实验指导书-光电倍增管特性参数及测量

光电倍增管特性参数及其测量

  光电倍增管是的光电传感器件，其暗电流、信噪比、灵敏度和时间响应等特性都具有*的特点，是非常优秀的一类光电器件。掌握光电倍增管的主要特性与参数对微弱辐射的探测具有非常重要的意义。

1. 实验目的

通过本实验，了解掌握光电倍增管的暗电流、信噪比、灵敏度和增益等特性及其测量方法，为应用光电倍增管对微辐弱射的探测奠定基础。

2. 实验器材

①　MXY8101 光电倍增管综合实验仪1台；

②　耐高压连接线10只；

3. 基础知识

（1）光电倍增管工作原理

光电倍增管属于真空光电传感器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子聚焦系统、倍增电极和阳极5部分构成，光电倍增管有多种结构类型，典型光电倍增管如图1.40-1所示，为侧窗圆形鼠笼式光电倍增管。其工作原理分下面5部分：

① 光子透过入射窗口玻璃入射到玻璃内层光电阴极上，窗口玻璃的透过率满足光电倍增管的光谱响应特性；

② 进入到光电阴极上的光子使光电阴极材料产生外光电效应，激发出电子，并飞离表面到真空中，称其为光电子；

③ 光电子通过电场加速，并在电子聚焦系统的作用下射入到第一倍增极D₁上，D₁发射出的光电子数目是入射光电子数目的δ倍，这些二次光电子又在电场作用下射入到下一倍增极；

④ 入射光电子经N级倍增后，电子数就被放大δ^N倍，图1.40-1所示的倍增管共有8级，即N=8；

⑤ 经过倍增后的电子由阳极收集起来，形成阳极电流，在负载上产生压降，输出电压信号U_o。

（2）光电倍增管的基本特性参数

光电倍增管的特性参数如下。

①光电灵敏度

光电灵敏度是光电倍增管探测光信号能力的一个重要标志，通常分为阴极灵敏度S_k与阳极灵敏度S_a。它们又可分为光谱灵敏度与积分灵敏度。光电倍增管的阳极光谱灵敏度常用S_a，λ表示，阳极积分灵敏度常用S_a表示，其量纲为A/lm。

②阴极光谱灵敏度S_k,λ

S_k，λ定义为阴极电流与入射光谱光通量之比

③阴极积分灵敏度S_k

S_k定义为阴极电流与入射光通量（积分）之比

④阴极灵敏度的测量

光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图1.40-2所示。入射到阴极K的光照度为E_v，光电阴极的面积为A，则光电倍增管所接收到的光通量φ_v为

通过测量入射到PMT光敏面上的照度得到入射光通量，将式(1.40-3)代入式（1.40-2），便可得到阴极灵敏度S_k ，如果入射光为单色，则所测量出来的阴极灵敏度为光谱灵敏度；而入射光为白色，则所测量出来的阴极灵敏度为积分灵敏度。

入射到光电阴极的光通量由LED发光二极管提供，用LED发光二极管很容易提供各种颜色的“单色光"，可以近似地将其看作光谱辐射量，在实验前计算出

入射到阴极面上的光照度，再测出LED光源出光口的面积时，便很容易计算出它发出的光通量。实验中常用的光通量为2×10^-5～2×10^-2lm范围。

⑤阳极光照灵敏度S_a

S_a定义为光电倍增管在一定的工作电压下阳级输出电流I_a与入射到光电阴极上光通量φ（或照度E_k）之比

⑥电流放大倍数(增益)G

G定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流I_a与阴极电流I_k之比，即

由于阳级灵敏度为PMT增益与阴极电流之积，因此，增益又可表示为

G描述了光电倍增管系统的倍增能力，它是工作电压的函数。

⑦暗电流I_d

当光电倍增管处于隔绝辐射的暗室中时，其阳极输出电流称为暗电流。暗电流与光电倍增管的供电电压U_bb有关，因此必须首先确定U_bb，才能测定它的暗电流I_d。引起暗电流的主要因素有：欧姆漏电、热电子发射、场致发射、玻璃荧光与玻壳放电等。

（3）光电倍增管的供电电路

光电倍增管的供电电路常采用如图1.40-3所示的电阻链分压结构。它由N+1个电阻串联而成，其中N为光电倍增管的倍增极数。设流过串联电阻的电流为I_R，则每个电阻上的压降为电流I_R与电阻R_i的乘积，因此，加在光电倍增管倍增极上的电压为U_di=I_RR_i+1。

为确保流过电阻链中每个电阻的电流I_R都近似相等，应满足关系

I_R≥10I_am           （1.40-8）

光电倍增管的输出电流I_a，在负载电阻R_a上产生的压降为输出电压信号Uo，即

U_o=I_aR_a            （1.40-9）

光电倍增管的供电方式有两种，即负高压接法(阴极接电源负高压，电源正端接地)和正高压接法(阳极接电源正高压、而电源负端接地)。采用正高压接法的特点是可使屏蔽光、磁、电的屏蔽罩直接与光电倍增管的玻璃壳相连，使之成为一体，因而屏蔽效果

好，暗电流小，噪声低。但是，这时的阳极处于正高压，使后面的处理电路难于连接。交流输出信号时虽然可以采用高压隔离电容进行隔离，但是会导致寄生电容增大；如果是直流输出，则不仅要求传输电缆能承受高压，而且后级的直流放大器也处于高电位状态工作，会产生一系列的不便，危险性也增大。

负高压接法的优点是阳极电位低，便于与后面的放大器连接，如图1.40-4所示，Ua直接与直流放大器相连，又可以通过电容只输出交流信号。使用操作安全又方便。负高压接法的缺点是玻璃壳的电位与阴极电位接近，为负高压，玻璃壳与屏蔽罩之间的电场很高，为降低它们之间的电场，防止玻璃壳放电的发生，必须使它们分离1～2cm。

4.实验步骤

（1） 熟悉光电倍增管实验仪

MXY8101光电倍增管综合实验仪的特点是：

①仪器内部暗室里安装有GDB221型圆形鼠笼式8倍增级的光电倍增管；        

②实验光源为可切换发光颜色的LED灯，灯的亮度能够通过电位器进行调整；

③仪器面板上装有独立电源的数字电表可供实验应用，第一块电压表的量程是2000V；第二块电压表的量程是200V；

④两块电流表为0.2mA、2 mA，基本满足实验过程所用。

⑤仪器面板上还安装有高压电源的调压旋钮（左面第一个），能够调整光电倍增管实

验所用的负高压电源的电压，逆时针旋转电压降低，顺时针旋转电压增高

⑥面板上还安装了光源亮度的调整旋钮，同样，顺时针旋转亮度增强。

MXY8101光电倍增管综合实验仪的外形图如图1.40-5所示，采用内置式光学系统的方式，避免了杂散光的干扰，使实验时能够达到暗室的效果。打开上盖后，可以看到光电倍增管安装在左侧黑色屏蔽壳体中，光源和探测装置安装在右侧黑色方块上，其前面是测量光源照度的探测器，后面是LED光源。黑色方块与光电倍增管阴极面由黑色细管连接，黑色方块的右侧为外接被测光源的接入口，能够通过光纤将被测光导入。

仪器表面上分别安装了实验过程所需要的各种数字仪表和必须用到的部件。如内部光源的控制部件和光电倍增管的连接线等。下面分别叙述如下：光源的发光颜色切换开关安装在仪器面板的最右侧，下面标有“光源切换"字样，按动按键，旁边的“光源指示"灯将发出与内部光源同样颜色的指示光，标志着光电倍增管接收光的颜色。光强度的调整由左侧第2个旋钮完成，其下方标有“光源亮度调整"字样。

MXY8101光电倍增管综合实验仪的下面安装有2个开关，右侧是仪器的电源总开关，左面是实验仪光源的“光源开关"，为测量光电倍增管暗电流，需要暂时关闭光源。面板上还安装有6个插孔并分别在其上方标有字符，注明其功能。 “－E"为负高压电源输出端，它与“GND"插孔之间的电压为负高压（可由“高压调整"旋钮调整）；“K"为光电倍增管的阴极引出插孔；“D1"为光电倍增管第1倍增极的引出端，“DN"为光电倍增管最末一极倍增极（即第8极）的引出端；“A"为光电倍增管的阳极引出端。上述插孔是光电倍增管特性参数测量过程中实现图1.40-2至1.40-4电路图的关键。

（2） 暗电流测量实验步骤

①先将光电倍增管实验仪取出，仔细观察仪器的外接端口的定义。尤其注意其上的开关、调节旋钮、插座和配件的名称与意义；MXY8101 光电倍增管综合实验仪外形如图1.40-5所示，其主要电极有阴极K，第一倍增极D1，末极倍增极DN（第8级），阳极A，负高压电源-E和电源地GND等外接端口；

②在连接电源或打开电源开关前要检查光源开关是否处于关闭状态，高压调整旋钮是否旋到最小值。

③在实验面板上找到阴极K、阳极A、第一倍增极D₁与地GND等接线插孔和光源开关、高压电压调整旋钮、光源调整旋钮等重要部件，然后按图1.40-6连接测量电路；

④用装有100K电阻的连接线将阴极K与第一倍增极D₁相连，在阳极A与GND之间串入0.2mA电流表（A接电流表的负极，GND接电流表的正极），用来读取阳极电流(若超量程可选用2mA电流表)；

⑤再将高压电源的电压调整旋钮逆时针旋至位置，然后用连接线将“－E"插孔和倍增管的阴极K插孔相连接，在“－E"和“GND"之间并入2000V高压表（“－E"接高压表正极，“GND"接高压表负极）；

⑥打开光电倍增管实验仪的电源开关，观察到数字电流表的示值应为零值（阳极电流I_a为0），然后再调整“高压调整"旋钮，使高压表的电压逐渐增高，待增高到微安表有有效读数时停止，读出此时的电压值与阳极电流值；

⑦然后，再缓慢调节高压电源，观测高压表的示值，当它们分别为-100V、-200V、-300V、-400V、-500V、-600V、-700V和-800V时记录阳极暗电流，它即为光电倍增管在不同工作电压下的暗电流I_D值；

⑧将所测得的数据填入表1.40-1；

表1.40-1光电倍增管暗电流测量值

⑨在直角坐标系中画出I_d~V关系曲线；分析光电倍增管阳极暗电流与供电电源电压之间的关系；

⑩将高压调整旋钮调到最小后再关闭实验仪的总电源。

（3） 测量PMT的阳极电流灵敏度Sa的实验步骤

①检查光电倍增管实验仪的接线端是否已经按照测量暗电流的接法接好；再检查高压电源调整旋钮和光源调整旋钮是否已经都逆时针旋到底；打开电源，打开光源开关，按下光源切换开关，使光源为绿色，调整光源亮度调整旋钮使照度示数为0.5*10lx。再按照表1.40-2中的规定数值将电源电压U_bb分别调整为-100V、-200V、-300V、-400V、-500V、-600V、-700V、-800V，记录下当前工作电压下的倍增管阳极电流I_a（随着电流升高，可自行更换更大量程的电流表，防止电流表因超量程而损坏），求出Sa填入表1.40-2；

②再按照表1.40-2中的照度值调整照度分别为1*10lx、1.5*10lx、2*10lx、2.5*10lx、3*10lx，分别测量在当前照度下不同电压下的阳极电流I_a和阳极灵敏度Sa；

③ 实验仪的光学系统中，光源经过玻璃反射到光电倍增管阴极面的光照度为光源照度的10%，经过玻璃透射到照度探测装置上的光照度为光源照度的90%，因此反射到光电倍增管阴极面的光照度Ek为透射到照度探测装置上的照度E（照度计上显示的数值）的1/9。这样就能够计算出光电倍增管阴极面的受光照度E_K，带入式   （μA/lx）计算出光电倍增管的阳极灵敏度。不同颜色的光源照度是不一样的，同学们可以自行设计测量其他颜色光源阳极灵敏度的表格并进行测量。

④将所测的数据在直角坐标中找到对应点，将这些点连接起来构成光电倍增管阳极灵敏度与电源电压的关系曲线，从中鲜明地看出它们之间的关系。

⑤实验完成后，先将高压电源调整电位器逆时针旋转到底，再关闭总电源；

表1.40-2光电倍增管阳极灵敏度的测量

（4）测量PMT的增益G

根据增益的定义，可以用如图1.40-7所示的测量电路对光电倍增管的增益G进行测量。具体测量步骤如下：

①确认电源已经关闭后，将光电倍增管按图1.40-7或图1.40-8所示连接，具体步骤如下：分别将“－E"与“GND"接到2000V高压表的红、黑插座上，将阴极K插孔用连线接到0.2mA电流表的“+"插孔，再将电流表的“－"插孔与“－E"相连接，用来测量阴极电流I_k；用装有100K电阻的连接线将“－E"与“D1"连接，；将阳极“A"与2mA电流表的“－"插孔相连，电流表的“+"插孔与GND相连接，用来测量阳极电流I_a；

②先将光源亮度调整旋扭逆时针旋转到底，然后将总电源开关闭合，打开光源开关，按下光源切换开关，使光源为蓝色；

③将高压电源电压调节旋钮顺时针旋转，边旋边看高压表，待增高到表1.40-3规定电压值时，停止旋转，测量在当前高压电源电压下I_k、I_a值；调节光源的照度，使I_k、I_a的读

数值适合观测；然后，再改变电源电压值，再重复测量I_k、I_a的值，并将测得的值填入表1.40-3；

④将表1.40-3中的数据填在直角坐标中，并画出曲线，分析光电倍增管的增益G与电源电压U_bb的关系；

⑤改变光源照度，重新测量，观察增益变化。

⑥改变光源颜色，重复上述操作，观察不同颜色光源下增益变化。

表1.40-3光电倍增管增益与电源电压的关系

（5）阳极输出电压测量

①确认电源已经关闭后，按图1.40-9连接电路。用装有100K电阻的连接线将K插孔与D1插孔相连接，在-E与GND之间并入2000V电压表（-E接电压表正极，GND接电压表负极），用来测量供电电压Ubb，再将K与-E相连。

②用装有82K电阻的连接线将A和GND连接，并在阳极A与GND之间并入200V电压表（GND接电压表正极，阳极A接电压表负极），用来测量阳极输出电压。

③完成电路连接后，将高压调整旋扭和光源亮度调整旋钮逆时针旋转到底，打开电源，关闭光源，顺时针调节高压调整旋钮，使2000V电压表示数为表1.40-4要求值，记录下无光状态下不同供电电压下的输出电压，填入表1.40-4。

④将高压调整旋扭逆时针旋转到底，打开光源，按下光源切换开关，调整光源为白色，顺时针调节高压调整旋钮，使2000V电压表示数为表1.40-4要求值，记录当前供电电压下的输出电压，填入表1.40-4。

⑤更换光源颜色，重复上述操作，观察阳极输出电压变化。

⑥调整光源亮度，重复上述操作，观察阳极输出电压变化。

表1.40-4

光电倍增管测量微弱辐射的强度利用如图1.40-4所示的电路测量微弱辐射强度实验时应该先将被测辐射通过仪器内部右侧的黑色方块右边的如图1.40-10所示的“接入装置"接入到仪器（可以利用接入装置的M8×1螺纹将外接被测辐射接入），然后再开机进行实验。实验时内部光源应该处于关断状态。若使用如图1.40-4所示电路的放大器，要注意

放大倍率的调整与标定，既要使输出电压的幅度便于观察又要满足动态范围的要求。显然，MXY8101 光电倍增管综合实验仪在设计上采用内置式光学系统避免了杂散光和强光的照射，因此在光电倍增管不工作的情况下，可以将光电倍增管屏蔽盒的上盖拧下来，观看光电倍增管的结构。

5. 关机与结束

① 将所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新作上述实验；若合理，可以关机；

② 最后，将所用的配件放回配件箱；将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。