光电倍增管的基础知识与应用（一）

一、    探测范围

从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释放出电磁波，且温度越高，释放的电磁波波长就越短。电磁波由低频到高频主要分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。各个波段都有其独特的作用，无线电波用于卫星通信等；红外线用于遥控、热成像仪、红外制导导弹等；可见光是所有生物用来观察事物的基础；紫外线用于医用消毒，验证假钞，测量距离，工程上的探伤等；X射线用于CT照相；γ射线用于治疗等。

正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的电磁波，它是一位人类素未谋面的“朋友”。即使是可见光，人类眼睛对微弱光也无能为力。但是这位朋友与我们的生活息息相关，如何清楚认识并充分利用就显得尤为迫切和重要。而光电倍增管在宽光谱和极微弱光的探测方面都是一个不错的选择。

光电倍增管（Photomultiplier   Tube，简称PMT）是一种真空玻璃器件，可将光信号转化为电信号，因超高灵敏度和快速响应等特点备受关注。在检测光谱方面，其可探测约100nm~1μm范围内的光信号。此外，在更短波方向，如γ射线、X射线探测使用的辐射探测器，以通过各种闪烁体转化成可见光，然后再通过PMT进行检测，其关键器件也是PMT。

图1 不同探测器件可探测光谱范围

PMT除有较宽的光谱响应范围外，还有高灵敏度、低探测下限的特点，与其他探测器相比也是有很大优势的。根据入射到PMT的光强度和输出处理回路带宽的处理方法的不同，PMT的使用可分为模拟法和计数法。改变入射光的强度，可看到在强光范围内，用示波器观察PMT输出信号时，因其脉冲间隔狭窄而相互重合为模拟波形，探测光强上限约为10^-9W。当光极其微弱时，光子呈现粒子性，普通模拟法应用的PMT无法分辨，而在光子计数应用下，PMT却可分辨出单个光子的信号，探测下限可达10^-16W，是极微弱光探测的利器。

图2 不同探测器件可探测光强范围

二、    基本原理

光电倍增管：“光电”表示的功能，顾名思义，就是把光信号转化为电信号；“倍增”代表PMT的结构，其内部由多级倍增极构成，用于放大转化来的电信号；“管”即为形状，典型的PMT主体为圆柱形，但随着应用需求的增多及开发技术的提升，其他不同形状的PMT也越来越多，如图1所示。

图1 不同外形的PMT

传统PMT是一种真空玻璃管，由入射窗、光阴极面、倍增系统和阳极等部分组成，如图2所示。光透过入射窗后到达光阴极面，由于光电效应光子转换为电子，经过聚焦极和各倍增极后实现电子倍增（二次电子倍增），最后由阳极输出电流信号。此外，还有一些外形及结构比较特殊的产品，如Channel  Photomultiplier (CPM)、Micro PMT（μPMT），此处不做特别介绍，以下以传统PMT为例分别介绍各部分特性。

图2 光电倍增管结构图

1. 入射窗：

不同入射窗材料对紫外线的吸收特性有很大区别，这也决定了PMT光谱范围的短波区界限，常用窗材如表1所示。

表1 PMT常用窗材种类

*1：石英的热膨胀系数和PMT芯柱丝使用的可伐合金有很大差别，所以在与芯柱部分的硼硅玻璃衔接时，中间要加入数种膨胀系数逐渐过渡的玻璃，即“过渡接”。