光電倍增管性能和應(yīng)用的研究進(jìn)展

姬廣翔

【摘 要】光電子技術(shù)作為一門新興的技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展與研究，已經(jīng)取得了極大地突破，在當(dāng)前時(shí)期科技發(fā)展日新月異，光電子技術(shù)也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于光電倍增管特有的暗電流、穩(wěn)定性、時(shí)間響應(yīng)以及脈沖線性等方面的性能，從而使其在眾多的領(lǐng)域中得到了很好的運(yùn)用，諸如，醫(yī)學(xué)、航天、工業(yè)、高能物理等。本文就光電倍增管所具有的性能進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，并對(duì)目前的應(yīng)用進(jìn)展加以重點(diǎn)的介紹。

【關(guān)鍵詞】光電倍增管 性能研究 應(yīng)用研究 研究進(jìn)展

光電倍增管的縮寫為PMT，其是一種基于光電子發(fā)射、電子光學(xué)以及二次電子發(fā)射等理論，將微弱入射光轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮油瑫r(shí)得到一定倍增的一種高靈敏性的增益器件。對(duì)于光探測(cè)領(lǐng)域而言，光電倍增管擁有著獨(dú)特超高的靈敏度，同時(shí)還擁有快速響應(yīng)等眾多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。而光電子技術(shù)一定會(huì)發(fā)展成新的知識(shí)經(jīng)濟(jì)，以此在新技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生更多的生產(chǎn)力。

1 光電倍增管具有的特性

第一，暗電流。光電倍增管即使在沒有光入射的情況下，也有微弱電流流過(guò)。將其稱為暗電流。作為微小電流、微弱光使用的光電倍增管，希望暗電流盡可能小。因熱電子發(fā)射受到光陰極面的直接影響，因此使光電倍增管所具有的溫度加以降低，可以有效地降低暗電流。但是用冷卻法降低暗電流時(shí)，只能減到漏電電流的水平，并不是可以無(wú)限制的降低暗電流。

第二，時(shí)間特性。對(duì)時(shí)間分辨率有較高要求的試驗(yàn)，要求時(shí)間特性一定要好。一般上升時(shí)間被定義為輸出脈沖高度值從10%達(dá)到90%的時(shí)間。下降時(shí)間則反之，輸出從90%回到10%的時(shí)間。在響應(yīng)時(shí)間測(cè)試過(guò)程中，上升時(shí)間和下降時(shí)間測(cè)試條件很苛刻。脈沖輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生波形失真的現(xiàn)象，容易引起誤差。而渡越時(shí)間是指從入射光入射到光陰極面起，到輸出脈沖出現(xiàn)為止的時(shí)間。

第三，穩(wěn)定性。穩(wěn)定性受到其自身特性、環(huán)境條件、光陰極面種類以及工作狀態(tài)等眾多因素所決定。造成光電倍增管出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定現(xiàn)象的原因主要是光電倍增管內(nèi)殘余堿金屬、殘余氣體、焊接不良、接觸不良、跳火、結(jié)構(gòu)松動(dòng)以及極間放電等。北京濱松光子技術(shù)股份有限公司測(cè)試穩(wěn)定性時(shí)，使用連續(xù)入射光，記錄直流輸出信號(hào)隨時(shí)間的變化。一般，光電倍增管的穩(wěn)定性在工作初期變化較大，隨時(shí)間推移而穩(wěn)定。因此應(yīng)用時(shí)建議先將光電倍增管穩(wěn)定（預(yù)熱）30分鐘后再進(jìn)入工作狀態(tài)。

第四，脈沖線性，光電倍增管所具有的一個(gè)非常重要的指標(biāo)便是脈沖線性，出現(xiàn)空間電流、電壓再分配、光電陰極所具有電阻率、信號(hào)電流導(dǎo)致的負(fù)載電阻出現(xiàn)負(fù)反饋等均會(huì)造成非線性狀況的發(fā)生。如果正常合理使用時(shí)，多數(shù)的光電倍增管可以實(shí)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)進(jìn)行線性工作。諸如北京濱松光子技術(shù)股份有限公司CR364型號(hào)的光電倍增管，當(dāng)其輸出偏離2%時(shí)，脈沖線性可達(dá)100mA以上?？蓱?yīng)用于高能物理方面的研究。

2 光電倍增管應(yīng)用研究進(jìn)展

人們對(duì)于光電倍增管已經(jīng)研究了幾十年，其應(yīng)用的范圍也較為廣泛，如光學(xué)、自動(dòng)化等領(lǐng)域。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步改革和發(fā)展，其生產(chǎn)工藝、設(shè)備、技術(shù)水平也會(huì)逐步隨著更新，在參數(shù)上也得到不斷提高。在此基礎(chǔ)之上，還會(huì)出現(xiàn)很多具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的光電倍增管。

楊昆（2013年）[1]提到，多陽(yáng)極倍增管是一類新型光電輸出元器件，因其具有緊密空間構(gòu)造、低噪聲以及高增益等獨(dú)特性能，使其在陣列探測(cè)器以及位置探測(cè)器中擁有著非常廣泛的使用，特別是采取金屬通道結(jié)構(gòu)的倍增極結(jié)構(gòu)之后，多陽(yáng)極倍增管所具有的性能獲得了極大的改善，每條輸出存在的串?dāng)_不大于2%，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大量的應(yīng)用在陣列探測(cè)器中。日本HAMAMATSU研制的R5900系列的金屬通道形式的倍增極結(jié)構(gòu)是最為典型的器件，已經(jīng)在國(guó)際上取得了非常廣泛的應(yīng)用。

買買提吐送·買買提明（2013年）[2]提到，任何生物都是一個(gè)發(fā)光源，只是由于不同生物發(fā)光的能力都相對(duì)較弱，人們?nèi)庋弁ǔ６伎床灰姡艜?huì)認(rèn)為生物不會(huì)發(fā)光。一般光強(qiáng)在幾百光子以下時(shí)，被人們稱為是超微弱光。生物體所發(fā)出超微弱光的光強(qiáng)都是恒定不變的，如果光強(qiáng)發(fā)生了變化，則說(shuō)明生物體發(fā)生了病變。因此，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究通過(guò)利用光電倍增管制作探測(cè)光強(qiáng)的儀器，并利用生物體的這種特性來(lái)測(cè)試生物體是否發(fā)生了病變。所制作出來(lái)的這種儀器通常都會(huì)將設(shè)備前端制作成一個(gè)暗室的形式，這主要是因?yàn)樯矬w所發(fā)出的光較為微弱。

表面污染監(jiān)測(cè)儀包含全身α、β表面污染監(jiān)測(cè)儀（C2門）、手足α、β表面污染監(jiān)測(cè)儀和便攜式α、β表面污染測(cè)量?jī)x。之前該類產(chǎn)品采用的探測(cè)器為流氣式正比計(jì)數(shù)器，相比于閃爍計(jì)數(shù)器，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)本底。但由于需要充氣，需要攜帶儲(chǔ)存工作氣體的鋼瓶，進(jìn)而對(duì)儀器工作壽命和便攜性帶來(lái)了不足。現(xiàn)在表面污染監(jiān)測(cè)儀逐漸采用閃爍計(jì)數(shù)法，通過(guò)光電倍增管和復(fù)合閃爍體（塑料閃爍體+ZnS（Ag））來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象表面α、β進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)表面污染檢測(cè)。

北京濱松光子技術(shù)股份有限公司研制的小型端窗雙堿光電倍增管CR332型光電倍增管，采用環(huán)形聚焦+直線聚焦結(jié)構(gòu)（Circular and Linear-focused ，C+L），這個(gè)結(jié)構(gòu)兼具了環(huán)形聚焦結(jié)構(gòu)的緊湊與直線聚焦良好的線性特性，并且迎合市場(chǎng)小尺寸便攜式表面沾污儀的需求。受到市場(chǎng)的一致好評(píng)。CR332型光電倍增管具有高增益、高信噪比、高穩(wěn)定性、時(shí)間響應(yīng)快、低本底、能量分辨率好等諸多特性集于一身，主要應(yīng)用于核輻射測(cè)量、液位監(jiān)測(cè)、核素識(shí)別、手腳表面沾污儀、體外診斷等。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，光電倍增管作為諸多領(lǐng)域研究的重要探測(cè)工具，諸如分析化學(xué)、天文學(xué)、分子物理學(xué)、醫(yī)學(xué)成像以及高能物理學(xué)等。隨著今后科技的不斷進(jìn)步，光電倍增管能夠應(yīng)用的領(lǐng)域也將不斷地?cái)U(kuò)大，而其對(duì)科技進(jìn)步有著極大的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]Photomultiplier Tubes. HAMAMATSU （2015）.

[2]楊昆，劉新新，李曉葦.基于硅光電倍增管探測(cè)器的小動(dòng)物正電子發(fā)射斷層成像裝置的研究進(jìn)展[J].山東醫(yī)藥，2013，06（13）：95-96+98.

[3]買買提吐送·買買提明.光電倍增管在磷酸液聲致發(fā)光實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].應(yīng)用聲學(xué)，2013，04（04）：325-331.

[4]周榮楣.光電發(fā)射、次級(jí)電子發(fā)射與光電倍增管[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2015，04第一版.