光電倍增管特性參數(shù)的測(cè)試

光電倍增管特性參數(shù)的測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤怆姳对龉艿幕咎匦?。學(xué)習(xí)光電倍增管基本參數(shù)的測(cè)量方法。學(xué)會(huì)正確使用光電倍增管。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容暗電流的測(cè)量陰極靈敏度的測(cè)量陽(yáng)極靈敏度的測(cè)量光電倍增管放大倍數(shù)的測(cè)量光電倍增管光電特性的測(cè)量三、實(shí)驗(yàn)儀器光電倍增管實(shí)驗(yàn)儀1臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)原理1、工作原理光電倍增管是一種真空光電器件，它主要由光入射窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極和陽(yáng)極組成。其工作原理為：(1)光子透過(guò)入射窗入射到光電陰極上；(2)光電陰極上的電子受光子的激發(fā)，離開(kāi)表面發(fā)射到真空中；(3)光電子通過(guò)電場(chǎng)加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極上，倍增極將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次光電子;(4)入射電子經(jīng)N級(jí)倍增極倍增后，光電子就放大N次；(5)經(jīng)過(guò)倍增后的二次電子由陽(yáng)極收集起來(lái)，形成陽(yáng)極光電流，在負(fù)載上產(chǎn)生信號(hào)電壓。2、供電分壓器和輸出電路從光電陰極到陽(yáng)極的所有電極用串聯(lián)的電阻分壓供電，使管內(nèi)各極間能形成所需的電場(chǎng)。光電倍增管的極間電壓的分配一般由圖二所示的串聯(lián)電阻分壓器執(zhí)行的，最佳的極間電壓分配取決于三個(gè)因素：陽(yáng)極峰值電流，允許的電壓波動(dòng)以及允許的非線性偏離。光電倍增管的極間電壓可按前極區(qū)，中間區(qū)和末極區(qū)加以考慮。前極區(qū)的收集電壓必須足夠高，以使第一倍增極有高的收集率和大的次極發(fā)射系數(shù)，中間級(jí)區(qū)的各級(jí)間通常具有均勻分布的極間電壓，以使管子給出最佳的增益。由于末極區(qū)各極，特別是末極區(qū)取較大的電流，所以末極區(qū)各極間電壓不能過(guò)低，以免形成空間電荷效應(yīng)而使管子失去應(yīng)有的直線性。當(dāng)陽(yáng)極電流增大到能與分壓器電流相比擬時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致末極區(qū)間電壓的大幅度下降，從而使光電倍增管出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性。為防止極間電壓的再分配以保證增益穩(wěn)定，分壓器電流至少為最大陽(yáng)極電流的10倍。對(duì)于直線性要求很高的應(yīng)用場(chǎng)合，分壓器電流至少為最大陽(yáng)極平均電流的100倍。確定了分壓器的電流，就可以根據(jù)光電倍增管的最大陽(yáng)極電壓算出分壓器的總電阻。再按適當(dāng)?shù)臉O電壓分配。由總電阻計(jì)算出分壓電阻的阻值。光電倍增管輸出的是電荷，且其陽(yáng)極可以看成是一個(gè)理想的電流發(fā)生器來(lái)考慮。因此，輸出電流與負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)。但實(shí)際上，對(duì)負(fù)載的輸入阻抗卻存在著一個(gè)上限。因?yàn)樨?fù)載電阻上的電壓降明顯地降低了末極倍增管與陽(yáng)極之間的電壓。對(duì)于直流信號(hào)，光電倍增管的陽(yáng)極能產(chǎn)生達(dá)數(shù)十伏的電壓輸出。因此可以使用大的負(fù)載電阻。電倍增管的特性和參數(shù)光電倍增管的特性參數(shù)包括靈敏度、電流增益、光電特性、陽(yáng)極特性、暗電流等。下面介紹本實(shí)驗(yàn)涉及到的特性和參數(shù)。1）靈敏度靈敏度是衡量光電倍增管探測(cè)光信號(hào)能力的一個(gè)重要參數(shù)，一般是指積分靈敏度，其單位為uA/Lm。光電倍增管的靈敏度一般包括陰極靈敏度、陽(yáng)極靈敏度。2）陰極光照靈敏度SK陰極光照靈敏度SK是指光電陰極本身的積分靈敏度。定義為光電陰極的光電流Ik除以入射光通量Φ所得的商光照度E陰極K面積為A光照度E陰極K面積為AG-VH光電倍增管陰極靈敏度的測(cè)量原理如圖所示。入射到陰極K的光照度為E，光電陰極的面積為A，則光電倍增管接受到的光通量為由式可以計(jì)算出陰極靈敏度。入射到光電光電陰極的光通量不太大，否則由于光電陰極層的電阻損耗會(huì)引起測(cè)量誤差。光通量也不能太小，否則由于歐姆漏電流影響光電流的測(cè)量精度，通常采用的光通量的范圍為10-5～10-2Lm。3）陽(yáng)極光照靈敏度SA陽(yáng)極光照靈敏度SA定義是指光電倍增管在一定工作電壓下陽(yáng)級(jí)輸出電流與照射陰極上光通量的比值4）放大倍數(shù)(電流增益)G放大倍數(shù)G(電流增益)定義為在一定的入射光通量和陽(yáng)極電壓下，陽(yáng)極電流IA與陰極電流IK間的比值。由于陽(yáng)級(jí)靈敏度包含了放大倍數(shù)的貢獻(xiàn)，于是放大倍數(shù)也可以由在一定工作電壓下陽(yáng)極靈敏度和陰極靈敏度的比值來(lái)確定，即放大倍數(shù)G取決于系統(tǒng)的倍增能力，因此它是工作電壓的函數(shù)。5）暗電流Id當(dāng)光電倍增管在完全黑暗的情況下工作時(shí)，在陽(yáng)極電路里仍然會(huì)出現(xiàn)輸出電路，稱(chēng)為暗電流，暗電流與陽(yáng)極電壓有關(guān)，通常是在與指定陽(yáng)極光照靈敏度相應(yīng)的陽(yáng)極電壓下測(cè)定的。引起暗電流的因素有：熱電子發(fā)射，場(chǎng)致發(fā)射、放射性同位素的核輻射，光反饋、離子反饋、極間漏電等。高壓供電與信號(hào)輸出為了使光電倍增管能正常工作，通常在陰極和陽(yáng)級(jí)間加上近千伏的高壓。同時(shí)，還需在陰極、倍增極和陽(yáng)極間分配一定的電壓，保證光電子能被有效地收集，光電流通過(guò)倍增系統(tǒng)得到增大。光電倍增管的供電方式有兩種，即負(fù)高壓接法(陰極接電源負(fù)高壓，電源正端接地)和正高壓接法(陽(yáng)極接電源正高壓、而電源負(fù)端接地)IpIpRf-VHVIp負(fù)高壓的優(yōu)點(diǎn)是便于與后面的放大器連接，且即可以直流輸出，又可以交流輸出，操作安全方便。缺點(diǎn)是玻殼的電位與陰極電位接近，屏蔽罩應(yīng)至少離開(kāi)玻殼1～2cm。否則，由于靜電屏蔽的寄生影響，暗電流與噪聲都會(huì)增大。五、注意事項(xiàng)1、光電倍增管對(duì)光的響應(yīng)極為靈敏。因此，在沒(méi)有完全隔絕外界干擾光的情況下，切勿對(duì)管施加工作電壓，否則會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)倍增極的損壞；2、即使管子處于非工作狀態(tài)，也要盡可能減少光電陰極和倍增極的不必要爆光，以免對(duì)管子造成不良影響；3、測(cè)量陰極電流時(shí)，加在其間的電壓不可超過(guò)50V，否則容易燒壞光電倍增管。六、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容準(zhǔn)備步驟：用同軸電纜將光電倍增管暗箱的“PMT輸出”接口與光電倍增管實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)箱上的“PMT輸入”接口相連，用同軸電纜將光電倍增管暗箱上的“高壓輸入”接口與實(shí)驗(yàn)箱上的“高壓輸出”接口相連，用同軸電纜將照度計(jì)探頭與實(shí)驗(yàn)箱上的“照度計(jì)輸入接口”相連，將所有旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到最小。注意：1、從光電倍增管拿下光源前，或進(jìn)行陰極電流和陽(yáng)極電流測(cè)量切換時(shí)，一定要將光電倍增管直流高壓調(diào)至零！2、本實(shí)驗(yàn)采用的光電倍增管的受光面積為24mm×8mm1、暗電流測(cè)量（用擋光片）1）將電壓調(diào)節(jié)逆時(shí)針調(diào)到最小，陰極(陽(yáng)極)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)到陽(yáng)極位置，光源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，然后打開(kāi)實(shí)驗(yàn)箱電源開(kāi)關(guān)。2）將實(shí)驗(yàn)箱上的“HV/LV”開(kāi)關(guān)打到“HV”檔，將“靜態(tài)特性測(cè)試/時(shí)間特性測(cè)試”開(kāi)關(guān)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)靜態(tài)/時(shí)間開(kāi)關(guān)）打到“靜態(tài)特性測(cè)試”檔。3）緩慢調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)旋鈕至電壓表顯示為1000V，記下此時(shí)電流表的顯示值，該值即為光電倍增管在1000V時(shí)的暗電流；4）將高壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零；2、陽(yáng)極靈敏度測(cè)量（用擋光片）1）將電壓調(diào)節(jié)逆時(shí)針調(diào)到最小，將光電倍增管上的“陽(yáng)極/陰極”開(kāi)關(guān)打到“陽(yáng)極電流”檔；2）將實(shí)驗(yàn)箱上的“HV/LV”打到“HV”檔，將“靜態(tài)/時(shí)間”開(kāi)關(guān)打到“靜態(tài)特性測(cè)試”檔；將光源與照度計(jì)探頭旋接，并與實(shí)驗(yàn)箱上的“LED2”相連。連接完畢后，將光照度調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零，按下照度表的換檔開(kāi)關(guān)將照度表的量程調(diào)節(jié)到20lx3）緩慢光照度調(diào)節(jié)旋鈕，將照度值調(diào)節(jié)到0.1lx；4）緩慢調(diào)節(jié)高壓調(diào)節(jié)旋鈕，當(dāng)電壓分別為100V、200V、300V、400V、500V、600V、700V、800V、900V、1000V時(shí)記下陽(yáng)極電流值；5）將高壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零；將光照度調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零；6）畫(huà)出該光照度下的IA—V關(guān)系曲線。3、陰極靈敏度測(cè)量（用通光片）1）將實(shí)驗(yàn)箱上的“HV/LV”開(kāi)關(guān)打到“LV”檔；將實(shí)驗(yàn)箱上的“靜態(tài)/時(shí)間”開(kāi)關(guān)打到“靜態(tài)特性測(cè)試”檔；將暗箱上的“陰極/陽(yáng)極”開(kāi)關(guān)打到“陰極電流”檔；2）將光源與照度計(jì)探頭旋接，并與實(shí)驗(yàn)箱上的“LED2”相連。連接完畢后，將光照度調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零，按下照度表的換檔開(kāi)光將照度表的量程調(diào)節(jié)到20lx3）調(diào)解光照度調(diào)節(jié)旋鈕使得照度表顯示為10lx。4）保持光照度調(diào)節(jié)旋鈕不變，將光源與照度計(jì)探頭分開(kāi)；再將光源旋接在光電倍增管暗箱上；緩慢從零增加電壓，每隔1V紀(jì)錄對(duì)應(yīng)的電流值（0~30V）。繪出電壓與電流之間的關(guān)系曲線，并找出曲線趨于飽和的電流值IK。5）將高壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零；將光照度調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到零；6）按照公式計(jì)算陰極靈敏度。4、光電倍增管增益(放大倍數(shù))的計(jì)算1）計(jì)算光照度為0.1lx時(shí)，陽(yáng)極電壓分別為500V、600V、700V、800V、900V和1000V時(shí)的放大倍數(shù)；2）畫(huà)出該光強(qiáng)下的G~V曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行分析。5、光電倍增管光電特性測(cè)量（用擋光片）1）將實(shí)驗(yàn)箱上的“靜態(tài)/時(shí)間”開(kāi)關(guān)打到“靜態(tài)特性測(cè)試”檔；將暗箱上的“陰極/陽(yáng)極”開(kāi)關(guān)打到“陽(yáng)極電流”檔；將實(shí)驗(yàn)箱上的“HV/LV”開(kāi)關(guān)打到“HV”檔；2）將光源與光