光电倍增管

光电倍增管（ photomultiplier tube ），将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。主要用于在弱光条件下的光谱分析和光学测量。光电倍增管具有极高的灵敏度和最快的时间响应，还用于单个光子的脉冲计数。与闪烁晶体耦合可扩展它的波长响应范围，用于X射线、γ射线等高能射线的探测。

结构和原理

光电倍增管由真空管壳内的光电阴极、阳极以及位于其间的聚焦极和若干级倍增极构成（见图）。简称PMT。工作时各电极加上规定电压。当光入射到光电阴极上时，阴极发射光电子，在电场作用下沿规定的路径逐级轰击下一个电子倍增电极，在末级倍增电极上形成数量为光电子105～108倍的次级电子，最后为阳极收集，在电路中得到输出电流。

1934年L.A.库别茨基在光电管的基础上提出光电倍增管的雏形。1939年V. K.兹沃雷金制成实用的光电倍增管。后来由于锑–铯光电阴极，双碱、多碱光电阴极，碘化铯、碲化铯和负电子亲和势光电阴极相继出现，以及输入窗材料的改进，拓宽了光谱呼应范围（见光电管），从此就有了宽光谱高灵敏度光电倍增管。还出现了快速光电倍增管、电子快门光电倍增管、磁屏蔽光电倍增管、半球形壳和特殊壳光电倍增管。70代末微通道板（MCP）问世，出现了带微通道板的光电倍增管，还有位敏光电倍增管。光电倍增管的电子倍增极可分为分离式和连续式两种。分离式倍增极有圆笼式、盒栅式、直线聚焦式、百叶窗式、网式等。连续式有单通道和微通道板与金属通道式两种。

特征和参数

各种光电阴极的光谱响应曲线、不同波长的辐射灵敏度和量子效率及流明灵敏度的定义，以及脉冲时间特性同光电管。光电倍增管的增益为阳极电流与光电子电流之比。阳极灵敏度为光电阴极的辐射或流明灵敏度与增益之积。增益与所加的工作电压有关。在一定光强度范围内，入射光强与光电流成正比。但若在超过额定光强度下工作，光电阴极受损会引起灵敏度下降。损害不严重时，经黑暗条件下存放可恢复或部分恢复。若严重时会发生永久性烧伤。阴极暗电流和阳极灵敏度都随工作电压升高而升高，但上升的斜率不同。暗电流引起散粒噪声，倍增器产生倍增噪声，都影响光电倍增管的探测极限。因而，存在最佳工作电压，使信噪比也最佳。实际使用中只要阳极电流幅值能满足要求，总是选择较低的工作电压。一般选在比额定值低20％～30％的电压下工作。

光电倍增管结构图

在多道分析应用中，脉冲上升时间、下降时间、渡越时间分散、暗电流大小以及闪烁晶体余辉都直接影响光电倍增管的计数率和能量分辨率，这些在辐射粒子测量中都是很重要的参数。能量分辨率定义为脉冲半高宽与其中心能量之比。

发展方向

提高光电阴极灵敏度、扩展光谱响应、降低暗电流，一直是光电器件的重要课题。Ⅲ–Ⅴ族负电子亲和势光电阴极砷化镓的光谱响应从紫外线扩展到930纳米，砷化镓铟阴极的长波限延伸到1 000纳米，银–氧–铯阴极到1 600纳米。在短波段，多碱光电阴极、碲化铯、碘化铯本身就具有很好的紫外响应，但受到窗口材料限制。若窗口材料使用紫外玻璃光谱响应可延伸到185纳米，合成硅可到160纳米，氟化镁可到115纳米。负电子亲和势光电阴极由于成本太高，还没有用在光电倍增管中。高温双碱阴极（Na2KSb）因其暗电流极低，用于光子计数最为理想。它还能在175℃下工作，而用于勘探测井等高温环境。为适用于γ相机和正电子CT而发展了10×10平方毫米的异形管。为适应液体闪烁计数而开发了直径达508毫米的半球形光电倍增管。带微通道板的光电倍增管除具有极高的增益、抗磁场干扰等性能外，其上升时间已降到0.15纳秒、渡越时间0.55纳秒、渡越时间分散15皮秒，使时间响应达到一个新水平。还因其低畸变、高空间分辨率并采用多阳极技术而开创了新一代位敏光电倍增管，现已达到28×28位。弯曲型小孔径低噪声微通道板已开发成功，使位敏探测器性能更加优异。同时还开展了以高二次发射系数单晶硅为基材的超高增益微通道板的研制。

为降低暗电流、改善信噪比以提高探测灵敏度，行之有效的办法是低温致冷，降低光电倍增管的工作环境温度。