáng)極光譜靈敏度常用S_a，λ表示，陽(yáng)極積分靈敏度常用S_a表示，其量綱為A/lm。

②陰極光譜靈敏度S_k,λ

S_k，λ定義為陰極電流與入射光譜光通量之比

③陰極積分靈敏度S_k

S_k定義為陰極電流與入射光通量（積分）之比

④陰極靈敏度的測(cè)量

光電倍增管陰極靈敏度的測(cè)量原理如圖1.40-2所示。入射到陰極K的光照度為E_v，光電陰極的面積為A，則光電倍增管所接收到的光通量φ_v為

通過(guò)測(cè)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），便可得到陰極靈敏度S_k ，如果入射光為單色，則所測(cè)量出來(lái)的陰極靈敏度為光譜靈敏度；而入射光為白色，則所測(cè)量出來(lái)的陰極靈敏度為積分靈敏度。

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顏色的“單色光"，可以近似地將其看作光譜輻射量，在實(shí)驗(yàn)前計(jì)算出

入射到陰極面上的光照度，再測(cè)出LED光源出光口的面積時(shí)，便很容易計(jì)算出它發(fā)出的光通量。實(shí)驗(yàn)中常用的光通量為2×10^-5～2×10^-2lm范圍。

⑤陽(yáng)極光照靈敏度S_a

S_a定義為光電倍增管在一定的工作電壓下陽(yáng)級(jí)輸出電流I_a與入射到光電陰極上光通量φ（或照度E_k）之比

⑥電流放大倍數(shù)(增益)G

G定義為在一定的入射光通量和陽(yáng)極電壓下，陽(yáng)極電流I_a與陰極電流I_k之比，即

由于陽(yáng)級(jí)靈敏度為PMT增益與陰極電流之積，因此，增益又可表示為

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I_d

當(dāng)光電倍增管處于隔絕輻射的暗室中時(shí)，其陽(yáng)極輸出電流稱(chēng)為暗電流。暗電流與光電倍增管的供電電壓U_bb有關(guān)，因此必須首先確定U_bb，才能測(cè)定它的暗電流I_d。引起暗電流的主要因素有：歐姆漏電、熱電子發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)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用如圖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(guò)串聯(lián)電阻的電流為I_R，則每個(gè)電阻上的壓降為電流I_R與電阻R_i的乘積，因此，加在光電倍增管倍增極上的電壓為U_di=I_RR_i+1。

為確保流過(guò)電阻鏈中每個(gè)電阻的電流I_R都近似相等，應(yīng)滿(mǎn)足關(guān)系

I_R≥10I_am           （1.40-8）

光電倍增管的輸出電流I_a，在負(fù)載電阻R_a上產(chǎn)生的壓降為輸出電壓信號(hào)Uo，即

U_o=I_aR_a            （1.40-9）

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(yáng)極接電源正高壓、而電源負(fù)端接地)。采用正高壓接法的特點(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(yáng)極處于正高壓，使后面的處理電路難于連接。交流輸出信號(hào)時(shí)雖然可以采用高壓隔離電容進(jìn)行隔離，但是會(huì)導(dǎo)致寄生電容增大；如果是直流輸出，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，危險(xiǎn)性也增大。

負(fù)高壓接法的優(yōu)點(diǎn)是陽(yáng)極電位低，便于與后面的放大器連接，如圖1.40-4所示，Ua直接與直流放大器相連，又可以通過(guò)電容只輸出交流信號(hào)。使用操作安全又方便。負(fù)高壓接法的缺點(diǎn)是玻璃殼的電位與陰極電位接近，為負(fù)高壓，玻璃殼與屏蔽罩之間的電場(chǎng)很高，為降低它們之間的電場(chǎng)，防止玻璃殼放電的發(fā)生，必須使它們分離1～2cm。

4.實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 熟悉光電倍增管實(shí)驗(yàn)儀

MXY8101光電倍增管綜合實(shí)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實(shí)驗(yàn)光源為可切換發(fā)光顏色的LED燈，燈的亮度能夠通過(guò)電位器進(jìn)行調(diào)整；

③儀器面板上裝有獨(dú)立電源的數(shù)字電表可供實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，第一塊電壓表的量程是2000V；第二塊電壓表的量程是200V；

④兩塊電流表為0.2mA、2 mA，基本滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)過(guò)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)整光電倍增管實(shí)

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)整旋鈕，同樣，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)亮度增強(qiáng)。

MXY8101光電倍增管綜合實(shí)驗(yàn)儀的外形圖如圖1.40-5所示，采用內(nèi)置式光學(xué)系統(tǒng)的方式，避免了雜散光的干擾，使實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠達(dá)到暗室的效果。打開(kāi)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(cè)裝置安裝在右側(cè)黑色方塊上，其前面是測(cè)量光源照度的探測(cè)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)管連接，黑色方塊的右側(cè)為外接被測(cè)光源的接入口，能夠通過(guò)光纖將被測(cè)光導(dǎo)入。

儀器表面上分別安裝了實(shí)驗(yàn)過(guò)程所需要的各種數(shù)字儀表和必須用到的部件。如內(nèi)部光源的控制部件和光電倍增管的連接線(xiàn)等。下面分別敘述如下：光源的發(fā)光顏色切換開(kāi)關(guān)安裝在儀器面板的右側(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)部光源同樣顏色的指示光，標(biāo)志著光電倍增管接收光的顏色。光強(qiáng)度的調(diào)整由左側(cè)第2個(gè)旋鈕完成，其下方標(biāo)有“光源亮度調(diào)整"字樣。

MXY8101光電倍增管綜合實(shí)驗(yàn)儀的下面安裝有2個(gè)開(kāi)關(guān)，右側(cè)是儀器的電源總開(kāi)關(guān)，左面是實(shí)驗(yàn)儀光源的“光源開(kāi)關(guān)"，為測(cè)量光電倍增管暗電流，需要暫時(shí)關(guān)閉光源。面板上還安裝有6個(gè)插孔并分別在其上方標(biāo)有字符，注明其功能。 “－E"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)整"旋鈕調(diào)整）；“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"為光電倍增管末一極倍增極（即第8極）的引出端；“A"為光電倍增管的陽(yáng)極引出端。上述插孔是光電倍增管特性參數(shù)測(cè)量過(guò)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(cè)量實(shí)驗(yàn)步驟

①先將光電倍增管實(shí)驗(yàn)儀取出，仔細(xì)觀察儀器的外接端口的定義。尤其注意其上的開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)旋鈕、插座和配件的名稱(chēng)與意義；MXY8101 光電倍增管綜合實(shí)驗(yàn)儀外形如圖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(yáng)極A，負(fù)高壓電源-E和電源地GND等外接端口；

②在連接電源或打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)前要檢查光源開(kāi)關(guān)是否處于關(guān)閉狀態(tài)，高壓調(diào)整旋鈕是否旋到小值。

③在實(shí)驗(yàn)面板上找到陰極K、陽(yáng)極A、第一倍增極D₁與地GND等接線(xiàn)插孔和光源開(kāi)關(guān)、高壓電壓調(diào)整旋鈕、光源調(diào)整旋鈕等重要部件，然后按圖1.40-6連接測(cè)量電路；

④用裝有100K電阻的連接線(xiàn)將陰極K與第一倍增極D₁相連，在陽(yáng)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(lái)讀取陽(yáng)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)整旋鈕逆時(shí)針旋至位置，然后用連接線(xiàn)將“－E"插孔和倍增管的陰極K插孔相連接，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(kāi)光電倍增管實(shí)驗(yàn)儀的電源開(kāi)關(guān)，觀察到數(shù)字電流表的示值應(yīng)為零值（陽(yáng)極電流I_a為0），然后再調(diào)整“高壓調(diào)整"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(yáng)極電流值；

⑦然后，再緩慢調(diào)節(jié)高壓電源，觀測(cè)高壓表的示值，當(dāng)它們分別為-100V、-200V、-300V、-400V、-500V、-600V、-700V和-800V時(shí)記錄陽(yáng)極暗電流，它即為光電倍增管在不同工作電壓下的暗電流I_D值；

⑧將所測(cè)得的數(shù)據(jù)填入表1.40-1；

表1.40-1光電倍增管暗電流測(cè)量值

⑨在直角坐標(biāo)系中畫(huà)出I_d~V關(guān)系曲線(xiàn)；分析光電倍增管陽(yáng)極暗電流與供電電源電壓之間的關(guān)系；

⑩將高壓調(diào)整旋鈕調(diào)到小后再關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀的總電源。

（3） 測(cè)量PMT的陽(yáng)極電流靈敏度Sa的實(shí)驗(yàn)步驟

①檢查光電倍增管實(shí)驗(yàn)儀的接線(xiàn)端是否已經(jīng)按照測(cè)量暗電流的接法接好；再檢查高壓電源調(diào)整旋鈕和光源調(diào)整旋鈕是否已經(jīng)都逆時(shí)針旋到底；打開(kāi)電源，打開(kāi)光源開(kāi)關(guān)，按下光源切換開(kāi)關(guān)，使光源為綠色，調(diào)整光源亮度調(diào)整旋鈕使照度示數(shù)為0.5*10lx。再按照表1.40-2中的規(guī)定數(shù)值將電源電壓U_bb分別調(diào)整為-100V、-200V、-300V、-400V、-500V、-600V、-700V、-800V，記錄下當(dāng)前工作電壓下的倍增管陽(yáng)極電流I_a（隨著電流升高，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再按照表1.40-2中的照度值調(diào)整照度分別為1*10lx、1.5*10lx、2*10lx、2.5*10lx、3*10lx，分別測(cè)量在當(dāng)前照度下不同電壓下的陽(yáng)極電流I_a和陽(yáng)極靈敏度Sa；

③ 實(shí)驗(yàn)儀的光學(xué)系統(tǒng)中，光源經(jīng)過(guò)玻璃反射到光電倍增管陰極面的光照度為光源照度的10%，經(jīng)過(guò)玻璃透射到照度探測(cè)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(cè)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E_K，帶入式   （μA/lx）計(jì)算出光電倍增管的陽(yáng)極靈敏度。不同顏色的光源照度是不一樣的，同學(xué)們可以自行設(shè)計(jì)測(cè)量其他顏色光源陽(yáng)極靈敏度的表格并進(jìn)行測(cè)量。

④將所測(cè)的數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)中找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)，將這些點(diǎn)連接起來(lái)構(gòu)成光電倍增管陽(yáng)極靈敏度與電源電壓的關(guān)系曲線(xiàn)，從中鮮明地看出它們之間的關(guān)系。

⑤實(shí)驗(yàn)完成后，先將高壓電源調(diào)整電位器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，再關(guān)閉總電源；

表1.40-2光電倍增管陽(yáng)極靈敏度的測(cè)量

（4）測(cè)量PMT的增益G

根據(jù)增益的定義，可以用如圖1.40-7所示的測(cè)量電路對(duì)光電倍增管的增益G進(jìn)行測(cè)量。具體測(cè)量步驟如下：

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所示連接，具體步驟如下：分別將“－E"與“GND"接到2000V高壓表的紅、黑插座上，將陰極K插孔用連線(xiàn)接到0.2mA電流表的“+"插孔，再將電流表的“－"插孔與“－E"相連接，用來(lái)測(cè)量陰極電流I_k；用裝有100K電阻的連接線(xiàn)將“－E"與“D1"連接，；將陽(yáng)極“A"與2mA電流表的“－"插孔相連，電流表的“+"插孔與GND相連接，用來(lái)測(cè)量陽(yáng)極電流I_a；

②先將光源亮度調(diào)整旋扭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，然后將總電源開(kāi)關(guān)閉合，打開(kāi)光源開(kāi)關(guān)，按下光源切換開(kāi)關(guān)，使光源為藍(lán)色；

③將高壓電源電壓調(diào)節(jié)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(cè)量在當(dāng)前高壓電源電壓下I_k、I_a值；調(diào)節(jié)光源的照度，使I_k、I_a的讀

數(shù)值適合觀測(cè)；然后，再改變電源電壓值，再重復(fù)測(cè)量I_k、I_a的值，并將測(cè)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(huà)出曲線(xiàn)，分析光電倍增管的增益G與電源電壓U_bb的關(guān)系；

⑤改變光源照度，重新測(cè)量，觀察增益變化。

⑥改變光源顏色，重復(fù)上述操作，觀察不同顏色光源下增益變化。

表1.40-3光電倍增管增益與電源電壓的關(guān)系

（5）陽(yáng)極輸出電壓測(cè)量

①確認(rèn)電源已經(jīng)關(guān)閉后，按圖1.40-9連接電路。用裝有100K電阻的連接線(xiàn)將K插孔與D1插孔相連接，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(lái)測(cè)量供電電壓Ubb，再將K與-E相連。

②用裝有82K電阻的連接線(xiàn)將A和GND連接，并在陽(yáng)極A與GND之間并入200V電壓表（GND接電壓表正極，陽(yáng)極A接電壓表負(fù)極），用來(lái)測(cè)量陽(yáng)極輸出電壓。

③完成電路連接后，將高壓調(diào)整旋扭和光源亮度調(diào)整旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，打開(kāi)電源，關(guān)閉光源，順時(shí)針調(diào)節(jié)高壓調(diào)整旋鈕，使2000V電壓表示數(shù)為表1.40-4要求值，記錄下無(wú)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)整旋扭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，打開(kāi)光源，按下光源切換開(kāi)關(guān)，調(diào)整光源為白色，順時(shí)針調(diào)節(jié)高壓調(diào)整旋鈕，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更換光源顏色，重復(fù)上述操作，觀察陽(yáng)極輸出電壓變化。

⑥調(diào)整光源亮度，重復(fù)上述操作，觀察陽(yáng)極輸出電壓變化。

表1.40-4

光電倍增管測(cè)量微弱輻射的強(qiáng)度利用如圖1.40-4所示的電路測(cè)量微弱輻射強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該先將被測(cè)輻射通過(guò)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(cè)輻射接入），然后再開(kāi)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)內(nèi)部光源應(yīng)該處于關(guān)斷狀態(tài)。若使用如圖1.40-4所示電路的放大器，要注意

放大倍率的調(diào)整與標(biāo)定，既要使輸出電壓的幅度便于觀察又要滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)范圍的要求。顯然，MXY8101 光電倍增管綜合實(shí)驗(yàn)儀在設(shè)計(jì)上采用內(nèi)置式光學(xué)系統(tǒng)避免了雜散光和強(qiáng)光的照射，因此在光電倍增管不工作的情況下，可以將光電倍增管屏蔽盒的上蓋擰下來(lái)，觀看光電倍增管的結(jié)構(gòu)。

5. 關(guān)機(jī)與結(jié)束

① 將所測(cè)的數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果（包括實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)）保存好，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性，如不合理，則要重新作上述實(shí)驗(yàn)；若合理，可以關(guān)機(jī)；

② 后，將所用的配件放回配件箱；將實(shí)驗(yàn)所用儀器收拾好后，請(qǐng)指導(dǎo)教師檢查，批準(zhǔn)后離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室。