你好，我想詢問一下有關(guān)光電倍增管的暗電流直流補(bǔ)償設(shè)計(jì)
- 教育綜合
- 2022-06-22 12:58:46
光電倍增管的性能及參數(shù)有哪些？
光電倍增管的各項(xiàng)參數(shù)是評(píng)價(jià)光電倍增管性能的主要標(biāo)志。根據(jù)每種光電倍增管的特點(diǎn)與用途，產(chǎn)品銷售時(shí)會(huì)給出某幾個(gè)參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)，供用戶選擇。
（1）靈敏度。靈敏度是衡量光電倍增管的重要參數(shù)。靈敏度一般分為輻照靈敏度和光照靈敏度。輻照靈敏度的定義為光電倍增管光電面輸出的電流除以入射光輻射功率所得的商，通常以A/W為單位。光照靈敏度定義為光電倍增管輸出光電流除以入射光通量所得的商，通常以A/lm為單位。
光陰極的靈敏度一般用光照靈敏度表示，有些運(yùn)用場(chǎng)合（如閃爍計(jì)數(shù)）更需要藍(lán)光靈敏度表示，因?yàn)樗c閃爍計(jì)數(shù)使用的閃爍體發(fā)射的光譜非常相近。在分光光度計(jì)的應(yīng)用中需要探測(cè)近紅外的光譜，常采用紅光靈敏度或“紅白比”。
（2）量子效率。光照靈敏度一般用來比較同一類型的光陰極的靈敏度。但對(duì)不同光譜響應(yīng)的光陰極，此數(shù)據(jù)就不能提供有效的比較。就光電倍增管性能而言，在特定的峰值波長(zhǎng)下的量子效率能給出更明確的指示。在給定輻射波長(zhǎng)下，量子效率定義為陰極發(fā)射的光電子數(shù)與入射光子數(shù)的比值，這個(gè)值通常以百分?jǐn)?shù)表示，可由下式進(jìn)行計(jì)算：
式中 S——給定波長(zhǎng)下的輻射靈敏度，A/W；λ——波長(zhǎng)，nm。
（3）光譜響應(yīng)。光電倍增管的陰極吸收入射光子的能量并將其轉(zhuǎn)換為光電子。其轉(zhuǎn)換效率隨入射光的波長(zhǎng)變化。光譜響應(yīng)的長(zhǎng)波端取決于光陰極材料，短波端則取決于入射窗材料。不同的窗材料和光電發(fā)射層有不同的光譜響應(yīng)曲線，就是同一類的光電倍增管，其光譜響應(yīng)曲線也隨制造工藝不同而在極大范圍內(nèi)變化。光譜響應(yīng)曲線如圖4-3-4所示。
（4）電流放大倍數(shù)（增益）。光電倍增管的流放大倍數(shù)是其陽極輸出電流與光陰極光電流的比值。在理想情況下，假定每個(gè)倍增極的平均二次發(fā)射倍數(shù)為δ，具有幾個(gè)倍增極光電倍增管的電流增益為δn。一般說來，二次發(fā)射系數(shù)要由下式給出：
式中，A為一常數(shù)；VD為極間電壓；α為倍增極材料及其幾何結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)，α的數(shù)值一般介于0.7～0.8之間。
這樣具有幾個(gè)倍增極的光電倍增管，當(dāng)陰極與陽極之間加上電壓V時(shí)，光電倍增管的電流增益G表示為
或者簡(jiǎn)單地測(cè)量陽極光照靈敏度SP與陰極光照靈敏度SK計(jì)算出來：
（5）暗電流。當(dāng)光電倍增管無光照射時(shí)（嚴(yán)格說來是在完全隔離輻射時(shí)）所產(chǎn)生的電流稱為暗電流。一般說來，引起暗電流有如下幾個(gè)原因：歐姆漏電、熱電子發(fā)射、殘余氣體電離（離子反饋）、場(chǎng)致發(fā)射、玻璃發(fā)光、契倫柯夫輻射。
（6）線性電流。線性電流的大小與光電倍增管的結(jié)構(gòu)類型、工作電壓、分壓器設(shè)計(jì)等有關(guān)。破壞這個(gè)線性關(guān)系來自兩個(gè)方面：一方面在線性低端，即輸入信號(hào)很弱時(shí)，受到光電倍增管的暗電流干擾，這就決定了光電倍增管所能探測(cè)的最低信號(hào)；另一方面，在線性高端，即輸入信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，受到各種因素的影響。通常由下面幾個(gè)因素引起：光陰極的電阻效應(yīng)、分壓效應(yīng)、空間電荷效應(yīng)。
（7）穩(wěn)定性。在閃爍計(jì)數(shù)和度量學(xué)測(cè)量中，光電倍增管的穩(wěn)定性是非常重要的。尤其是甄別接近于相等能量的核衰變所產(chǎn)生的全吸收峰時(shí)，光電倍增管的穩(wěn)定性是必須認(rèn)真考慮的一個(gè)參數(shù)。它與管子的工作電壓、陽極與末極電壓、陽極輸出電流大小，工作時(shí)間，休息時(shí)間，工作前光電倍增管的狀態(tài)，倍增極的材料及制造工藝有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明光電倍增管的輸出信號(hào)隨工作時(shí)間變化，這表現(xiàn)為兩個(gè)過程，所不同的是過程的“建立時(shí)間”不同而已，而以后都表現(xiàn)為穩(wěn)定而平衡的工作狀態(tài)。第一過程是“快變化”過程。其建立時(shí)間，一般有幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)。第二個(gè)過程是“慢變化”過程。它與倍增極的二次發(fā)射系數(shù)隨時(shí)間很慢變化相聯(lián)系。
在強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性場(chǎng)合，建議平均陽極電流最好是1μA或更低。光電倍增管陽極電流隨時(shí)間變化曲線如圖4-3-5所示。
（8）滯后效應(yīng)。當(dāng)工作電壓或入射光產(chǎn)生變化之后，光電倍增管會(huì)有一個(gè)幾秒鐘到幾十秒鐘的輸出不穩(wěn)定過程。在到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)之前，輸出信號(hào)會(huì)有些微小的過脈沖或欠脈沖現(xiàn)象。這種滯后的特性在分光光度測(cè)試中應(yīng)予以重視。滯后特性是由于二次電子偏離預(yù)定軌道和電極支撐物玻璃等靜電引起的。為此，濱松公司的側(cè)窗型光電倍增管采用的“抗滯設(shè)計(jì)”，實(shí)際上消除了滯后現(xiàn)象。光電倍增管的滯后特性如圖4-3-6所示。
（9）均勻性。均勻性是指入射光射到光陰極不同位置時(shí)的靈敏度變化。盡管光電倍增管在結(jié)構(gòu)、電子軌跡等設(shè)計(jì)上考慮將陰極產(chǎn)生的光電子和倍增極產(chǎn)生的二次電子有效地被第一倍增極或下一個(gè)倍增極收集，但在聚焦或倍增過程中仍然會(huì)有電子偏離預(yù)定軌道，造成收集效率的降低，這種表現(xiàn)出來的不均勻性當(dāng)然受光電子從陰極不同位置上發(fā)射出來的影響，同時(shí)也與陰極本身光電面金屬層的均勻性程度有關(guān)。
一般說來，端窗式光電倍增管因共陰極與第一倍增極的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在均勻性方面優(yōu)于側(cè)窗型光電倍增管。
（10）時(shí)間特性。由于電子在倍增過程中的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)以及電子的初速效應(yīng)和軌道效應(yīng)，從陰極同時(shí)發(fā)射的電子到達(dá)陽極的時(shí)間是不同的。因此，輸入信號(hào)為δ函數(shù)的光脈沖時(shí)，陽極電流脈沖是展寬的。為了表征光電倍增管的時(shí)間特性，一般采用脈沖上升時(shí)間、脈沖響應(yīng)寬度、渡赿時(shí)間和渡赿時(shí)間分散（TTS）—時(shí)間分辨率等參數(shù)表示。
陽極脈沖上升時(shí)間是當(dāng)光電倍增管由非常短的脈沖（δ函數(shù)光源）照射時(shí)，從輸出脈沖前沿峰值的10%上升到90%所需時(shí)間。渡越時(shí)間是從入射光入射到光電面起，到輸出脈沖出現(xiàn)為止的時(shí)間。渡越時(shí)間分散（TTS）定義為當(dāng)重復(fù)的δ函數(shù)光源照射光電倍增管陰極的瞬間，到陽極輸出前沿半幅度的出現(xiàn)瞬間之間所需時(shí)間變化。通常以輸出時(shí)間分布曲線上的半寬度來量度。陽極脈沖上升、渡越時(shí)間如圖4-3-7所示。
（11）暗計(jì)數(shù)（噪聲）。在閃爍計(jì)數(shù)應(yīng)用中，往往需要了解光電倍增管的暗脈沖。暗脈沖通常用等效噪聲能當(dāng)量和暗計(jì)數(shù)率來表示。實(shí)際應(yīng)用最多的是暗脈沖計(jì)數(shù)率，其定義為輸出暗脈沖譜上某兩個(gè)閾值之間的總計(jì)數(shù)率，閾值以單電子的平均幅度作為標(biāo)尺。暗脈沖計(jì)數(shù)率與光電倍增管的熱電子發(fā)射相聯(lián)系。
在低能射線測(cè)試（如液閃），環(huán)境γ射線監(jiān)測(cè)，更關(guān)心的是測(cè)試裝置的本底噪聲（本底計(jì)數(shù)）。雖然采用符合計(jì)數(shù)法，可以去掉因高能射線（建筑物及大氣中的天然放射性）產(chǎn)生暗脈沖計(jì)數(shù)，但光電倍增管的本身平板及玻璃（硼硅玻璃）、陶瓷中卻或多或少含有放射性40K，這是本底計(jì)數(shù)的來源。因此，對(duì)于低本底測(cè)試的光電倍增管最好采用低鉀或無鉀玻璃。
（12）坪特性。在閃爍計(jì)數(shù)中，利用光電倍增管—閃爍體組件記錄強(qiáng)度不變的核輻射源時(shí)，在某一區(qū)域內(nèi)其計(jì)數(shù)率基本上不隨外加高壓變化而變化，通常把這一區(qū)域稱為坪區(qū)。閃爍計(jì)數(shù)器的“坪”不是光電倍增管的特性，而是閃爍計(jì)數(shù)器在一定條件下所具有的特性，只有在一定電壓范圍內(nèi)光電倍增管輸出全部信號(hào)幅度大于儀器的甄別閾，而噪聲幅度又小于甄別閾時(shí)，才產(chǎn)生計(jì)數(shù)“坪”。很顯然，這種坪與核輻射能量、晶體和光電倍增管的性能，儀器的放大倍數(shù)和甄別閾等因素有關(guān)。
如圖4-3-8所示，坪的終端是光電倍增管噪聲所致。光電倍增管的噪聲隨溫度指數(shù)增加而增加，所以隨著溫度升高坪就變壞。另外，溫度升高，光電倍增管靈敏度下降，使坪的始端計(jì)數(shù)率下降，這兩種影響使閃爍計(jì)數(shù)器坪區(qū)縮短。坪的前端與光電倍增管靈敏度有關(guān)，靈敏度高，起坪早，靈敏度低，起坪晚，坪也較長(zhǎng)。
用閃爍計(jì)數(shù)器作強(qiáng)度測(cè)量時(shí)，選擇坪區(qū)的工作非常重要。即使儀器及光電倍增管工作溫度和性能有一定變化，儀器長(zhǎng)期工作也能比較穩(wěn)定。
作為一個(gè)應(yīng)用例子是在放射性測(cè)井中，檢測(cè)用的光電倍增管就常用坪特性來評(píng)價(jià)。
（13）脈沖幅度（能量）分辨率。由于光電發(fā)射和二次電子發(fā)射的統(tǒng)計(jì)性，即使入射相同能量的光子，輸出脈沖幅度也是有變化的（有一定分散性）。產(chǎn)生的脈沖幅度的分布限制了管子對(duì)光子數(shù)量的分辨率，因而也是限制閃爍體和光電倍增管組件的脈沖幅度分辨率的主要原因之一。由于這個(gè)原因，引進(jìn)脈沖幅度分辨率這個(gè)參數(shù)來表征儀器甄別兩個(gè)不同的輸入信號(hào)幅度的能力。脈沖幅度分辨率是指被研究脈沖幅度分布曲線上相應(yīng)的峰位b除以峰的計(jì)數(shù)半寬度a，即a/b，用百分?jǐn)?shù)表示，脈沖幅度分辨率（FWHM）=（a/b）×100%，如圖4-3-9所示。
①光電倍增管—閃爍組件的脈沖幅度分辨率。一般說來，為了改善脈沖幅度分辨率，應(yīng)盡量增大閃爍體發(fā)光效率（即增大光子數(shù)）、光子收集效率、光電轉(zhuǎn)換效率以及光電子被第一倍增極收集系數(shù)。同時(shí)還應(yīng)盡量改進(jìn)影響脈沖幅度分辨率的其他因素。
對(duì)光電倍增管組件脈沖幅度分辨率進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)使光電倍增管工作在線性區(qū)內(nèi)。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)（光電倍增管、閃爍體、放大器和多道脈沖幅度分析器）的線性校準(zhǔn)可用60Co的核輻射源高能峰正好是137Cs全能峰的兩倍這一對(duì)應(yīng)關(guān)系來標(biāo)定。不適當(dāng)?shù)年枠O電壓、過大的增益（產(chǎn)生陽極電流飽和）或者不適當(dāng)?shù)姆謮浩骶梢疠敵雒}沖幅度分布的壓縮，從而產(chǎn)生不正確（偏優(yōu)）的脈沖幅度分辨率。
②光電倍增管固有分辨率。在閃爍計(jì)數(shù)中給出光電倍增管—閃爍體組件的脈沖幅度分辨率是必要的。但是真正反映光電倍增管的固有特性的就必須測(cè)量光電倍增管的固有分辨率。光電倍增管的固有分辨率可利用脈沖光源（例如發(fā)光二極管光源）測(cè)量。其光強(qiáng)應(yīng)校準(zhǔn)到與137Cs＋NaI（Tl）晶體的閃光強(qiáng)度等效。光譜特性和脈沖持續(xù)時(shí)間最好與碘化鈉閃爍體、137Cs源信號(hào)相近，陽極的時(shí)間常數(shù)必須比光脈沖持續(xù)時(shí)間和閃爍體衰減時(shí)間大得多。顯然，用光輻射源測(cè)得的固有幅度分辨率顯著小于光電倍增管—閃爍體組件的分辨率，這可作為估計(jì)用碘化鈉閃爍體所獲得的脈沖分辨率的根據(jù)。光電倍增管—閃爍體組件脈沖幅度分辨率R應(yīng)是光電倍增管的固有分辨率平方（RP2）和碘化鈉閃爍體分辨率平方（RS2）相加的開方：
