为您的应用选择光电倍增管
介绍
自从1940年代早期开发出第一个商用光电倍增管（PMT）以来，它仍是要求快速响应时间和高灵敏度的实验所选用的探测器。如今，PMT是许多领域研究的主要工具，包括分析化学、粒子物理学、医学成像、工业过程控制、天文学以及原子和分子物理学。该教程为介绍材料，内容包括操作原理，以及为特定应用选择PMT时所要考虑的关键技术参数。
基本工作原理
光电倍增管（PMT）是灵敏的高增益设备，它的输出电流与入射光成正比。PMT在一根玻璃真空套管内安放了光电发射材料，称为光电阴极；8-14个二次发射电极，称为打拿极；和一个收集电极，称为阳极。如果一个能量足够高（如比光电阴极材料的结合能更高）的光子入射到光电阴极，它就会被吸收，根据光电效应释放出一个电子。因为第一个打拿极保持高于阴极的电势（这样在二者之间产生一个电势差），发射出的电子会加速撞向打拿极，同时释放出二次电子。通常在该过程中有3-5个二次电子释放出。这里面的每个电子随后又会被加速撞向第二个打拿极，同时也释放出3-5个电子。该过程会在整个打拿极链中继续，产生3-5倍的电子增益。通常每个打拿极维持比前一个高100-200伏的电势。在打拿极链的末端，电子被阳极收集，并输出电流脉冲。然而，该电流通常需要转换为电压才能读出；最简单的方法是在阳极与地电位之间连接一个低的负载电阻。Thorlabs提供的两种PMT使用一个跨阻抗放大器（TIA），将纳安或微安的阳极输出电流分别转换为毫伏或伏特范围的电压。
例如，若PMT由8个打拿极组成（如下图所示），且每个电子可产生4个二次电子，在通过该打拿极链之后，总的电流放大将为48 ≈
66000倍。该例子中每个光电子在阳极产生Q = 48e的电荷雪崩。相应的电压脉冲为V
= Q/C = 48e /C，C是阳极的电容（包括连线）。假设电容为5皮法，则输出电压脉冲将为2.1毫伏。
光谱响应
当为特定应用选择PMT时，光电阴极材料要与应用相匹配。通常长波截止波长取决于光电阴极，而短波截止波长取决于窗口材料。PMT用于从深紫外到红外的波长范围。然而，由于光电阴极将入射光子转化为电子，其感兴趣波长的转换效率极其重要。有各种不同的材料供光电阴极使用，每种的功函数不同，适用的光谱范围也不同。
量子效率（QE）是一个指标，它通常表示为百分比，且与PMT将入射光子转换为可探测的电子的能力相关。例如，QE的值为20%意味着每5个撞击到光电阴极的光子产生1个光电子。对于光子计数，要求高QE的PMT。由于QE取决于波长，因此选择在使用波长范围内量子效率最高的PMT很重要。请注意，
电磁光谱可见部分的光电阴极QE值通常小于30%。
用下面的公式从光谱响应曲线（参见图标签查看PMM01和PMM02的光谱响应曲线）可快速计算PMT的QE。
S是辐射灵敏度，单位是安/瓦，λ是波长，单位是纳米。
几何外形
PMT主要有两种不同的外形：端窗型（即光电阴极置于真空管的一端）和侧窗型（即光电阴极置于真空管的侧壁）。端窗型PMT具有半透明光电阴极，其特点是具有大的收集面，较好的空间一致性，在蓝光和绿光范围的性能较好。对于要求宽光谱响应的应用，如光谱学，端窗型结构较为合适。相比之下，侧窗型PMT的光电阴极不透明，更适合紫外和红外范围应用，这种结构比端窗型结构便宜，在光谱仪和要求有效的光学耦合和高QE（如闪烁计数）方面应用广泛。
8-14个二次发射电极（即打拿极）通常按照两种结构（即直线形和圆形）中的一种排列。由于快速的时间响应，良好的时间分辨率，以优异的脉冲线性，直线形打拿极阵列（如上图所示的一个）较为常用。所有的侧窗型PMT和部分端窗型PMT采用圆形笼式阵列，这种结构比较紧凑，且响应时间快。
增益
PMT是独特的，这是因为它能将光电阴极产生的非常微弱的信号放大到可探测的水平（超过读出电路的噪声）而没有引入大量噪声。在PMT里，由打拿极产生这样的放大（被称为增益）。增益高度依赖于所用的电压。在厂商的推荐电压以上，PMT可以正常运转，产生的增益为规格的10-100倍；若阳极电流保持在额定值以下，通常对PMT不会有不利的影响。Thorlabs提供的两种PMT结合端窗型光电阴极的外形和笼式圆形打拿极链。
暗电流
理想情况下，光电阴极产生的所有信号都应是由入射到管上的光电流产生的。但事实上，无论是否有光PMT都会产生电流，在没有光的情况下产生的信号就是暗电流，它会有效降低PMT的信噪比。暗电流主要是由光电阴极和前几个打拿极的热电子发射引起的，宇宙射线和放射性衰减的影响非常小。通常，设计用于光谱红光带的倍增管产生的暗电流比其他倍增管大，这是由于红光敏感光电阴极的结合能较低。假设最初的暗电流是由光电阴极的热电子发射产生，则暗电流计数率由下式给出
由于热电子发射高度依赖光电阴极的温度和功函数，降低PMT的温度可大大减小暗电流。购买带有热电冷却器的PMT，并用它将PMT的温度由20oC降到0oC，暗电流将减小约10倍。使用热电冷却器时，请注意避免窗口的冷凝，因为水分会减少入射到光电阴极的光的量。此外，应避免过冷，由于阳极薄膜的电阻与温度成反比，降温实际上有不利影响，包括信号减弱或阳极电压降低。
上升时间
对于要求高时间分辨率的实验，上升时间必须短。阳极脉冲上升时间是PMT最常见的时间响应特性，它被规定为当光电阴极被完全照明时，PMT输出从峰值幅度的10%上升到90%所用的时间。典型的阳极上升时间范围从0.5至20纳秒。最终，脉冲上升时间由不同电子的渡越时间分布决定的。这些时间的不同有几个原因。首先，由于二次电子是从打拿极材料的不同深度发出，所以初速度不同。一些电子在离开打拿极时没有初始能量，而另一些电子的初始能量不为零；因此，后者到达下一个打拿极的时间更短。除了电子的初速度不同之外，电子路径长度的不同会产生渡越时间的不同。由于这些影响，阴极脉冲的上升时间会随电压的升高而降低，与V-1/2成比例。
其他考虑因素
有几个其他的重要考虑因素。首先，在选择与PMT一起工作的电子产品时要小心。阴极和阳极间高压的微小变化都会极大地改变输出。其次，实验室的环境也会影响PMT的性能。温度和湿度的改变，以及振动的有无都对PMT的运行有负面影响。最后，外壳也很重要，它不但保护倍增管免受外来光的影响，也减小外部磁场的影响。几个高斯的磁场就能大大减小增益，但用高磁导率材料制造磁屏蔽可有最小化不利影响。 |
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