最新实验二光电倍增管特性参数的测试.docx

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最新实验二光电倍增管特性参数的测试

实验二光电倍增管特性参数的测试

实验二光电倍增管特性参数的测试

一、实验目的

1、了解光电倍增管的基本特性。

2、学习光电倍增管基本参数的测量方法。

3、学会正确使用光电倍增管。

二、实验内容

1、暗电流的测量

2、阴极灵敏度的测量

3、阳极灵敏度的测量

4、光电倍增管放大倍数的测量

5、光电倍增管光电特性

三、实验仪器

光电倍增管实验仪1台

四、实验原理

1、工作原理

光电倍增管是一种真空光电器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极组成。

其工作原理为：

（1）光子透过入射窗入射到光电阴极上；

（2）光电阴极上的电子受光子的激发，离开表面发射到真空中；（3）光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次光电子;（4）入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次；（5）经过倍增后的二次电子由阳极收集起来，形成阳极光电流，在负载上产生信号电压。

2、供电分压器和输出电路

从光电阴极到阳极的所有电极用串联的电阻分压供电，使管内各极间能形成所需的电场。

光电倍增管的极间电压的分配一般由图二所示的串联电阻分压器执行的，最佳的极间电压分配取决于三个因素：

阳极峰值电流，允许的电压波动以及允许的非线性偏离。

光电倍增管的极间电压可按前极区，中间区和末极区加以考虑。

前极区的收集电压必须足够高，以使第一倍增极有高的收集率和大的次极发射系数，中间级区的各级间通常具有均匀分布的极间电压，以使管子给出最佳的增益。

由于末极区各极，特别是末极区取较大的电流，所以末极区各极间电压不能过低，以免形成空间电荷效应而使管子失去应有的直线性。

当阳极电流增大到能与分压器电流相比拟时，将会导致末极区间电压的大幅度下降，从而使光电倍增管出现严重的非线性。

为防止极间电压的再分配以保证增益稳定，分压器电流至少为最大阳极电流的10倍。

对于直线性要求很高的应用场合，分压器电流至少为最大阳极平均电流的100倍。

确定了分压器的电流，就可以根据光电倍增管的最大阳极电压算出分压器的总电阻。

再按适当的极电压分配。

由总电阻计算出分压电阻的阻值。

光电倍增管输出的是电荷，且其阳极可以看成是一个理想的电流发生器来考虑。

因此，输出电流与负载阻抗无关。

但实际上，对负载的输入阻抗却存在着一个上限。

因为负载电阻上的电压降明显地降低了末极倍增管与阳极之间的电压。

对于直流信号，光电倍增管的阳极能产生达数十伏的电压输出。

因此可以使用大的负载电阻。

3、电倍增管的特性和参数

光电倍增管的特性参数包括灵敏度、电流增益、光电特性、阳极特性、暗电流等。

下面介绍本实验涉及到的特性和参数。

1）灵敏度

灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数，一般是指积分灵敏度，其单位为uA/Lm。

光电倍增管的灵敏度一般包括阴极灵敏度、阳极灵敏度。

2）阴极光照灵敏度SK

阴极光照灵敏度SK是指光电阴极本身的积分灵敏度。

定义为光电阴极的光电流Ik除以入射光通量Φ所得的商

光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图所示。

入射到阴极K的光照度为E，光电阴极的面积为A，则光电倍增管接受到的光通量为

由式可以计算出阴极灵敏度。

入射到光电光电阴极的光通量不太大，否则由于光电阴极层的电阻损耗会引起测量误差。

光通量也不能太小，否则由于欧姆漏电流影响光电流的测量精度，通常采用的光通量的范围为10-5～10-2Lm。

3）阳极光照灵敏度Sp

阳极光照灵敏度Sp定义是指光电倍增管在一定工作电压下阳级输出电流与照射阴极上光通量的比值

4）放大倍数（电流增益）G

放大倍数G（电流增益）定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流Ip与阴极电流IK间的比值。

由于阳级灵敏度包含了放大倍数的贡献，于是放大倍数也可以由在一定工作电压下阳极灵敏度和阴极灵敏度的比值来确定，即

放大倍数G取决于系统的倍增能力，因此它是工作电压的函数。

5）暗电流Id

当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，在阳极电路里仍然会出现输出电路，称为暗电流，暗电流与阳极电压有关，通常是在与指定阳极光照灵敏度相应的阳极电压下测定的。

引起暗电流的因素有：

热电子发射，场致发射、放射性同位素的核辐射，光反馈、离子反馈、极间漏电等。

6）光电特性

光电倍增管的光电特性定义为在一定的工作电压下，阳极输出电流Ip与光通量之间的曲线关系。

4、高压供电与信号输出

为了使光电倍增管能正常工作，通常在阴极和阳级间加上近千伏的高压。

同时，还需在阴极、倍增极和阳极间分配一定的电压，保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增系统得到增大。

光电倍增管的供电方式有两种，即负高压接法（阴极接电源负高压，电源正端接地）和正高压接法（阳极接电源正高压、而电源负端接地）

正高压接法的特点是可使屏蔽光、磁、电的屏蔽罩直接于管子外壳相连，甚至可以制成一体，因而屏蔽效果好，暗电流小，噪声水平低。

但这时阳极处于正高压，会导致寄生电容增大。

如果是直流输出，则不仅要求传输电缆能耐高压，而且后级的直流放大器也处于高电压，会产生一系列的不便；如果是交流输出，则通过耐高压、噪声小的隔直电容。

负高压的优点是便于与后面的放大器连接，且即可以直流输出，又可以交流输出，操作安全方便。

缺点是玻壳的电位与阴极电位接近，屏蔽罩应至少离开玻壳1～2cm。

否则，由于静电屏蔽的寄生影响，暗电流与噪声都会增大。

五、注意事项

1.光电倍增管对光的响应极为灵敏。

因此，在没有完全隔绝外界干扰光的情况下，切勿对管施加工作电压，否则会导致管内倍增极的损坏；

2.即使管子处于非工作状态，也要尽可能减少光电阴极和倍增极的不必要爆光，以免对管子造成不良影响；

3.测量阴极电流时，加在其间的电压不可超过200V，否则容易烧坏光电倍增管。

4.测量阴极电流时，加在阴极与第一倍增级之间的电压不可超过200V，否则容易损坏光电倍增管。

5.不要用手触摸光电倍增管的阴极面，以免造成光电倍增管透光率下降；

6.阴极和阳极之间在切换时，首先必须把电压调节到零。

六、实验内容

准备步骤：

用同轴电缆线将光电倍增管暗箱的“PMT输出”接口与光电倍增管实验仪实验箱上的“PMT输入”接口相连，用同轴电缆线将光电倍增管暗箱上的“高压输入”接口与实验箱上的“高压输出”接口相连，用同轴电缆线将照度计探头与实验箱上的“照度计输入”接口相连，将所有旋钮逆时针调节到最小。

注：

本实验采用的光电倍增管的受光面面积为24mm×8mm。

1、暗电流测量

1）将光源旋接在光电倍增管暗箱上；

2）将暗箱上的“阴极电流/阳极电流”开关（以下简称“阴极/阳极”开关）打到“阳极电流”档；

3）将实验箱上的“HV/LV”开关打到“HV”档，将“静态特性测试/时间特性测试”开关（以下简称“静态/时间”开关）打到“静态特性测试”档；

4）缓慢调节电压调节旋钮，当电压分别为200V、400V、600V、800V、1000V时记下电流表的电流值，填入表1.1，该值即为光电倍增管的暗电流；

5）实验结束，将高压调节旋钮逆时针调节到零；

表1.1

倍增管电压V

200V

400V

600V

800V

1000V

阳极暗电流Id

6）画出Id~V关系曲线。

2、阳极灵敏度测量

1）将光电倍增管暗箱上的“阴极/阳极”开关打到“阳极电流”档；

2）将实验箱上的“HV/LV”开关打到“HV”档，将“静态/时间”开关打到“静态特性测试”档；将光源与照度计探头旋接，并与实验箱上的“LED2”相连。

连接完毕后，将光照度调节旋钮逆时针调节到零，按下照度表的换档开关将照度表的量程调节到20lx档，调节调零旋钮将照度值调节到0.00。

3）缓慢调节光照度调节旋钮，将照度值调节到0.1Lx。

保持光照度调节旋钮不变，将光源与照度计探头分开；

4）将光源旋接在暗箱上，缓慢调节高压旋钮，分别记下电压为100V,200V,300V,400V,500V,600V,700V,800V,900V和1000V时的阳极电流值,填入表1.2；

5）重复2，3）的实验内容，调节光强至光照度E=0.2Lx，重复4）的实验内容。

6）实验结束，将高压调节旋钮逆时针调节到零；将光照度调节旋钮逆时针调节到零；

7）分别画出两个光照下光电倍增管阳极电流Ip与光电倍增管电压关系曲线。

8）分别计算200V、400V、600V、800V、1000V电压下阳极光照灵敏度。

表1.2—E=0.1Lx

倍增管电压

100V

200V

300V

400V

500V

600V

700V

800V

900V

1000V

阳极电流I

表1.3—E=0.2Lx

倍增管电压

100V

200V

300V

400V

500V

600V

700V

800V

900V

1000V

阳极电流I

3、阴极灵敏度测量

1）将实验箱上的“HV/LV”开关打到“LV”档，

2）将实验箱上的“静态/时间”开关打到“静态特性测试”档；

3）将暗箱上的“阴极/阳极”开关打到“阴极电流”档；

4）将光源与照度计探头旋接，并与实验箱上的“LED2”相连。

连接完毕后，将光照度调节旋钮逆时针调节到零，按下照度表的换档开关将照度表的量程调节到20lx档，调节调零旋钮将照度值调节到0.00。

5）调节光照度调节旋钮使照度表显示为0.1lx。

6）保持光照度调节旋钮不变，将光源与照度计探头分开；将光源旋接在光电倍增管暗箱上；缓慢从零增加电压，每隔0.1V记录对应的电流值。

绘出电压与电流之间的关系，并找到曲线趋于饱和的电流值IK。

7）将高压调节旋钮逆时针调节到零；将光照度调节旋钮逆时针调节到零；

8）按照公式

计算阴极灵敏度。

4、光电倍增管增益（放大倍数）的计算

1）计算当光照度为0.1Lx时，阳级电压分别为500V、600V、700V、800V、900V和1000V时的放大倍数；

2）绘出该光强下的G－V曲线，并对曲线进行分析。

5、光电倍增管光电特性测量

1）将实验箱上的“静态/时间”开关打到“静态特性测试”档；

2）将光电倍增管暗箱上的“阴极/阳极”开关打到“阳极电流”档；

3）将实验箱上的“HV/LV”开关打到“HV”档；

4）将光源与光照度探头连接，调节光照度调节旋钮使照度表显示为0.2Lx。

5）将衰减器旋接在暗箱上，再将光源旋接在衰减器上。

缓慢增加电压为1000V，记下此时的电流值；

6）重复步骤4）和5），依次记下光照度为0.2Lx，0.3Lx，0.4Lx，0.5Lx，0.6Lx时的电流值。

7）绘出

－E曲线。

8）将光照度调节旋钮和高压调节旋钮逆时针调节到零。

光照度（Lx）

0

0.21

0.31

0.41

0.51

0.61

电流（μA）