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【光电倍增管】-打拿极 PMT

news 2024/12/13 21:45:54

前言与目录

根据倍增方式，在应用中我们主要选用的三大类型PMT分别为打拿极PMT、微通道板型PMT以及Si-PMT。其中，打拿极PMT和微通道板型PMT为真空器件， Si-PMT为固体器件。固体光电器件的优势是结构紧凑、重量轻、成本低以及探测效率高，但由于固体器件的读出噪声较大，通常只有在低温环境中才能实现良好的低照度灵敏度。相比而言，真空器件（如: 打拿极PMT和微通道板型PMT）虽然探测效率较低，但暗电流和信号响应速度均优于固体器件，在应用中亦具有自身独特优势。

本篇为介绍打拿极PMT；

一、打拿极PMT工作原理

二、主要结构类型

（1）光窗与光电阴极

（2）电子倍增极系统结构

三、主要特性与表征参量

（1）光电阴极辐射灵敏度

（2）量子效率

（3）均匀性

（4）收集效率

（5）探测效率

（6）渡越时间

（7）渡越时间弥散

（8）增益

（9）阳极光照灵敏度

（10）动态范围

（11）暗电流、暗噪声与暗噪声计数率

一、打拿极PMT工作原理

打拿极PMT结构主要由入射窗、光电阴极、聚焦电极、二次电子倍增极系统、阳极以及管壳组成，其工作原理如图1所示，当入射光透过输入窗打到光电阴极上后发生光电效应激励光电阴极向真空中发射光电子，从而将光辐射信号转换为光电子信号，光电子经聚焦电极加速后被第一倍增极收集并在第一倍增极上引发次级电子发射效应进行二次电子倍增，二次电子在极间电场作用下加速再由下一倍增极收集并逐级倍增，最终倍增后的电子被阳极收集并通过信号传输系统输出。

二、主要结构类型

（1）光窗与光电阴极

按接收入射光的方式，打拿极 PMT 通常分为端窗与侧窗两种类型，侧窗型PMT 是从 PMT 玻壳的侧面光窗接收入射光，而端窗型 PMT 则从玻壳的顶部光窗接收入射光。在闪烁计数器中我们大多采用端窗结构，而在光度计测量中大多选用侧窗结构。光窗材料决定了 PMT 的短波截止波长，不同的光窗材料决定了不同的透射光波长，因此需根据实际应用需求选用适合的光窗材料，常见的 PMT光窗材料如表 1.1所示

由于外光电效应，PMT 光电阴极可将入射光信号转化为电信号，其转化效率通常由量子效率表示。PMT 光电阴极通常有反射式和透射式两种类型，PMT 中的光阴极可以选择不同的材料和工艺，以应对不同光谱成分的辐射源进行探测，被测辐射信号既可以是可见光，也可以是借助闪烁体转换而来的 x 射线、γ 射线以及其他高能粒子等。目前，PMT 阴极大多采用双碱光电阴极（K-Cs-Sb），基底层为 K2CsSb ，表面层为交替蒸镀 Sb、Cs 形成的 Sb-Cs 偶极层，可降低阴极表面亲和势。

（2）电子倍增极系统结构

电子倍增极系统是 PMT 的核心部分，具有二次电子发射功能。PMT 根据应用对增益及时间特性的不同要求一般设有 8~14 级倍增极，不同的二次电子发射系数和倍增极级数会产生不同的放大倍数。PMT 倍增极级数及其倍增极类型的选择决定了 PMT 的增益、时间特性、均匀性等性能。根据电子倍增系统结构的不同，打拿极 PMT 通常可分为盒栅型、环形静电聚焦型、直线聚焦型、百叶窗型、细网型、金属通道型以及穿透式倍增型 PMT，其基本结构与特点如表 1.2 所示。打拿极 PMT 增益一般在 $10^{5}$ ~ $10^{7}$ 之间，可通过改变倍增极数量及外加电压等方式调节其增益及时间特性。

三、主要特性与表征参量

（1）光电阴极辐射灵敏度

光电阴极辐射灵敏度是指用一定频率的光信号辐射通量照射光电倍增管时，光阴极发射电流与入射光信号辐射功率的比值,单位为 A/W，可表示为：

其中，𝐼𝑐为光阴极出射电流，P 为入射光功率。

（2）量子效率

量子效率（Quantum Efficiency, QE）体现了 PMT 光电阴极将光信号转换为电信号的能力，是指单位时间内从光电阴极面发射的电子数与入射到光电阴极面的光子数的比值，可表示为

其中，𝑁e表示从光电阴极发射出的光电子数，𝑁i表示入射光子数。量子效率与光电阴极灵敏度可用以下公式进行相互转换：

其中，h = 6.63 × 10−34 𝐽 ∙ 𝑠为普朗克常数，c = 3.00 × 10^8 𝑚/𝑠为真空中的光速， e = 1.60 × 10^19 ; 𝐶为电子的电荷量，λ为入射光波长。

（3）均匀性

均匀性用来表征 PMT 光电阴极从不同位置接收辐射信号输出灵敏度的均匀程度，包括光电阴极均匀性和阳极均匀性。当光电阴极本身蒸镀不均匀时，阴极辐射灵敏度会随着受照部位的变化而变化，阳极均匀性综合了光电阴极均匀性和倍增系统均匀性。

（4）收集效率

收集效率（Collection Efficiency, CE）用来表征 PMT 收集来自光电阴极面的光电子的能力，是指光电子入射到第一倍增极有效部分的几率，可表示为

其中，𝑁𝑐表示第一倍增极收集到的光电子数，𝑁e表示从光电阴极发射出的光电子数。

（5）探测效率

探测效率（Detection Efficiency, DE）是表征 PMT 探测性能的重要指标，用量子效率与收集效率的乘积来表示：

其中，QE 表示光电阴极量子效率，CE 表示倍增极收集效率。

（6）渡越时间

PMT 的渡越时间（Transit Time, TT）反应了 PMT 对信号光的响应速度，是指从光电阴极面接收到入射信号到阳极输出脉冲为止所需的时间，如图 1.2 所示。

（7）渡越时间弥散

PMT 的渡越时间弥散（Transit Time Spread, TTS）指 δ 光脉冲照射光电阴极面产生单光电子输出脉冲的渡越时间抖动，是衡量 PMT 时间特性的重要参数，如图 1.3 所示，一般将单光电子下的渡越时间弥散定义为光电倍增管的渡越时间分布半高宽。通常，光电倍增管的渡越时间弥散与探测到的光子数的平方根成反比，可表示为

其中，k 为常数，n 表示探测到的光子数量。

（8）增益

增益反应了 PMT 放大信号的能力，通常被定义为在一定入射光通量和工作电压下，阳极电流与阴极电流的比值，会受到收集效率、二次电子发射系数、各倍增极间收集效率、工作电压以及倍增极级数的影响，可表示为：

其中，𝐼𝑎为阳极电流，𝐼𝑐为阴极电流，𝐶𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙为倍增极系统电子整体收集效率， 𝛿1，𝛿2 … 𝛿𝑛分别为各倍增极二次电子发射系数。

（9）阳极光照灵敏度

阳极光照灵敏度是衡量 PMT 响应能力的重要指标，是指阳极电流与入射光信号辐射通量的比值，单位为 A/lm，可表示为：

其中，𝐼𝑎为阳极电流，L 为入射光信号辐射通量。

（10）动态范围

在一定工作电压下，阳极输出电流会随着入射光通量的增大而增大，并呈线性关系。但当入射光信号逐渐增强到一定程度时，由于受到 PMT 分压器回路电压变化及内部空间电荷效应的限制，随着入射光强的增加阳极输出电流将逐渐偏离线性变化。动态范围是反应 PMT 阳极输出线性度的关键指标。

（11）暗电流、暗噪声与暗噪声计数率

即使在无辐射信号的黑暗环境中，由于工作中的 PMT 会受到器件内部光电阴极与倍增极系统的热电子发射、场致发射、光反馈、极间漏电、放射性材料、残余气体电离等众多因素的影响，阳极仍然会有电流输出，称之为暗电流，单位为 A。暗噪声、暗噪声计数率与暗电流在定义上既有区别又有联系，均表征了对PMT 最小探测灵敏阈值的限制。暗电流是一种交直流电流，而暗噪声则是阳极暗电流输出的统计性涨落，暗噪声计数率则表示了在一定时间与工作电压下，对暗噪声的计数的总和，单位为 cps。除此之外，我们表征不同类型打拿极 PMT 性能特性的其他参量还有上升时间、下降时间、后脉冲、空间分辨率、串扰、单光电子峰谷比以及稳定性等。