你好，我想询问一下有关光电倍增管的暗电流直流补偿设计
- 教育综合
- 2022-06-22 12:58:46
光电倍增管的性能及参数有哪些？
光电倍增管的各项参数是评价光电倍增管性能的主要标志。根据每种光电倍增管的特点与用途，产品销售时会给出某几个参数的测试数据，供用户选择。
（1）灵敏度。灵敏度是衡量光电倍增管的重要参数。灵敏度一般分为辐照灵敏度和光照灵敏度。辐照灵敏度的定义为光电倍增管光电面输出的电流除以入射光辐射功率所得的商，通常以A/W为单位。光照灵敏度定义为光电倍增管输出光电流除以入射光通量所得的商，通常以A/lm为单位。
光阴极的灵敏度一般用光照灵敏度表示，有些运用场合（如闪烁计数）更需要蓝光灵敏度表示，因为它与闪烁计数使用的闪烁体发射的光谱非常相近。在分光光度计的应用中需要探测近红外的光谱，常采用红光灵敏度或“红白比”。
（2）量子效率。光照灵敏度一般用来比较同一类型的光阴极的灵敏度。但对不同光谱响应的光阴极，此数据就不能提供有效的比较。就光电倍增管性能而言，在特定的峰值波长下的量子效率能给出更明确的指示。在给定辐射波长下，量子效率定义为阴极发射的光电子数与入射光子数的比值，这个值通常以百分数表示，可由下式进行计算：
式中 S——给定波长下的辐射灵敏度，A/W；λ——波长，nm。
（3）光谱响应。光电倍增管的阴极吸收入射光子的能量并将其转换为光电子。其转换效率随入射光的波长变化。光谱响应的长波端取决于光阴极材料，短波端则取决于入射窗材料。不同的窗材料和光电发射层有不同的光谱响应曲线，就是同一类的光电倍增管，其光谱响应曲线也随制造工艺不同而在极大范围内变化。光谱响应曲线如图4-3-4所示。
（4）电流放大倍数（增益）。光电倍增管的流放大倍数是其阳极输出电流与光阴极光电流的比值。在理想情况下，假定每个倍增极的平均二次发射倍数为δ，具有几个倍增极光电倍增管的电流增益为δn。一般说来，二次发射系数要由下式给出：
式中，A为一常数；VD为极间电压；α为倍增极材料及其几何结构决定的系数，α的数值一般介于0.7～0.8之间。
这样具有几个倍增极的光电倍增管，当阴极与阳极之间加上电压V时，光电倍增管的电流增益G表示为
或者简单地测量阳极光照灵敏度SP与阴极光照灵敏度SK计算出来：
（5）暗电流。当光电倍增管无光照射时（严格说来是在完全隔离辐射时）所产生的电流称为暗电流。一般说来，引起暗电流有如下几个原因：欧姆漏电、热电子发射、残余气体电离（离子反馈）、场致发射、玻璃发光、契伦柯夫辐射。
（6）线性电流。线性电流的大小与光电倍增管的结构类型、工作电压、分压器设计等有关。破坏这个线性关系来自两个方面：一方面在线性低端，即输入信号很弱时，受到光电倍增管的暗电流干扰，这就决定了光电倍增管所能探测的最低信号；另一方面，在线性高端，即输入信号很强时，受到各种因素的影响。通常由下面几个因素引起：光阴极的电阻效应、分压效应、空间电荷效应。
（7）稳定性。在闪烁计数和度量学测量中，光电倍增管的稳定性是非常重要的。尤其是甄别接近于相等能量的核衰变所产生的全吸收峰时，光电倍增管的稳定性是必须认真考虑的一个参数。它与管子的工作电压、阳极与末极电压、阳极输出电流大小，工作时间，休息时间，工作前光电倍增管的状态，倍增极的材料及制造工艺有关。实验证明光电倍增管的输出信号随工作时间变化，这表现为两个过程，所不同的是过程的“建立时间”不同而已，而以后都表现为稳定而平衡的工作状态。第一过程是“快变化”过程。其建立时间，一般有几十分钟到几个小时。第二个过程是“慢变化”过程。它与倍增极的二次发射系数随时间很慢变化相联系。
在强调稳定性场合，建议平均阳极电流最好是1μA或更低。光电倍增管阳极电流随时间变化曲线如图4-3-5所示。
（8）滞后效应。当工作电压或入射光产生变化之后，光电倍增管会有一个几秒钟到几十秒钟的输出不稳定过程。在到达稳定状态之前，输出信号会有些微小的过脉冲或欠脉冲现象。这种滞后的特性在分光光度测试中应予以重视。滞后特性是由于二次电子偏离预定轨道和电极支撑物玻璃等静电引起的。为此，滨松公司的侧窗型光电倍增管采用的“抗滞设计”，实际上消除了滞后现象。光电倍增管的滞后特性如图4-3-6所示。
（9）均匀性。均匀性是指入射光射到光阴极不同位置时的灵敏度变化。尽管光电倍增管在结构、电子轨迹等设计上考虑将阴极产生的光电子和倍增极产生的二次电子有效地被第一倍增极或下一个倍增极收集，但在聚焦或倍增过程中仍然会有电子偏离预定轨道，造成收集效率的降低，这种表现出来的不均匀性当然受光电子从阴极不同位置上发射出来的影响，同时也与阴极本身光电面金属层的均匀性程度有关。
一般说来，端窗式光电倍增管因共阴极与第一倍增极的几何结构特点在均匀性方面优于侧窗型光电倍增管。
（10）时间特性。由于电子在倍增过程中的统计性质以及电子的初速效应和轨道效应，从阴极同时发射的电子到达阳极的时间是不同的。因此，输入信号为δ函数的光脉冲时，阳极电流脉冲是展宽的。为了表征光电倍增管的时间特性，一般采用脉冲上升时间、脉冲响应宽度、渡赿时间和渡赿时间分散（TTS）—时间分辨率等参数表示。
阳极脉冲上升时间是当光电倍增管由非常短的脉冲（δ函数光源）照射时，从输出脉冲前沿峰值的10%上升到90%所需时间。渡越时间是从入射光入射到光电面起，到输出脉冲出现为止的时间。渡越时间分散（TTS）定义为当重复的δ函数光源照射光电倍增管阴极的瞬间，到阳极输出前沿半幅度的出现瞬间之间所需时间变化。通常以输出时间分布曲线上的半宽度来量度。阳极脉冲上升、渡越时间如图4-3-7所示。
（11）暗计数（噪声）。在闪烁计数应用中，往往需要了解光电倍增管的暗脉冲。暗脉冲通常用等效噪声能当量和暗计数率来表示。实际应用最多的是暗脉冲计数率，其定义为输出暗脉冲谱上某两个阈值之间的总计数率，阈值以单电子的平均幅度作为标尺。暗脉冲计数率与光电倍增管的热电子发射相联系。
在低能射线测试（如液闪），环境γ射线监测，更关心的是测试装置的本底噪声（本底计数）。虽然采用符合计数法，可以去掉因高能射线（建筑物及大气中的天然放射性）产生暗脉冲计数，但光电倍增管的本身平板及玻璃（硼硅玻璃）、陶瓷中却或多或少含有放射性40K，这是本底计数的来源。因此，对于低本底测试的光电倍增管最好采用低钾或无钾玻璃。
（12）坪特性。在闪烁计数中，利用光电倍增管—闪烁体组件记录强度不变的核辐射源时，在某一区域内其计数率基本上不随外加高压变化而变化，通常把这一区域称为坪区。闪烁计数器的“坪”不是光电倍增管的特性，而是闪烁计数器在一定条件下所具有的特性，只有在一定电压范围内光电倍增管输出全部信号幅度大于仪器的甄别阈，而噪声幅度又小于甄别阈时，才产生计数“坪”。很显然，这种坪与核辐射能量、晶体和光电倍增管的性能，仪器的放大倍数和甄别阈等因素有关。
如图4-3-8所示，坪的终端是光电倍增管噪声所致。光电倍增管的噪声随温度指数增加而增加，所以随着温度升高坪就变坏。另外，温度升高，光电倍增管灵敏度下降，使坪的始端计数率下降，这两种影响使闪烁计数器坪区缩短。坪的前端与光电倍增管灵敏度有关，灵敏度高，起坪早，灵敏度低，起坪晚，坪也较长。
用闪烁计数器作强度测量时，选择坪区的工作非常重要。即使仪器及光电倍增管工作温度和性能有一定变化，仪器长期工作也能比较稳定。
作为一个应用例子是在放射性测井中，检测用的光电倍增管就常用坪特性来评价。
（13）脉冲幅度（能量）分辨率。由于光电发射和二次电子发射的统计性，即使入射相同能量的光子，输出脉冲幅度也是有变化的（有一定分散性）。产生的脉冲幅度的分布限制了管子对光子数量的分辨率，因而也是限制闪烁体和光电倍增管组件的脉冲幅度分辨率的主要原因之一。由于这个原因，引进脉冲幅度分辨率这个参数来表征仪器甄别两个不同的输入信号幅度的能力。脉冲幅度分辨率是指被研究脉冲幅度分布曲线上相应的峰位b除以峰的计数半宽度a，即a/b，用百分数表示，脉冲幅度分辨率（FWHM）=（a/b）×100%，如图4-3-9所示。
①光电倍增管—闪烁组件的脉冲幅度分辨率。一般说来，为了改善脉冲幅度分辨率，应尽量增大闪烁体发光效率（即增大光子数）、光子收集效率、光电转换效率以及光电子被第一倍增极收集系数。同时还应尽量改进影响脉冲幅度分辨率的其他因素。
对光电倍增管组件脉冲幅度分辨率进行测量，应使光电倍增管工作在线性区内。整个测试系统（光电倍增管、闪烁体、放大器和多道脉冲幅度分析器）的线性校准可用60Co的核辐射源高能峰正好是137Cs全能峰的两倍这一对应关系来标定。不适当的阳极电压、过大的增益（产生阳极电流饱和）或者不适当的分压器均可引起输出脉冲幅度分布的压缩，从而产生不正确（偏优）的脉冲幅度分辨率。
②光电倍增管固有分辨率。在闪烁计数中给出光电倍增管—闪烁体组件的脉冲幅度分辨率是必要的。但是真正反映光电倍增管的固有特性的就必须测量光电倍增管的固有分辨率。光电倍增管的固有分辨率可利用脉冲光源（例如发光二极管光源）测量。其光强应校准到与137Cs＋NaI（Tl）晶体的闪光强度等效。光谱特性和脉冲持续时间最好与碘化钠闪烁体、137Cs源信号相近，阳极的时间常数必须比光脉冲持续时间和闪烁体衰减时间大得多。显然，用光辐射源测得的固有幅度分辨率显著小于光电倍增管—闪烁体组件的分辨率，这可作为估计用碘化钠闪烁体所获得的脉冲分辨率的根据。光电倍增管—闪烁体组件脉冲幅度分辨率R应是光电倍增管的固有分辨率平方（RP2）和碘化钠闪烁体分辨率平方（RS2）相加的开方：
