基于光電倍增管的弱光檢測

1、基于光電倍增管的弱光檢測 摘要：本文基于光電倍增管設(shè)計了一種弱光檢測電路。文章首先介紹了光電倍增管的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用方法，然后給出了微弱電流轉(zhuǎn)換與放大電路的設(shè)計。關(guān)鍵詞：光電倍增管；分壓電路；I/V轉(zhuǎn)換 Low-light-level detection based on Photomultiplier tubeAbstract：This paper presents the design of a system for low-light-level detection.The structure and principle of PMT are briefly introduced ,an

2、d the application method on PMT is discussed. The design of low current transformation and amplification circuit is also performed.Keywords：Photomultiplier tube(PMT)；voltage divider；I/V transformation 1. 引言光電倍增管（PMT）是一種具有極高靈敏度和超快時間響應(yīng)的光探測器件。當光照射到光陰極時，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

3、。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?；谕夤怆娦?yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)的電子真空器件。它利用二次電子發(fā)射使逸出的光電子倍增，獲得遠高于光電管的靈敏度，能測量微弱的光信號。光電倍增管包括陰極室和由若干打拿極組成的二次發(fā)射倍增系統(tǒng)兩部分（見圖1）。 圖1 光電倍增管工作原理圖陰極室的結(jié)構(gòu)與光陰極K的尺寸和形狀有關(guān),它的作用是把陰極在光照下由外光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子聚焦在面積比光陰極小的第一打拿極D1的表面上。二次發(fā)射

4、倍增系統(tǒng)是最復(fù)雜的部分。打拿極主要選擇那些能在較小入射電子能量下有較高的靈敏度和二次發(fā)射系數(shù)的材料制成。在各打拿極 D1、D2、D3和陽極A上依次加有逐漸增高的正電壓,而且相鄰兩極之間的電壓差應(yīng)使二次發(fā)射系數(shù)大于1。這樣,光陰極發(fā)射的電子在D1電場的作用下以高速射向打拿極D1,產(chǎn)生更多的二次發(fā)射電子,于是這些電子又在D2電場的作用下向D2飛去。如此繼續(xù)下去，每個光電子將激發(fā)成倍增加的二次發(fā)射電子，最后被陽極收集。輸出電流和入射光子數(shù)成正比。整個過程時間約 10-8秒。2. 光電倍增管結(jié)構(gòu)光電倍增管按其接收入射光的方式一般可分成端窗型和側(cè)窗型兩大類。一般，端窗型和側(cè)窗型結(jié)構(gòu)的光電倍增管都有一個光

5、陰極。側(cè)窗型的光電倍增管，從玻璃殼的側(cè)面接收入射光，而端窗型光電倍增管是從玻璃殼的頂部接收入射光。大部分的側(cè)窗型光電倍增管使用了不透明光陰極（反射式光陰極）和環(huán)形聚焦型電子倍增極結(jié)構(gòu)，這使其在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。 端窗型（也稱作頂窗型）光電倍增管在其入射窗的內(nèi)表面上沉積了半透明光陰極（透過式光陰極），使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性。 圖2 端窗型光電倍增管 圖3 側(cè)窗型光電倍增管3. 電子倍增系統(tǒng)現(xiàn)在使用的電子倍增系統(tǒng)主要有以下幾類：(1) 環(huán)形聚焦型 環(huán)形聚焦型結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于側(cè)窗型光電倍增管。其主要特點為緊湊的結(jié)構(gòu)和快速時間響應(yīng)特性。(2) 盒柵型 這種結(jié)構(gòu)包括了一系列的四分之一圓

6、柱形的倍增極，并因其相對簡單的倍增極結(jié)構(gòu)和一致性的改良而被廣泛地應(yīng)用于端窗型光電倍增管，但在一些應(yīng)用中，其時間響應(yīng)可能略顯緩慢。(3)此外還有直線聚焦型，百葉窗型，細網(wǎng)型，微通道板（MCP）型等。4. 光譜響應(yīng)光電倍增管的陰極將入射光的能量轉(zhuǎn)換為光電子。其轉(zhuǎn)換效率（陰極靈敏度）隨入射光的波長而變。這種光陰極靈敏度與入射光波長之間的關(guān)系叫做光譜響應(yīng)特性。圖4給出了雙堿光電倍增管的典型光譜響應(yīng)曲線。光譜響應(yīng)特性的長波端取決于光陰極材料，短波端則取決于入射窗材料。在本書的附件里給出了不同型號的光電倍增管的光譜響應(yīng)特性，其中長波端的截止波長，對于雙堿陰極和Ag-O-Cs陰極的光電倍增管定義為其靈敏度降

7、至峰值靈敏度的1%點，多堿陰極則定義為峰值靈敏度的0.1%。 5. 使用材料5.1光陰極材料光電倍增管的陰極一般是具有低逸出功的堿金屬材料形成的光電發(fā)射面。常用的陰極材料有以下幾種：(1) Ag-O-Cs用此材料的透過型陰極具有典型的S-1譜，即具有從可見到紅外（300-1200nm）的譜響應(yīng)。因為Ag-O-Cs陰極有較高的熱電子發(fā)射，所以這種光電倍增管一般要在制冷器中工作，用于近紅外區(qū)的光探測。(2) GaAs（Cs）摻入活性Cs的GaAs材料也可以用作光陰極。這種光陰極比多堿光陰極復(fù)蓋更寬的光譜范圍，可以從近紫外到930nm，并且響應(yīng)曲線在300-850nm范圍內(nèi)較為平直。(3) 此外還有

8、InGaAs（Cs），Sb-Cs，雙堿材料（Sb-Rb-Cs）（Sb-K-Cs）等。5.2窗材料(1) 硼硅玻璃這是一種常用的玻璃材料，可以透過從近紅外至300nm的入射光，但不適合于紫外區(qū)的探測。在一些應(yīng)用中，常將雙堿陰極與低本低硼硅玻璃（也稱無鉀玻璃）組合使用。無鉀玻璃中只有極低含量的鉀，其中的K40會造成暗計數(shù)。所以通常用于閃爍計數(shù)的光電倍增管不僅入射窗，而且玻璃側(cè)管也使用無鉀玻璃，就是為了降低暗計數(shù)。(2) 合成石英合成石英可以將透過的紫外光波長延伸至160nm，并且在紫外區(qū)比熔融石英玻璃有更低的吸收。合成石英材料的膨脹系數(shù)與芯柱用玻璃的膨脹系數(shù)有很大差別，所以，用熱膨脹系數(shù)漸變的封接

9、材料與合成石英逐漸過渡。因此，此類光電倍增管的強度易受外界震動的破壞，使用中要采取足夠的保護措施。(3) 氟化鎂（鎂氟化物）該材料具有極好的紫外線透過性，但同時也有易潮解的不利因素。盡管如此，氟化鎂仍以其接近115nm的紫外透過能力而成為一種實用的光窗材料。6. 主要使用特性6.1 輻射靈敏度QE=s*1240/*100%如圖4所示，光譜響應(yīng)經(jīng)常以不同波長下的輻射靈敏度和量子效率來表示。輻射靈敏度（S）即為某一波長下的光電倍增管陰極發(fā)射出的光電子電流與該波長的入射光能量的比值，單位為A/W（安培/瓦）。量子效率（QE）為光陰極發(fā)射出來的光電子數(shù)量與入射光光子的數(shù)量之比。一般用百分比來表示量子效

10、率。在給定波長下輻射靈敏度和量子效率有如下關(guān)系： 這里S為給定波長下的輻射靈敏度，單位為A/W，為波長，單位為nm（納米）。 6.2 光照靈敏度陰極光照靈敏度是使用鎢燈產(chǎn)生的2856K色溫光測試的每單位通量入射光（實際用10-510-2Lm）產(chǎn)生的陰極光電子電流。陽極光照靈敏度是每單位陰極上的入射光通量（實際用10-1010-5Lm）產(chǎn)生的陽極輸出電流（經(jīng)過二次發(fā)射極倍增后）。雖然同樣是用鎢燈，測量時所加電壓要作適當?shù)恼{(diào)整。當光電倍增管具有相同或相似的光譜響應(yīng)范圍時，這些參數(shù)顯然很有用。除了對鎢燈產(chǎn)生的光沒有響應(yīng)的Cs-I和Cs-Te陰極的管子（這些管子將給出特定波長下的輻射靈敏度）。陰極和陽

11、極的光照靈敏度都是以A/Lm（安培/流明）為單位，流明是在可見光區(qū)的光通量的單位，所以對于光電倍增管的可見光區(qū)以外的光照靈敏度數(shù)值可能是沒有實際意義的（對于這些光電倍增管，常常使用藍光靈敏度和紅白比來表示）。6.3 電流放大（增益）光陰極發(fā)射出來的光電子被電場加速撞擊到第一倍增極，以便發(fā)生二次電子發(fā)射，產(chǎn)生多于光電子數(shù)目的電子流。這些二次電子發(fā)射的電子流又被加速撞擊到下一個倍增極產(chǎn)生又一次的二次電子發(fā)射，連續(xù)地重復(fù)這一過程，直到最末倍增極的二次電子發(fā)射被陽極收集，從而達到了電流放大的作用。這時可以觀測到，光電倍增管的陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流，已經(jīng)被放大成較大的陽極輸出電流。電流增益就是光電倍

12、增管的陽極輸出電流與陰極光電子電流的比值。在理想情況下，具有n個倍增極，每個倍增極的平均二次電子發(fā)射率為的光電倍增管的電流增益為n。二次電子發(fā)射率由下式給出：=AE這里的A為一常數(shù)，E為極間電壓，為一由倍增極材料及其幾何結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)，的數(shù)值一般介于0.7和0.8之間。一般的光電倍增管有912個倍增極，所以陽極靈敏度與所加電壓可以有1061010的變化。光電倍增管的輸出信號也特別地容易受到所加電壓的波動的影響，所以供電電壓一定要有很好的穩(wěn)定性、較小的紋波、漂移和溫度系數(shù)。6.4 陽極暗電流光電倍增管在完全黑暗的環(huán)境中仍會有微小的電流輸出。這個微小的電流叫做陽極暗電流。它是決定光電倍增管對微弱光

13、信號的檢出能力的重要因素。陽極暗電流的主要來源有以下幾種：(1) 電子熱發(fā)射因為光陰極和倍增極材料具有較低的逸出功，所以在室溫下會發(fā)射出大量的熱電子。大部分的暗電流源于這種熱電子發(fā)射，特別是那些來自光陰極的熱電子，因為它們要經(jīng)過倍增極的放大。將光電倍增管冷卻是降低熱電子發(fā)射的有效手段，這一點對諸如光子計數(shù)等要求光電倍增管具有極低暗計數(shù)特性的應(yīng)用顯得及其重要。(2) 玻璃殼放電和玻璃熒光當光電倍增管負高壓使用時，金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場強度，尤其是金屬屏蔽層于處于負高壓的陰極之間的電場最強。在強電場下玻璃殼可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象或出現(xiàn)玻璃熒光，放電和熒光都會引起暗電流，而且還將嚴重破壞信號。(3)

14、 此外, 還有殘留氣體電離（離子反饋）,漏電電流,場致發(fā)射等。 6.5 溫度特性降低光電倍增管的環(huán)境溫度，可以減少熱電子發(fā)射，從而降低暗電流。光電倍增管的靈敏度也受到溫度的影響。在紫外和可見光區(qū)，光電倍增管的溫度系數(shù)為負值，到了長波截止波長附近則呈正值。6.6 滯后特性當工作電壓或入射光產(chǎn)生變化之后，光電倍增管會有一個幾秒鐘到幾十秒鐘的不穩(wěn)定輸出過程。在達到穩(wěn)定狀態(tài)之前，輸出信號會有些微的過脈沖或欠脈沖現(xiàn)象這個不穩(wěn)定的過程叫做滯后，滯后特性在分光光度測試中應(yīng)予以重視。滯后特性是由于二次電子偏離預(yù)定軌道和電極支撐物、玻殼等的靜電荷引起的。當工作電壓或入射光產(chǎn)生改變時，就會出現(xiàn)明顯的滯后。6.7

15、均勻性均勻性是指入射光照射光陰極的不同位置時的靈敏度變化。盡管光電倍增管在結(jié)構(gòu)、電子軌跡等的設(shè)計上考慮將陰極和倍增極產(chǎn)生的二次電子有效地收集到第一倍增極或下一倍增極上，但在聚焦和放大過程中仍然會有電子偏離預(yù)定軌道，造成收集效率的降低。這種收集效率的降低，受光電子從陰極上發(fā)射出來的位置的影響，從而反應(yīng)出了光電倍增管的均勻性。當然，均勻性也取決于光陰極本身表面鍍層的均勻特點。6.8 時間特性在測試脈沖光信號時，陽極輸出信號必須真實地再現(xiàn)一個輸入信號的波形。這種再現(xiàn)能力受到電子渡越時間、陽極脈沖上升時間和電子渡越時間分散（TTS）的很大影響。時間響應(yīng)特性取決于倍增極結(jié)構(gòu)和工作電壓。7. 光電倍增管分

16、壓器回路設(shè)計本文設(shè)計的弱光檢測電路包括光電倍增管的分壓器回路和光電倍增管陽極微弱電流轉(zhuǎn)換放大電路兩部分。光電倍增管采用北京濱松公司的譜響應(yīng)為300nm-650nm的R105型光電倍增管，R105型倍增管為九級倍增、側(cè)窗型，采用特殊設(shè)計的抗滯后結(jié)構(gòu)，具有極好的輸出穩(wěn)定性，能廣泛適用于分光度設(shè)計、照度計、光密度計等技術(shù)領(lǐng)域。九級倍增的R105型光電倍增管的分壓器回路采用陽極接地，陰極加負高壓的方法，使電流計、電流電壓轉(zhuǎn)換、用運算放大器回路等外部回路和光電倍增管陽極在無電位差情況下易于連接。具體分壓回路如圖7所示，圖中K為光陰極，DY1-DY9為九級電子倍增極，P為陽極。串聯(lián)電阻R1-R10將高壓V

17、h分割成所需要的梯度遞增的倍增電壓。光電倍增管的增益可通過調(diào)節(jié)各倍增極的極間電壓來實現(xiàn)。此外，為了遮蔽雜光，提高對外部電磁場的抗干擾能力，需把光電倍增管放置在金屬屏蔽罩里?；芈分蠭b是分壓器電流，它是流過分壓器回路的電流，和輸出線性有很大的關(guān)系。若R1-R10均相等，在沒有任何光照并且PMT的暗電流為零的理想條件下，分壓器回路可以提供線性遞增的均分偏壓供給各個倍增極。此時 圖7 光電倍增管分壓器回路實際情況是，即使在均相等并且高壓電源Vh穩(wěn)定的條件下，只要陽極電流不為零，得到的偏壓也不是線性線性均分的。因為，各個倍增極的電流要流過分壓電阻鏈，而且越靠近陰極的電阻上流過的電流越大，電阻上的壓降也

18、就越大。由于總電壓是穩(wěn)定的，靠近陰極側(cè)的電阻上壓降增加必然導(dǎo)致靠近陽極側(cè)的電阻上壓降減少，這稱為電壓再分配效應(yīng)。這樣，一方面導(dǎo)致各個倍增極的偏置電壓會隨陽極電流的變化而波動，從而使PMT的總增益發(fā)生波動。另一方面導(dǎo)致偏置電壓的線性均分性受到影響。無論是線性均分的偏置電壓還是非線性的偏置電壓應(yīng)用場合，均希望各倍增極上的偏壓等于設(shè)計值而不要隨陽極電流的變化而發(fā)生波動。因此采用圖7的電壓分配回路，又要保證電壓再分配效應(yīng)引起的倍增極偏置電壓偏離線性增益的程度在1%以內(nèi)，根據(jù)經(jīng)驗，陽極電流Ip的最大值必須在分壓器電流Ib的1%以內(nèi)。8. 微弱電流轉(zhuǎn)換與放大電路的設(shè)計由于光電倍增管陽極輸出的電流比較小，特

19、別是檢測光很微弱的時候，可能是nA級別的微弱電流。本設(shè)計中微弱電流轉(zhuǎn)換與放大電路如圖8所示，由三級運放組成：第一級U1為I/V轉(zhuǎn)換電路，反饋電阻Rf和反饋電容Cf可以通過JP1的跳線進行選擇，根據(jù)需要選擇R12和C4、R15和C5或R16和C8三組中的一組；U2和U3為兩級電壓放大級，各放大10倍左右。由于光電倍增管出來的是負極性電流，因此放大后的電壓Vout為正極性電壓。下面對電路的I/V轉(zhuǎn)換電路和減小干擾的關(guān)鍵點加以說明。 圖8 微弱電流轉(zhuǎn)換與放大電路8.1 I/V轉(zhuǎn)換電路I/V轉(zhuǎn)換電路的作用是將被測的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，如圖8所示。輸入電流Iin即光電倍增管陽極輸出電流，加至運算

20、放大器的反相輸入端，輸出端與反相輸入端之間接高阻值的反饋電阻Rf和反饋電容Cf，運算放大器同相端接地。這樣，第一級運放的輸出V01為：V01=-IinRf=-IpRf(1) 運算放大器的選擇 運算放大器應(yīng)該近似為理想的運算放大器，才能滿足前面的假設(shè)條件，這就要求其開環(huán)放大倍數(shù)和輸入電阻應(yīng)為無窮大，這才能保證輸入端工作電流為零，也要求輸出電阻無窮小，這才能保證輸出電壓不隨下級負載而變；同時還要選擇零點偏移小、溫度漂移小、噪聲電壓小的運算放大器件。(2) 反饋電阻Rf的選擇 輸出電壓既不能太小也不能太大，應(yīng)根據(jù)器件情況選一個合適的值。如果輸出電壓太小，一是容易受到噪聲的干擾，二是會增加下級放大器的

21、負擔。通常要求輸出電壓應(yīng)比運算放大器的噪聲電壓至少大兩個數(shù)量級。如果輸出電壓太大，一是必然要增大反饋電阻Rf，二是增大對運算放大器性能的要求。反饋電阻Rf過大其穩(wěn)定性變差，容易造成干擾，測量時間也變長，同時反饋電阻的選取和測量也變得十分困難。綜上所述，可將I/V轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓設(shè)定在50-100mV之間是比較合適的，然后選擇相應(yīng)的反饋電阻Rf。(3) 反饋電容Cf的選擇對于并聯(lián)負反饋放大器，反饋電阻Rf折算到輸入端的等效輸入電阻Rsf為Rf(1+|k|)-1,反饋電容Cf等效到輸入端時相當于(1+|k|)Cf。設(shè)輸入端的分布電容為C0，Rf兩端的分布電容為Cf0，由于Cf0較小約為1pF左右

22、，C0約為10pF左右，而反饋電容Cf取值通常為幾十到幾百pF，以及|k|1，輸入端總的等效輸入電容Csf=(1+|k|)(Cf+Cf0)+C0(1+|k|)Cf，輸入端的時間常數(shù)=RsfCsf=RfCf。由于輸入端輸入電阻和電容的積分作用，當有信號輸入或變化時，輸出信號要經(jīng)過5倍時間常數(shù)才能達到穩(wěn)定，即為測量時間。如果Rf=1M，Cf=10pF，則達到穩(wěn)定輸出所需的時間0.05ms。反饋電容Cf起積分作用，可抑制或平滑噪聲的干擾。Cf越大，抑制噪聲的能力就越強，但要降低響應(yīng)速度，要權(quán)衡考慮取其值。8.2 減小干擾的措施減小干擾對微弱電流的放大很有必要，其干擾源來自多方面，有點來自器件本身，有的來自外部。除了選擇穩(wěn)定性好、噪聲小的器件外，在電路上和工藝上采取以下措施。(1) 電源退耦濾波 在每個運算放大器的正負電源端都串加一個RC退耦濾波節(jié)，其作用