09光电倍增管特性与微弱光信号探测实验

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1、湖南人文科技学院物理与信息工程系物理实验室实验9光电倍增管特性与微弱光信号探测【实验目的】1、熟悉光电倍增管的基本构成和工作原理，掌握光电倍增管参数的测量方法；2、掌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。【基本原理】1．光电倍增管结构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部分组成。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

2、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升高的正电压，要在阴极（K）和阳极（A）之间加上500～3000V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1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，它和后面叙述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12湖南人文科技学院物理与信息工程系物理实验室来自于最后几级，为了在探测脉冲光时，不使阳极脉动电流引起极

3、间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容。图中和电阻并联的电容Cn-3、Cn-2、Cn-1、Cn就是因此而设计的。本实验系统使用的电子倍增系统为环形聚焦型。由光阴极发射出来的光电子被第一倍增极电压加速撞击到第一倍增极，以致发生二次电子发射，产生多于入射光电子数目的电子流。这些二次电子发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发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集，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

4、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）激励光电阴极的电子向真空中放出光电子（外光电效应）；（3）光电子经聚焦极汇集到第一倍增极上，进行二次电子倍增后，相继经各倍增极发射二次电子；（4）由末级倍增极发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

5、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，本实验系统采用中心波长在425nm的蓝光LED发光二极管做光源。根据不同型号的光电倍增管的光谱响应特性，其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%。

6、对于每一支光电倍增管来讲，真实的数据可能会略有差异。12湖南人文科技学院物理与信息工程系物理实验室图2（2）灵敏度由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要精密测试系统和很长的时间，且提供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一定光束时，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种。本测试仪系统如图3所

7、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分配，以使光通量保持在10-10—10-5流明。如果测量SA越大，表明光电倍增管探测微弱光信号本领越强。12湖南人文科技学院物理与信息工程系物理实验室图3（3）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

8、光入射时，会产生偏离理想线性的情况。其主要原因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，工作在低电压、大电流场合，也可能出现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一定时，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，必须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）