光电倍增管试验报告

梧州学院学生实验报告 专业班级—学号：_姓名： ___ 成绩：______________ 实验名称：光电倍增管特性参数实验 同组成员: 实验时间: 实验课程光电信息实验 实验组号 第二大组 实验地点 应用物理实验室 实验目的 掌握光电倍增管结构以及工作原理 ，掌握光电倍增管基本参数的测量方法 光电倍 实验仪器 增管综合实验仪、光通路组件、光照度计 实验原理 光电倍增管（PMT是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增 管如图2-1和图2-2所示，在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增 极和电子收 集极邙日极）的器件。当光照射光电倍增管的阴极k时，阴极向真空中激发出光电 子（一次激发），这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，由倍增电极激发的电子（二次激发） 被下一倍 增极的电场加速，飞向该极并撞击在该极上再次激发出更多的电子，这样通过逐级的 二次电子发射得到倍 增放大，放大后的电子被阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍 增系统，光电倍增管在可以探测 到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极 高的灵敏度和极低的噪声。光电倍增管还有 快速响应、低本底、大面积阴极等特点 本实验仪采用的端窗型光电倍增管来设计结构。端窗型（也称作顶窗型）光电倍增管在其 入射窗的内 表面上沉积了半透明光阴极（透过式光阴极） 第-信if! 楼 £ i ---- ―— ! f ]\ J fit “ n 弟”倍瞻慢 tn® S IMUW 图 2-1 端窗型光电倍增管剖面图 A \_____ -走址 图 2-2端窗型光电倍增管剖面图B 阴极光照灵敏度&是指光电阴极本身的积分灵敏度。测量时光电阴极为一极，其它各电极 连在一起为 另一极，在其间加上100300V电压，如图2-3所示。照在阴极上的光通量通常选 在10-9-10-2lm的数量级，因为光能量过小会由于漏电流的影响而使光电流的测量准确度下降， 而光能量过 大也会 引起测 量误差 0 光照度 -V H 图 2-3 光电倍增管阴极灵敏度测量 光电倍增管的特性参数包括灵敏度、电流增益、光电特性、阳极特性、暗电流、时间响应 特性、光谱 特性等等。下面介绍本实验涉及到的特性和参数。 （1）灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数，一般是指积分灵敏度，即白光 灵敏度，其 单位为uA/Lm光电倍增管的灵敏度一般包括阴极灵敏度、阳极灵敏度。 ①阴极灵敏度 *反映的是阴极的光电转换效率，与入射光量呈线性关系 阴极光照灵敏度S是指光电阴极本身的积分灵敏度。定义为光电阴极的光电流 光通量①所得的商 Sk= I K / (」A/Lm)(1) ） Ik除以入射 光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图2-3所示。入射到阴极K的光照度为E,光电阴极 的面积为A, 则光电倍增管接受到的光通量为 =E A(2) 由式(1)(2)可以计算出阴极灵敏度。 入射到光电光电阴极的光通量不能太大，否则由于光电阴极层的电阻损耗会引起测量误差。 光通量也 不能太小，否则由于欧姆漏电流影响光电流的测量精度，通常采用的光通量的范围为10-5 10-2Lm ②阳极光照灵敏度Sp(反映的是倍增管的电子增益能力，与入射光量呈线性关系) 阳极光照灵敏度SP 是指光电倍增管在一定工作电压下阳级输出电流与照射阴极上光通量的 比值 Sp= Ip/ (A/Lm) (3) (2) 放大倍数(电流增益)G 光阴极发射出来的光电子被电场加速撞击到第一倍增极，以便发生二次电子发射，产生多 于光电子数 目的电子流。这些二次电子发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极产生又一次 的二次电子发射，连续 地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集，从而达 到了电流放大的作用。这时可以观 测到，光电倍增管的阴极产生的很小的光电子电流，已经被 放大成较大的阳极输出电流。 放大倍数G(电流增益)定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流I P 与阴极电流 I K 间的比值。 G=IP/IK(4) 放大倍数G主要取决于系统的倍增能力，因此它也是工作电压的函数。由于阳级灵敏度包 含了放大倍 数的贡献，于是放大倍数也可以由在一定工作电压下阳极灵敏度和阴极灵敏度的比 值来确定，即 G = SP / SK(5) (3) 阳极伏安特性 当光通量①一定时，光电倍增管阳极电流 IA和阳极与阴极间的总电压 VH之间的关系为阳极 伏安特性。 如图2-4所示，光电倍增管的增益G与二次倍增极电压E之间的关系为 G=(bE)n(6) 其中n为倍增极数；b为与倍增极材料有关的常数。所以阳极电流 IA随总电压增加而急剧 上升。使用 管子时注意阳极电压的选择。 实验内容与步骤： 将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连(红为正极，黑为 负极)，将照度计电 源线与面板上的“照度计电源”输出正负极对应相连(红为正极，黑为负 极)，将光源调制单元J4与光通路 组件光源接口使用彩排数据线相连， 将电流检测单元的电流 输入与光电倍增管的信号输出使用屏蔽线连接 起来，电路板上的 高压输出与光电倍增管结构上 的高压输入使用屏蔽线连接起来。 将“电流检测单元”上两刀三掷开关BM1拨到“电流测试”，“光源驱动单元”的三 掷开关BM2 拨到“静态特性”，将S1拨向上，其它拨位开关均拨下。 将电路板上“光照度调节”电位器和“高压调节”电位器逆时针旋转调到最小值。 1、光电倍增管阴极灵敏度测试实验 (1) 将面板上的右下角开关拨到“阴极测试”，结构件上阴阳极切换开关拨至“阴极”。 (2) 接通电源，打开电源开关，将照度计拨到200LX档。此时，发光二极管D1(白光)发 光，其它 均不亮。电流表显示“000”，高压电压表显示“000”，照度计显示“0.00”。 (3)缓慢调节“光照度调节”电位器， 使照度计显示值为1LX,保持光照度不变，缓慢调 节电压调节旋钮至电压表显示为80V,记下此时电流表的显示值，该值即为光电倍增管在相应 电压下时的阴极电流。 (4) 将高压调节旋钮及光照度调节旋钮逆时针调节到零，关闭电源开关。 根据测试的数据，按照公式 Sk “K/「(3/Lm)计算相应阴极灵敏度。其中 G = E A (本 实验仪上光电倍增 管的光阴极直径为10mm光通量约为10-5Lm) 2、光电倍增管阳极灵敏度测试实验 (1) 将面板上的右下角开关拨到“阳极测试”，结构件上阴阳极切换开关拨至“阳极”。 (2) 接通电源，打开电源开关，将照度计拨到200LX档。此时，发光二极管D1(白光)发 光，其它 均不亮。电流表显示“000”，高压电压表显示“000”，照度计显示“0.00”。 (3)缓慢调节“光照度调节”电位器， 使照度计显示值为0.1LX，保持光照度不变，缓慢 调节 电压调节旋钮至电压表显示400V,记下此时电流表的显示值。 (4) 将高压调节旋钮及光照度调节旋钮逆时针调节到零，关闭电源开关。 根据所测试的数据，按照公式 Sp =1 p/「(A/Lm)计算阳极灵敏度。其中 G = EA(本实 验仪上光电倍增 管的光阴极直径为10mm光通量约为10-5Lm) 3、光电倍增管放大倍数(电流增益)测试实验 (1)