光電倍增管的基礎知識與應用（一）

一、    探測范圍

從科學的角度來說，電磁波是能量的一種，凡是高于絕對零度的物體，都會釋放出電磁波，且溫度越高，釋放的電磁波波長就越短。電磁波由低頻到高頻主要分為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線等。各個波段都有其獨特的作用，無線電波用于衛星通信等；紅外線用于遙控、熱成像儀、紅外制導導彈等；可見光是所有生物用來觀察事物的基礎；紫外線用于醫用消毒，驗證假鈔，測量距離，工程上的探傷等；X射線用于CT照相；γ射線用于治療等。

正像人們一直生活在空氣中而眼睛卻看不見空氣一樣，除光波外，人們也看不見無處不在的電磁波，它是一位人類素未謀面的“朋友”。即使是可見光，人類眼睛對微弱光也無能為力。但是這位朋友與我們的生活息息相關，如何清楚認識并充分利用就顯得尤為迫切和重要。而光電倍增管在寬光譜和極微弱光的探測方面都是一個不錯的選擇。

光電倍增管（Photomultiplier   Tube，簡稱PMT）是一種真空玻璃器件，可將光信號轉化為電信號，因超高靈敏度和快速響應等特點備受關注。在檢測光譜方面，其可探測約100nm~1μm范圍內的光信號。此外，在更短波方向，如γ射線、X射線探測使用的輻射探測器，以通過各種閃爍體轉化成可見光，然后再通過PMT進行檢測，其關鍵器件也是PMT。

圖1 不同探測器件可探測光譜范圍

PMT除有較寬的光譜響應范圍外，還有高靈敏度、低探測下限的特點，與其他探測器相比也是有很大優勢的。根據入射到PMT的光強度和輸出處理回路帶寬的處理方法的不同，PMT的使用可分為模擬法和計數法。改變入射光的強度，可看到在強光范圍內，用示波器觀察PMT輸出信號時，因其脈沖間隔狹窄而相互重合為模擬波形，探測光強上限約為10^-9W。當光極其微弱時，光子呈現粒子性，普通模擬法應用的PMT無法分辨，而在光子計數應用下，PMT卻可分辨出單個光子的信號，探測下限可達10^-16W，是極微弱光探測的利器。

圖2 不同探測器件可探測光強范圍

二、    基本原理

光電倍增管：“光電”表示的功能，顧名思義，就是把光信號轉化為電信號；“倍增”代表PMT的結構，其內部由多級倍增極構成，用于放大轉化來的電信號；“管”即為形狀，典型的PMT主體為圓柱形，但隨著應用需求的增多及開發技術的提升，其他不同形狀的PMT也越來越多，如圖1所示。

圖1 不同外形的PMT

傳統PMT是一種真空玻璃管，由入射窗、光陰極面、倍增系統和陽極等部分組成，如圖2所示。光透過入射窗后到達光陰極面，由于光電效應光子轉換為電子，經過聚焦極和各倍增極后實現電子倍增（二次電子倍增），最后由陽極輸出電流信號。此外，還有一些外形及結構比較特殊的產品，如Channel  Photomultiplier (CPM)、Micro PMT（μPMT），此處不做特別介紹，以下以傳統PMT為例分別介紹各部分特性。

圖2 光電倍增管結構圖

1. 入射窗：

不同入射窗材料對紫外線的吸收特性有很大區別，這也決定了PMT光譜范圍的短波區界限，常用窗材如表1所示。

表1 PMT常用窗材種類

*1：石英的熱膨脹系數和PMT芯柱絲使用的可伐合金有很大差別，所以在與芯柱部分的硼硅玻璃銜接時，中間要加入數種膨脹系數逐漸過渡的玻璃，即“過渡接”。