光電倍增管光譜特性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳 森，張師平，吳 疆，何 康，吳 平

（北京科技大學(xué)，北京 100083）

光電倍增管是一種建立在光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上的，把微弱入射光轉(zhuǎn)換成光電子并獲倍增的光電探測器件，它在微弱光信號探測領(lǐng)域占有及其重要的地位，是多種精密測量儀器的核心器件，被廣泛應(yīng)用于高能物理、光譜分析、遙感衛(wèi)星測量、化工、地質(zhì)勘探、醫(yī)療、生物醫(yī)藥、軍事偵察和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[1－6]。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，許多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均涉及到光電倍增管的使用，但學(xué)生對其工作原理和使用方法了解甚少，尤其是光電倍增管的光譜特性，是實(shí)驗(yàn)的一個(gè)難點(diǎn)?；诖耍ㄟ^對單色儀、熱探測器的擇優(yōu)選擇、實(shí)驗(yàn)研究方案的精心策劃，優(yōu)化設(shè)計(jì)了光電倍增管的光譜特性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅可以完成光電倍增管相對光譜響應(yīng)曲線測量，還可以研究縫寬、溫度、磁場、工作電壓等對光電倍增管光譜特性的影響，也可以利用此實(shí)驗(yàn)平臺研究其它光電器件的光譜特性，加深學(xué)生對光電倍增管工作原理、光譜特性的理解。該實(shí)驗(yàn)已作為綜合性、設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中開出。

1 工作原理

光電倍增管由光電陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)、二次發(fā)射倍增系統(tǒng)和陽極組成。其工作原理見圖1[7]，當(dāng)光照射到光電陰極K上時(shí)，只要光子能量大于光電陰極材料的逸出功，光電陰極表面就發(fā)射出電子，在真空中被K和D1間電場加速，而射到第一個(gè)“初級發(fā)射極”D1上，快速的電子轟擊使D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射，出射的電子數(shù)為入射電子數(shù)的M倍，電子逐一地在各個(gè)二次發(fā)射極下被倍增，從最后一個(gè)二次發(fā)射極Dn出射的電子數(shù)將達(dá)到由K極出射的電子數(shù)的Mn倍（n為倍增極個(gè)數(shù)）。這些電子由陽極A收集而成為陽極電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號電壓。

圖1 光電倍增管工作原理圖

光譜特性是光電倍增管的基本特性，當(dāng)光照射光電倍增管時(shí)，產(chǎn)生的光訊號的強(qiáng)度不僅與入射光的輻射功率的大小有關(guān)，也與光的波長有關(guān)。當(dāng)波長一定時(shí)，光電流的強(qiáng)度與輻射功率成正比。當(dāng)入射光為單色光，且各單色光輻射功率為一定時(shí)，光電流強(qiáng)度隨波長的變化而變化。

2 測量原理

光電倍增管的絕對光譜響應(yīng)率等于在給定波長的單位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流的大小，即

單位為安／瓦。P（λ）是照射在光電倍增管上的輻射功率，I（λ）是該輻射功率照射下產(chǎn)生的陽極電流，S（λ）為光電倍增管的絕對光譜響應(yīng)率，它們均是波長的函數(shù)。S（λ）與λ的關(guān)系曲線稱為“絕對光譜響應(yīng)曲線”[8－11]。

實(shí)際使用的光源，對于不同的波長，輻射功率是不同的。直接測得的光電倍增管的光電流的變化，一方面來源于光電倍增管光譜特性的影響，另一方面來源于入射的單色光輻射功率的變化。因此為了求得光譜特性，必須先求出不同波長的輻射功率P（λ）和相應(yīng)的陽極電流I（λ），然后由（1）式算出光電倍增管的絕對光譜響應(yīng)率S（λ）。為了便于比較，以最大響應(yīng)率作為1，求出其它響應(yīng)率相對于最大響應(yīng)率的比值，即

S（λ）r稱為相對光譜響應(yīng)率。S（λ）r～λ關(guān)系曲線稱為“歸一化相對光譜率響應(yīng)曲線”。

3 測量方法

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

光源采用12V／50W白熾燈，由穩(wěn)壓電源供電，使光源供電電流保持為某一值。為了比較選擇合適的單色儀，本實(shí)驗(yàn)分別利用CARL ZEISS JENA 173854型反射式棱鏡單色儀和 WDPF－C型平面光柵單色儀將白光分解而獲得各單色光，其光學(xué)系統(tǒng)如圖2、圖3所示。

圖2 反射式棱鏡單色儀的光學(xué)系統(tǒng)

圖3 平面光柵單色儀的光學(xué)系統(tǒng)

3.2 單色光輻射功率測量

對于不同的波長，光源輻射功率是不同的，為了測量連續(xù)光源各種波長的單色輻射功率的相對大小，所選擇的探測器在原理上應(yīng)對一切波長的紅外輻射（包括可見光）都具有相同的響應(yīng)，即對波長無選擇性。本實(shí)驗(yàn)選用基于熱電效應(yīng)的PZD－2115型鉭酸鋰熱釋電探測器，配合斬光器，在330nm～620nm波長范圍內(nèi)每隔5nm測量不同波長單色光所產(chǎn)生的熱電壓訊號V（λ）。由于光源輻射功率P（λ）正比與V（λ），所以V（λ）～λ曲線與P（λ）～λ曲線的變化趨勢是一致的。又由于熱電元件對照射光的波長是無選擇性的，即對各波長的輻射的響應(yīng)是相同的，所以V（λ）～λ曲線即是光源相對輻射功率的光譜曲線。熱釋電探測器線路連接圖如圖4所示。

圖4 熱釋電探測器線路連接圖

3.3 光電流相對大小測量

實(shí)驗(yàn)分別選用BH1224G型、WDPF－C型兩種光電倍增管進(jìn)行光電流I（λ）的相對大小測量。將待測定的光電倍增管的窗口對準(zhǔn)單色儀出射狹縫，適當(dāng)調(diào)節(jié)入、出射狹縫寬度。遮擋入射狹縫，測光電倍增管在工作電壓下的暗電流值。在330nm～620nm波長范圍內(nèi)每隔5nm測量不同波長單色光所產(chǎn)生的電流I（λ）。在電流極大值附近，每隔0.5nm讀取一次電流示數(shù)。從所測得的各值中減去暗電流。作I（λ）～λ曲線。最后利用式（1）、（2）作出光電倍增管的相對光譜響應(yīng)曲線S（λ）r～λ。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖5給出了BH1224G型光電倍增管利用不同單色儀測得的相對光譜響應(yīng)曲線。由圖可以看出：在可見光、紅外區(qū)域光譜響應(yīng)曲線基本重合，但在紫外區(qū)有明顯差別，使用平面光柵單色儀所測的光譜響應(yīng)明顯高于使用玻璃棱鏡單色儀的測量結(jié)果。這一差別根源在于：玻璃棱鏡對紫外線輻射有不同程度的吸收，導(dǎo)致I（λ）減小。同時(shí)，棱鏡單色儀只能在可見光區(qū)域進(jìn)行定標(biāo)，擴(kuò)展到紅外、紫外區(qū)會帶來很大誤差。因此，選用平面光柵單色儀作為本實(shí)驗(yàn)的分光器件。

圖5 BH1224G型光電倍增管相對光譜響應(yīng)曲線

圖6 BH1224G型光電倍增管相對光譜響應(yīng)曲線

圖6給出了BH1224G型光電倍增管利用平面光柵單色儀在不同入射狹縫寬度下測得的相對光譜響應(yīng)曲線，由圖可以看出：光譜響應(yīng)曲線基本重合，在一定的狹縫寬度內(nèi)，利用平面光柵單色儀可以獲得嚴(yán)格的單色光，狹縫寬度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大。作為研究性實(shí)驗(yàn)可拓展研究溫度、磁場、工作電壓等對光電倍增管光譜特性的影響。

圖7 不同型號光電倍增管相對光譜響應(yīng)曲線

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)對不同型號光電倍增管是否具有普適性和一定的分辨能力，能否標(biāo)定不同光電倍增管響應(yīng)的峰值波長，利用平面光柵單色儀隨機(jī)測量了不同型號光電倍增管的相對光譜響應(yīng)曲線。結(jié)果如圖7所示。對于不同型號的光電倍增管由于光電陰極制造工藝有所差別，其特性亦不相同。峰值波長、光譜響應(yīng)分布曲線也不相同[10]。由圖可看出：BH1224G型光電倍增管響應(yīng)的峰值波長為470nm，WDPF－C型光電倍增管響應(yīng)的峰值波長為430nm，實(shí)驗(yàn)可以很好地把它們區(qū)別開來，對不同型號的光電倍增管能給出相對完整的光譜響應(yīng)曲線。

5 結(jié) 論

通過本實(shí)驗(yàn)學(xué)生不僅可以完成光電倍增管相對光譜響應(yīng)曲線測量，還可以研究縫寬、溫度、磁場、工作電壓等對光電倍增管光譜特性的影響，也可以利用此實(shí)驗(yàn)平臺研究其它光電器件的光譜特性。同時(shí)，此方法也被廣泛應(yīng)用于工業(yè)上光電倍增管性能測試，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有先進(jìn)性，作為一個(gè)綜合性、設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，能很好地拓展學(xué)生的知識面，激發(fā)學(xué)生對光電技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

[1]趙文錦.光電倍增管的技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)[J].光電子技術(shù)，2011，31（3）：145－148.

[2]江華，周媛媛.光電倍增管的結(jié)構(gòu)與性能研究[J].艦船電子工程，2009，29（1）：193－196.

[3]周書銓，李鏗，黃庚辰，等.光電倍增管光譜特性新測試 方 法 研 究 [J].光 學(xué) 學(xué) 報(bào)，1994，14（10）：1092－1095.

[4]王海科，呂云鵬.光電倍增管特性及應(yīng)用[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2005，（1）：1－4.

[5]武興建，吳金宏.光電倍增管原理、特性與應(yīng)用[J].國外電子元器件，2001，（8）：13－16.

[6]張煥雄.光電倍增管在放射性物探中的應(yīng)用概述[J].資源環(huán)境與工程，2007，21（5）：597－600.

[7]吳平.理科物理實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010：165－170.

[8]江月松.光電技術(shù)與實(shí)驗(yàn)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2000：70－88.

[9]杜玉杰，紀(jì)延俊，滿豐全.光電器件光譜響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23（12）：67－69.

[10]劉元震，王仲春，董亞強(qiáng).電子發(fā)射與光電陰極[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1995.

[11]張學(xué)驁，等.硅光電二極管光譜響應(yīng)度的分析[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011（2）：25－28.