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摘要：光電倍增管是一種能將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成可測電信號的光電轉(zhuǎn)換器件。文中以北京濱松光子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的R/CR系列產(chǎn)品為代表，介紹光電倍增管的一般原理、使用特性及其應(yīng)用。并特別給出了在各種領(lǐng)域所適用的光電倍增管的型號。
1 概述
光電子應(yīng)用技術(shù)是一門新興的高新技術(shù)，當(dāng)前還處于發(fā)展階段。相信它在21世紀必將有重大創(chuàng)新并迅速崛起。光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)也必將發(fā)展成為一種新興的知識經(jīng)濟，從而在新興技術(shù)領(lǐng)域形成巨大的生產(chǎn)力。
光電倍增管（PMT）是光子技術(shù)器件中的一個重要產(chǎn)品，它是一種具有極高靈敏度和超快時間響應(yīng)的光探測器件。可廣泛應(yīng)用于光子計數(shù)、極微弱光探測、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光研究、極低能量射線探測、分光光度計、旋光儀、色度計、照度計、塵埃計、濁度計、光密度計、熱釋光量儀、輻射量熱計、掃描電鏡、生化分析儀等儀器設(shè)備中。
2 光電倍增管的一般結(jié)構(gòu)
光電倍增管是一種真空器件。它由光電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極及電子收集極（陽極）等組成。典型的光電倍增管按入射光接收方式可分為端窗式和側(cè)窗式兩種類型。圖1所示為端窗型光電倍增管的剖面結(jié)構(gòu)圖。其主要工作過程如下：
當(dāng)光照射到光陰極時，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進入倍增系統(tǒng)，并通過進一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。
因為采用了二次發(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點。
3 光電倍增管的類型
3.1 按接收入射光方式分類
光電倍增管按其接收入射光的方式一般可分成端窗型（Head-on）和側(cè)窗型（side-on）兩大類。
側(cè)窗型光電倍增管（R系列）是從玻璃殼的側(cè)面接收入射光，兩端窗型光電倍增管（CR系列）則從玻璃殼的頂部接收射光。圖2和圖3分別是側(cè)窗式光電倍增管和端窗式光電倍過管的外形圖。
在通常情況下，側(cè)窗型光電倍增管（R系列）的單價比較便宜（一般數(shù)百元/只），在分光光度計、旋光儀和常規(guī)光度測定方面具有廣泛的應(yīng)用。大部分的側(cè)窗型光電倍增管使用不透明光陰極（反射式光陰極）和環(huán)形聚焦型電子倍增極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠使其在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。
一般情況下，光譜響應(yīng)特性的長波段取決于光陰極材料，短波段則取決于入射窗材料。
光電倍增管的陰極一般都采用具有低逸出功能的堿金屬材料所形成的光電發(fā)射面。
光電倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化鎂（或鎂氟化物）玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透過近紅外至300nm垢可見入射光，而其它3種玻璃材料則可用于對紫外區(qū)不可見光的探測。
端窗型光電倍增管（CR系列）也稱頂窗型光電倍增管。其價格一般在千元以上，它是在其入射窗的內(nèi)表面上沉積了半透明的光陰極（透過式光陰極），這使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性。端窗型光電倍增管的特點是擁有從幾十平方毫米到幾百平方厘米的光陰極，另外，現(xiàn)在還出現(xiàn)了針對高能物理實驗用的可以廣角度捕獲入射光的大尺寸半球形光窗的光電倍增管。
3.2 按電子倍增系統(tǒng)分類
光電倍增管之所以具有優(yōu)異的靈敏度（高電流放大和高信噪比），主要得益于基于多個排列的二次電子發(fā)射系統(tǒng)的使用。它可使電子在低噪聲條件下得到倍增。電子倍增系統(tǒng)，包括8～19極的叫做打拿極或倍增極的電極。
現(xiàn)在使用的光電倍增管的電子倍增系統(tǒng)有以下8類：
a.環(huán)形聚焦型
環(huán)型聚焦型結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于側(cè)窗型光電倍增管中，其主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊和響應(yīng)快速。
b.盒柵型
這種結(jié)構(gòu)包括一系列的1/4圓柱形的倍增極，并因其具有相對簡單的倍增極結(jié)構(gòu)和良好的一致性而被廣泛應(yīng)用于端窗型光電倍增管中，但在某些應(yīng)用場合，它的時間響應(yīng)略顯緩慢。
c.直線聚焦型
直線聚焦型光電倍增管以其極快的時間響應(yīng)而被廣泛應(yīng)用于對時間分辨率和線性脈沖要求較高的研究領(lǐng)域以及端窗型光電倍增管中。
d.百葉窗型
百葉窗型結(jié)構(gòu)的倍增極可以較大，能夠應(yīng)用于大陰極的光電倍增管中。這種結(jié)構(gòu)的一致性比較好，有大的脈沖輸出電流。多應(yīng)用于對時間響應(yīng)要求不高的場合。
e.細網(wǎng)型
該結(jié)構(gòu)有封閉的精密組合網(wǎng)狀倍增級，因而具有極強的抗磁性、一致性和脈沖線性輸出特性。另外，在使用交疊陽極或多極結(jié)構(gòu)輸出的情況下，還具有位置靈敏的特性。
f.微通道板（MCP）型
MCP微通道板型光電倍增管是將上百萬的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成為薄形盤片狀而形成的。這種結(jié)構(gòu)的每個通道都是一個獨立的電子倍增器。MCP比任何分離電極的倍增極結(jié)構(gòu)都具有超快的時間響應(yīng)，并且當(dāng)采用多陽極輸出結(jié)構(gòu)時，這種結(jié)構(gòu)的光電倍增管在磁場中仍具有良好的一致性和極強的二維探測能力。
g.金屬通道型
金屬通道型是濱松公司采用獨有的機械加工技術(shù)所創(chuàng)造的緊湊型陽極結(jié)構(gòu)，其各個倍增極之間的狹窄通道空間特性使其比任何常規(guī)結(jié)構(gòu)的光電倍增管都具有更快的時間響應(yīng)速度。金屬通道型光電倍增管適用于位置靈敏度要求比較高的探測方面。
h.混合型
混合型是將上述結(jié)構(gòu)中的兩種結(jié)構(gòu)相互混合而形成的復(fù)合型結(jié)構(gòu)。混合結(jié)構(gòu)的倍增極一般都可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。
