光电倍增管

定位与用途

光电倍增管（Photo-Multiplier Tube，PMT）属于外光电效应型光电器件。普通真空光电管在入射光很微弱时产生的光电流只有零点几微安甚至更小，难以探测；光电倍增管在光电管结构基础上加入多级倍增极，对阴极发出的光电子流进行逐级放大，从而获得可测的阳极电流。它是灵敏度极高、响应速度极快的光探测器，输出信号在很大范围内与入射光子数成线性关系。

结构与级联关系

光电倍增管主要由三部分组成：

• 光阴极（K）：涂有光电材料，受光照后因外光电效应发射光电子；
• 倍增极（次阴极）E1、E2、…、En：用次级发射材料制成，在具有一定能量的电子轰击下能发射更多次级电子；
• 阳极（A）：最后收集电子，输出电流或电压脉冲。

使用时在各倍增极上依次加电压：阴极电位最低，从阴极起各倍增极电位依次升高，阳极电位最高。相邻两倍增极之间的电位差形成加速电场，使电子在极间被加速后轰击下一极。

倍增原理与倍增系数

从阴极发出的光电子经电场加速打到第一倍增极，引起二次电子发射，每个入射电子可打出 3～6 个次级电子；这些次级电子再加速打到第二倍增极，电子数又增加 3～6 倍。如此逐级倍增，阳极最后收集到的电子数可达阴极发射电子数的 10^5～10^8 倍。

若各倍增极的二次电子发射系数 δ 相同，倍增极数为 n，则阳极电流

其中 i 为光电阴极发出的初始光电流（单位 A），I 为阳极电流（单位 A），δ 为倍增极的电子发射系数（无量纲），n 为倍增极数（一般 9～11 个）。电流放大倍数即倍增系数

倍增系数 M 与所加电压有关，反映倍增极收集电子的能力，一般在 10^5～10^8 之间。电压波动会引起倍增系数波动。阳极与阴极之间总电压、倍增极级数和各级电压分配均与管型及分压方案有关；不能把 1000～2500 V 总压、9～11 级与固定 50～100 V 级压作为同一通用设计规格。

主要参数

• 光电阴极灵敏度：需区分量子效率与灵敏度。量子效率是一个入射光子所能激发的平均光电子数（无量纲）；阴极辐射灵敏度是光电流与入射辐射功率之比（A/W）；阴极光度灵敏度是光电流与入射光通量之比（A/lm）。
• 光子到阳极电子数是量子效率与倍增增益的乘积；以A/lm计的总灵敏度则是阳极电流与入射光通量之比，与加速电压有关；光电倍增管最大灵敏度可达 10 A/lm，极间电压越高灵敏度越高，但电压过高反而使阳极电流不稳。
• 暗电流：无光信号输入时，加上电压后阳极仍有电流。正常应用情况下暗电流很小，其数值随管型、增益、温度和工作电压差异很大，不能作为通用阳极暗电流范围；暗电流主要由热电子发射引起，随温度升高而增加；欧姆漏电（电极间玻璃漏电、管座漏电、灰尘漏电等）和残余气体放电也会影响暗电流。暗电流的直流平均分量或缓慢漂移通常可用补偿电路扣除，但补偿不能消除暗电流产生的随机散粒噪声。
• 光谱特性：与相同材料的光电管光谱特性相似，主要取决于光阴极材料。

使用条件与限制

由于灵敏度极高，光电倍增管不能受强光照射，否则易被损坏，一般放在暗室中避光使用，只对入射光起作用。它适用于微弱光、高能物理等需要高灵敏度和快响应的探测场合。