光電倍增管

光電倍增建立在外光電效應、二次電子發射和電子光學理論基礎上，結合了高增益、低雜訊、高頻率響應和大信號接收區等特徵，是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光敏電真空器件，可以工作在紫外、可見和近紅外區的光譜區。日盲紫外光電倍增管對日盲紫外區以外的可見光、近紫外等光譜輻射不靈敏，具有雜訊低（暗電流小於1nA）、響應快、接收面積大等特點。

photomultiplier (tube)

當光照射到光陰極時，光陰極向真空中激發出光電子。這些光電子按聚焦極電場進入倍增系統，並通過進一步的二次發射得到的倍增放大。然後把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。因為採用了二次發射倍增系統，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的雜訊。另外，光電倍增管還具有響應快速、成本低、陰極面積大等優點。

基於外光電效應和二次電子發射效應的電子真空器件。它利用二次電子發射使逸出的光電子倍增，獲得遠高於光電管的靈敏度，能測量微弱的光信號。光電倍增管包括陰極室和由若干打拿極組成的二次發射倍增系統兩部分（見圖）。陰極室的結構與光陰極K的尺寸和形狀有關，它的作用是把陰極在光照下由外光電效應（見光電式感測器）產生的電子聚焦在面積比光陰極小的第一打拿極D1的表面上。二次發射倍增系統是最複雜的部分。打拿極主要由那些能在較小入射電子能量下有較高的靈敏度和二次發射係數的材料製成。常用的打拿極材料有銻化銫、氧化的銀鎂合金和氧化的銅鈹合金等。打拿極的形狀應有利於將前一級發射的電子收集到下一極。在各打拿極 D1、D2、D3…和陽極A上依次加有逐漸增高的正電壓，而且相鄰兩極之間的電壓差應使二次發射係數大於1。這樣，光陰極發射的電子在D1電場的作用下以高速射向打拿極D1,產生更多的二次發射電子，於是這些電子又在D2電場的作用下向D2飛去。如此繼續下去，每個光電子將激發成倍增加的二次發射電子，最後被陽極收集。電子倍增系統有聚焦型和非聚焦型兩類。聚焦型的打拿極把來自前一級的電子經倍增后聚焦到下一級去，兩極之間可能發生電子束軌跡的交叉。非聚焦型又分為圓環瓦片式（即鼠籠式）、直線瓦片式、盒柵式和百葉窗式。

光電倍增管是依據光電子發射、二次電子發射和電子光學的原理製成的、透明真空殼體內裝有特殊電極的器件。光陰極在光子作用下發射電子，這些電子被外電場(或磁場)加速，聚焦於第一次極。這些衝擊次極的電子能使次極釋放更多的電子，它們再被聚焦在第二次極。這樣，一般經十次以上倍增，放大倍數可達到108～1010。最後，在高電位的陽極收集到放大了的光電流。輸出電流和入射光子數成正比。整個過程時間約 10-8秒。還有一種利用彎曲鉛玻璃管自身內部的二次電子發射構成小巧的倍增管。光電倍增管在全暗條件下，加工作電壓時也會輸出微弱電流，稱為暗流。它主要來源於陰極熱電子發射。光電倍增管有兩個缺點：①靈敏度因強光照射或因照射時間過長而降低，停止照射后又部分地恢復，這種現象稱為“疲乏”；②光陰極表面各點靈敏度不均勻。

光電倍增管倍增方式又分打拿極和MCP兩種。

打拿極型光電倍增管由光陰極、倍增級和陽極等組成，由玻璃封裝，內部高真空，其倍增級又由一系列倍增極組成，每個倍增極工作在前級更高的電壓下。打拿極型光電倍增管接收光方式分端窗和側窗兩種。

打拿極型光電倍增管的工作原理：光子撞擊光陰極材料，克服了光陰極的功函數后產生光電子，經電場加速聚焦后，帶著更高的能量撞擊第一級倍增管，發射更多的低能量的電子，這些電子依次被加速向下級倍增極撞擊，導致一系列的幾何級倍增，最後電子到達陽極，電荷累計形成的尖銳電流脈衝可表徵輸入的光子。

MCP型光電倍增管均為端窗光電倍增管，適於受照面積大的應用。典型MCP光電倍增管的組成包括入光窗、光陰極、電子倍增極和電子收集極（陽極）等。

1.穩定性

光電倍增管的穩定性是由器件本身特性、工作狀態和環境條件等多種因素決定的。管子在工作過程中輸出不穩定的情況很多，主要有：

a.管內電極焊接不良、結構鬆動、陰極彈片接觸不良、極間尖端放電、跳火等引起的跳躍性不穩現象，信號忽大忽小。

b.陽極輸出電流太大產生的連續性和疲勞性的不穩定現象。

c.環境條件對穩定性的影響。環境溫度升高，管子靈敏度下降。

d.潮濕環境造成引腳之間漏電，引起暗電流增大和不穩。

e.環境電磁場干擾引起工作不穩。

2.極限工作電壓

極限工作電壓是指管子所允許施加的電壓上限。高於此電壓，管子產生放電甚至擊穿。

由於光電倍增管增益高和響應時間短，又由於它的輸出電流和入射光子數成正比，所以它被廣泛使用在天體光度測量和天體分光光度測量中。其優點是：測量精度高，可以測量比較暗弱的天體，還可以測量天體光度的快速變化。天文測光中，應用較多的是銻銫光陰極的倍增管，如RCA1P21。這種光電倍增管的極大量子效率在4200埃附近，為20%左右。還有一種雙鹼光陰極的光電倍增管，如GDB-53。它的信噪比的數值較RCA1P21大一個數量級，暗流很低。為了觀測近紅外區，常用多鹼光陰極和砷化鎵陰極的光電倍增管，後者量子效率最大可達50%。

普通光電倍增管一次只能測量一個信息，即通道數為1。矩陣。由於通道數受陽極末端細金屬絲的限制，只做到上百個通道。

光電倍增管可分成4個主要部分，分別是：光電陰極、電子光學輸入系統、電子倍增系統、陽極。

電倍增管是進一步提高光電管靈敏度的光電轉換器件。管內除光電陰極和陽極外，兩極間還放置多個瓦形倍增電極。使用時相鄰兩倍增電極間均加有電壓用來加速電子。光電陰極受光照后釋放出光電子，在電場作用下射向第一倍增電極，引起電子的二次發射，激發出更多的電子，然後在電場作用下飛向下一個倍增電極，又激發出更多的電子。如此電子數不斷倍增，陽極最後收集到的電子可增加 10^4～10^8倍，這使光電倍增管的靈敏度比普通光電管要高得多，可用來檢測微弱光信號。光電倍增管高靈敏度和低雜訊的特點使它在光測量方面獲得廣泛應用。

光電倍增管根據不同的應用有不同的尺寸大小，目前世界上最大的光

電倍增管是20英寸，由日本濱松光子學株式會社（hamamatsu）研製生產，最初用於小柴昌俊的超級神岡探測器中，裝入了11200個，並最終探測到了宇宙中微子，小柴昌俊因此獲得了2002年諾貝爾物理學獎，而20寸光電倍增管也因此在2014年獲得“IEEE里程碑”

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