光电倍增管响应度的研究吴小明.docVIP

光电倍增管响应度的研究 作者：吴小明 指导老师：毛杰健 １．光电倍增管的工作原理及结构 1.1光电倍增管的基本工作原理[3] 光电倍增管(英文简写PMT)由光电阴极 ，电子光学输入系统，二次发射倍增系统和阳极 四部分组成。光阴极由吸收系数大，逸出功低，量子效率高，暗电流小的材料制成(图1-1)。光照射阴极产生光电效应而发射光电子(称为一次电子)。倍增极被一个能量较高的快速电子轰击会发射出许多个电子称二次电子) 。从光阴极K 到各个倍增极 、、??，再到阳极 加上依次递增的电压.即 的电位比 高， 的电位比高等。阴极K 发射的光电子经电子光学系统的加速和聚焦被收集到第一倍增极上，倍增极将发射更多的二次电子，这些二次电子又被电场加速和聚焦打到第二倍增极上得到倍增， 图1-1 光电倍增管的基本工作原理 如此倍增下去，在阳极回路中形成阳极电流 。 为了描述不同物体发射二次电子的能力，引入二次倍增系数，定义为从物体发射出来的二次电子数与同一时间内轰击该物体的一次电子数的比。也即二次发射电流和一次发射电流之比。设光阴极发射的光电流为 ， 二次倍增系数为 (一般为3 - 6 倍) ，光电倍增极的级数为(通常8 - 13 个倍增级)。假定各倍增极有相同的， 且电极之间聚焦与收集都很理想. 故阳极电流。 光电倍增管的电流放大系数 ，它与倍增级数和倍增极材料的二次倍增系数有密切关系。 当入射到阴极K 上的光子频率大于阴极光电效应的红限频率时，光电倍增管会在阳极上产生一个大电流输出， 与阴极收集到的电子数 成正比。重复进行多次的测量发现，阳极的平均电流。与阳极收集到的平均电子数成正比，与入射光子的能量成正比，即。由于光电过程及逐次光电倍增中的量子效应，使得即使入射光子的能量E 是一定的时候，最终在阳极上收集到的电子数N 也不是一定的。随机变量N 的概率分布服从于均值。N 的泊松分布. 即阳极收集到N 个电子的几率 如图1-2 假定入射的一个光子只打出一个光电子，则阳极上收集的平均光子数为，当 很大时，上述泊松分布函数近视为高斯分布的概率密度函数。即 　 　 其中 　　　　　　　　　 　　　　　　　 利用 可得 由图1-2 　 设二次倍增系数，倍增极个数。则 , 可理解为， 可见光电倍增管不仅有响应速度快，灵敏度高的 特点，而且有分辨能量相差较小的两个光子的能力。 1.2 光电倍增管的偏置电路[4] 光电倍增管及其倍增电极偏置电路如图1-3 所示，光电倍增管实质上是一个真空管。在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极（图中未画出）、电子 倍增极 和电子收集极（阳极）a 的器件。在阴极和阳极a 之间加上高压， 在各个电子倍增极上加上梯度递增的倍增电压,该电压由电压偏置电路提供。图1中的串联电阻（）分压器构成PMT 的电压偏置电路，接于高压上的串联电阻，将分割成所需要的梯度递增的倍增电压 供给PMT的各个倍增电极使用。 当光照射光阴极，光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）被倍增电极的电场加速飞向该电极并撞击在该电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。 如果入射光子在光阴极上撞击产生了个光电子，若该个光电子全部被第一倍增极所吸引并且第一倍增极的增益为（即每个光电子又激发出个二次电子），则上产生的二次电子数量为个。这样，如果第二倍增极的增益为，由上产生的二次电子数量就为个。这样经过N级的逐级放大最后由阳极收集形成阳极电子流，如式（1）所示，式中 为第倍增极 的增益，。 图1-3 光电倍增管及其倍增电极偏置电路示意图 (1) 设所有倍增极的增益均一样大小：，或者说倍增极的平均增益，则10 级PMT的总增益M为： (2) 可见PMT的增益是很高的，可以对单个的光子进行测量。要使PMT具有稳定的增益，各个倍增极之间就要有稳定的电压差用来对电子进行加速。为各个倍增极提供逐级递增的电压差的电路称为PMT偏置电路或称为分压电路。 为了使光电倍增管能正常工作，通常需在阴极和阳极a之间加上千伏左右的高压，同时还需在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间分配一定的极间电