精确测量光电倍增管最大脉冲线性参数的实验研究

光电倍增管简介及使用特性

我们做化学发光的仪器检测部分都是用光电倍增管来检测我们化学反应所发出的微弱的光信号，我在这里给大家介绍一下光电倍增管的一些参数，仅供大家参考。 介绍 今天我们使用的光电器件中，光电倍增管（PMT）是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增管如图1所示，在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极（阳极）的器件。 当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大。放大后的电子被阳极收集作为信号输出。 因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。 下面将讲解光电倍增管结构的主要特点和基本使用特性。 结构 一般，端窗型（Head-on）和侧窗型（Side-on）结构的光电倍增管都有一个光阴极。侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度测定方面有广泛的使用。大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。 端窗型（也称作顶窗型）光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极（透过式光阴极），使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。 端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。

光电倍增管综述

光电倍增管综述

光电倍增管综述 摘要：光电倍增管是一种能将微弱的光信号转换成可测电信号的光电转换器件。本文将从结构，特性，应用及发展前景几方面做阐述。 一结构 光电倍增管是一种真空器件。它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。下图所示为端窗型光电倍增管的剖面结构图。 其主要工作过程如下：当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。 二特性 一光谱响应 光电倍增管由阴极收入射光子的能量并将其转换为光子，其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。 一般情况下，光谱响应特性的长波段取决于光阴极材料，短波段则取决于入射窗材料。光电倍增管的阴极一般都采用具有低逸出功能的碱金属材料所形成的光电发射面。光电倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化镁（或镁氟化物）玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透过近红外至300nm垢可见入射光，而其它3种玻璃材料则可用于对紫外区不可见光的探测。

二光照灵敏度 由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要精密的测试系统和很长的时间，因此，要为用户提 供每一支光电倍增管的光谱响应特性曲线是不现实的，所以，一般是为用户提供阴极和阳极 的光照灵敏度。 阴极光照灵敏度，是指使用钨灯产生的2856K色温光测试的每单位通量入射光产生的阴极光 电子电流。阳极光照灵敏度是每单位阴极上的入射光能量产生的阳极输出电流（即经过二次 发射极倍增的输出电流）。 三增益 光阴极发射出来的光电子被电场加速后撞击到第一倍增极上将产生二次电子发射，以便产生 多于光电子数目的电子流，这些二次发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极，以产生又 一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集， 这样就达到了电流放大的目的。这时光电倍增管阴极产生的很小的光电子电流即被放大成较 大的阳极输出电流。一般的光电倍增管有9～12个倍增极。 三应用 光电倍增管应用用下表简单表示。 光电倍增管的应用领域 光谱学----- 利用光吸收原理 应用领域光电倍增管特性适用管紫外/可见/近红外分光光度计 光通过物质时使物质的电子状态发生变化，而失去部分能量，叫做吸收。利用吸收进行定量分析。为确定样品物质的量，采用连续的光谱对物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通过被测物质前后的强度，即可得到被测物质程度，计算出物质的量。1.宽光谱响应 2.高稳定性 3.低暗电流 4.高量子效率 5.低滞后效应 6.较好偏光特性 R212 R6356,R6 R928,R955,R14 R1463 R374,R3 CR114,CR131 原子吸收分光光度计 广泛地应用于微量金属元素的分析。对应于分析的各种元素，需要专用 的元素灯，照射燃烧并雾化分离成原子状态的被测物质上，用光电倍增 管检测光被吸收的强度，并与预先得到的标准样品比较。 R928,R955 CR1 生物技术 应用领域光电倍增管特性适用管 细胞分类 细胞分类仪是利用荧光物质对细胞标定后，用激光照射，细胞的荧光、散乱光用光电倍增管进行观察，对特定的细胞进行选别的装置。1.高量子效率 2.高稳定性 3.低暗电流 4.高电流增益 5.好的偏振特性 R6353,R6357,R R928,R1477,R3 R2368 CR131 荧光计 细胞分类的最终目的是分离细胞，为此，有一种用于对细胞、化学物质进行解析的装置，它称为荧光计。它对细胞、染色体发出的荧光、散乱

APD光电二极管特性测试实验

APD光电二极管特性测试实验 一、实验目的 1、学习掌握APD光电二极管的工作原理 2、学习掌握APD光电二极管的基本特性 3、掌握APD光电二极管特性测试方法 4、了解APD光电二极管的基本应用 二、实验内容 1、APD光电二极管暗电流测试实验 2、APD光电二极管光电流测试实验 3、APD光电二极管伏安特性测试实验 4、APD光电二极管雪崩电压测试实验 5、APD光电二极管光电特性测试实验 6、APD光电二极管时间响应特性测试实验 7、APD光电二极管光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电探测综合实验仪 1个 2、光通路组件 1套 3、光照度计 1台 4、光敏电阻及封装组件 1套 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 9、示波器 1台 四、实验原理 雪崩光电二极管APD—Avalanche Photodiode是具有内部增益的光检测器，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。 雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3x105V／cm)时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离产生的电子一空穴对在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。 图6-1为APD的一种结构。外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P+和N+表示；在I区和N+区中间是宽度较窄的另一层P区。APD工作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从N+-P结区一直扩展(或称拉通)到P+区，包括了中间的P层区和I区。图4的结构为拉通型APD的结构。从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在N+-P区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N+-P区。尽管I区的电场比N+-P区低得多，但也足够高(可达2x104V／cm)，可以保证载流子达到饱和漂移速度。当入射光照射时，由于雪

光电倍增管使用特性

页眉内容 光电倍增管简介及使用特性 我们做化学发光的仪器检测部分都是用光电倍增管来检测我们化学反应所发出的微弱的光信号，我在这里给大家介绍一下光电倍增管的一些参数，仅供大家参考。 介绍 今天我们使用的光电器件中，光电倍增管（PMT ）是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增管如图1所示，在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极（阳极）的器件。 当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大。放大后的电子被阳极收集作为信号输出。 因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。 下面将讲解光电倍增管结构的主要特点和基本使用特性。

结构 一般，端窗型（Head-on）和侧窗型（Side-on）结构的光电倍增管都有一个光阴极。侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度测定方面有广泛的使用。大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。 端窗型（也称作顶窗型）光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极（透过式光阴极），使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。 端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。 电子倍增系统 光电倍增管的优异的灵敏度（高电流放大和高信噪比）得益于基于多个排列的二次电子发射系统的使用，它使电子低噪声的条件下得

实验七 光电倍增管的特性与特性参数测试

实验七光电倍增管的特性与特性参数测试 1. 实验目的： 光电倍增管是最灵敏的光电器件。它的暗电流、噪声、灵敏度大范围可调和时间响应等特性都具有独特的特点，因此，光电倍增管是非常优秀的光电器件。掌握光电倍增管的主要特性参数，及其它的供电电路对于正确应用光电倍增管解决微弱辐射的测量技术是非常重要的。 2. 实验仪器： 1）GDS-Ⅱ型光电综合实验平台主机； 1)GDBS-Ⅰ型光电倍增管实验装置； 3. 实验内容： 1、光电倍增管阳极暗电流I D的测量； 2、光电倍增管阳极光照灵敏度S a的测量；光电倍增管的灵敏度S a与电源电压U bb 的关系； 3、测量光电倍增管的增益G； 4. 实验原理 1）光电倍增管工作原理 光电倍增管是真空光电器件，它主要由光入射窗、光电阴极面、电子聚焦系统、倍增电极和阳极等5部分构成。其工作原理如“光电技术”教材第4章所讲述，分下面5部分： (1)光子透过入射窗口玻璃入射到玻璃内层光电阴极上，窗口玻璃的透过 率满足光电倍增管的光谱响应特性； (2)进入到光电阴极上的光子使光电阴极材料产生外光电效应，激发出电 子，并飞离表面到真空中，称其为光电子； (3)光电子通过电场加速，并在电子聚焦系统的作用下射入到第一倍增极 D1上，倍增极D1将发射出比入射光电子数目增多δ倍，这些二次电子又在电场 作用下射入到下一增极； (4)入射电子经N级倍增后，电子数就被放大δN倍； (5)经过电子倍增后的二次电子由阳极收集起来，形成阳极电流，在负载上产生压降，输出电压信号U o。 2）光电倍增管的基本特性参数 光电倍增管的特性参数包括光电灵敏度、电流增益、光电特性、阳极特性、暗电流特性与时间响应等特性。 ①光电灵敏度 光电灵敏度是光电倍增管探测光信号能力的一个重要标致，光电灵敏度通常分为阴极灵

光电倍增管使用特性

- -- - . -考试文档- 光电倍增管简介及使用特性 我们做化学发光的仪器检测部分都是用光电倍增管来检测我们化学反应所发出的微弱的光信号，我 在这里给大家介绍一下光电倍增管的一些参数，仅供大家参考。 介绍 今天我们使用的光电器件中，光电倍增管（PMT）是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增管如图1所示，在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极（阳极）的器件。 当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大。放大后的电子被阳极收集作为信号输出。 因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。

下面将讲解光电倍增管结构的主要特点和基本使用特性。 结构 一般，端窗型（Head-on）和侧窗型（Side-on）结构的光电倍增管都有一个光阴极。侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射 光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度 测定方面有广泛的使用。大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在 较低的工作电压下具有较高的灵敏度。 端窗型（也称作顶窗型）光电倍增管在其入射窗的表面上沉积了半透明光阴极（透过式光阴极），使其具有优于侧窗型的均匀性。端 窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。 端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。 - . -考试文档-

光敏二极管的检测方法

1．电阻测量法用黑纸或黑布遮住光敏二极管的光信号接收窗口，然后用万用表R×1k档测量光敏二极管的正、反向电阻值。正常时，正向电阻值在10~20kΩ之间，反向电阻值为∞（无穷大）。若测得正、反向电阻值均很小或均为无穷大，则是该光敏二极管漏电或开路损坏。 再去掉黑纸或黑布，使光敏二极管的光信号接收窗口对准光源，然后观察其正、反向电阻值的变化。正常时，正、反向电阻值均应变小，阻值变化越大，说明该光敏二极管的灵敏度越高。 2．电压测量法将万用表置于1V直流电压档，黑表笔接光敏二极管的负极，红表笔接光敏二极管的正极、将光敏二极管的光信号接收窗口对准光源。正常时应有0.2~0.4V电压（其电压与光照强度成正比）。 3．电流测量法将万用表置于50μA或500μA电流档，红表笔接正极，黑表笔接负极，正常的光敏二极管在白炽灯光下，随着光照强度的增加，其电流从几微安增大至几百微安。 1．光敏二极管的简易判别方法 （1）电阻测量法 用万用表1k档，测正向电阻约10kΩ左右。在无光照情况下，反向电阻应为∞，反向电阻不是∞，说明漏电流大；有光照时，反向电阻应随光照增强而减小，阻值小至几kΩ或1kΩ以下。 （2）电压测量法 用万用表1V档（无1V档可用1．5V或3V档），红表笔接光敏二极管的“十”极，黑表笔接“-”极，在光照情况下，其电压应与光照度成比例，一般可达0．2～0．4V。 （3）短路电流测量法 用万用表50mA或500mA电流档，红表笔接光敏二极管的“十”极，黑表笔接“-”极，在白炽灯下（不能用日光灯），应随光照的增强，其电流随之增加。短路电流，可达数十mA～数百mA。 光敏二极管的主要特性参数 ①最高反向工作电压VRM:是指光敏二极管在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1μA时所能承受的最高反向电压值。 ②暗电流ID:是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光

光敏电阻伏安特性光敏二极管光照特性

光敏电阻伏安特性、光敏二极管光照特性(FB815型光敏传感器光电特性实验仪 ) 凡是将光信号转换为电信号的传感器称为光敏传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接由光照明度变化引起的非电量，如光强、光照度等;也可间接用来检测能转换成光量变化的其它非电量，如零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形状、工作状态识别等。光敏传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。 光敏传感器的物理基础是光电效应，通常分为外光电效应和内光电效应两大类，在光辐射作用下电子逸出材料的表面，产生光电子发射现象，则称为外光电效应或光电子发射效应。基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。另一种现象是电子并不逸出材料表面的，则称为是内光电效应。光电导效应、光生伏特效应都是属于内光电效应。好多半导体材料的很多电学特性都因受到光的照射而发生变化。因此也是属于内光电效应范畴，本实验所涉及的光敏电阻、光敏二极管等均是内光电效应传感器。 通过本设计性实验可以帮助学生了解光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池与光学纤维的光电传感特性及在某些领域中的应用。 【实验原理】 1(光电效应: (1)光电导效应: 当光照射到某些半导体材料上时，透过到材料内部的光子能量足够大，某些电子吸收光子的能量，从原来的束缚态变成导电的自由态，这时在外电场的作用下，流过半导体的电流会增大，即半导体的电导会增大，这种现象叫光电导效应。它是一种内光电效应。

光电导效应可分为本征型和杂质型两类。前者是指能量足够大的光子使电子离开价带跃入导带，价带中由于电子离开而产生空穴，在外电场作用下，电子和空穴参与电导，使电导增加。杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加。杂质型光电导的长波限比本征型光电导的要长的多。 (2)光生伏特效应: 在无光照时，半导体结内部有自建电场。当光照射在结及其附近时，在能量PNPN 足够大的光子作用下，在结区及其附近就产生少数载流子(电子、空穴对)。载流子在结区外时，靠扩散进入结区;在结区中时，则因电场的作用，电子漂移到区，空穴漂移EN到区。结果使区带负电荷，区带正电荷，产生附加电动势，此电动势称为光生电动PPN 势，此现象称为光生伏特效应。 2(光敏传感器的基本特性: 光敏传感器的基本特性则包括:伏安特性、光照特性等。 伏安特性: 光敏传感器在一定的入射光照度下，光敏元件的电流与所加电压之间的关系称为IU光敏器件的伏安特性。改变照度则可以得到一族伏安特性曲线。它是传感器应用设计时的重要依据。 光照特性: 光敏传感器的光谱灵敏度与入射光强之间的关系称为光照特性，有时光敏传感器的输出电压或电流与入射光强之间的关系也称为光照特性，它也是光敏传感器应用设计时选择参数的重要依据之一。

实验3光电倍增管特性参数的测试

实验3 光电倍增管特性参数的测试 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。 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 实验仪器 光电倍增管实验仪1台 实验原理 1、工作原理 光电倍增管是一种真空光电器件(如图3-1)，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3-2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S K 阴极光照灵敏度S K 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I k 除以入射光通量Φ所得的商 )/(Lm A I S K k μΦ = 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 A E ?=Φ 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10-5～10-2 Lm 。 3） 阳极光照灵敏度S p 阳极光照灵敏度S p 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

光电倍增管和半导体光电器件新应用举例

光电倍增管（PMT）研究进展及应用 ——记2004年北京HAMAMATSU技术交流会 前言 “2004年北京HAMAMATSU技术交流会”于2004年10月27日～2004年10月29日在浙江杭州召开的。北京HAMAMATSU技术交流会是由北京滨松光子技术有限公司承办的技术交流活动，每年举办一次，邀请各个科研机构和生产单位的专家和技术人员参加，主要介绍滨松公司的产品和研究进展，解答用户的技术问题，交流讨论光电器件在科研和生产中的应用问题。我代表西安交通大学生物医学与分子光子学研究室和西安天隆科技有限公司有幸参加了这次交流活动。 HAMAMATSU（滨松）是总部设在日本的一家主要生产光器件的跨国公司。它在亚洲、欧洲和北美设有七家分支机构。日本滨松下设四个生产部门：电子管事业部，主要生产以光电倍增管为主的各种真空探测器,真空光源等相关仪器设备。半导体事业部，主要生产以光电二极管为主的各种半导体光电器件。系统事业部，主要生产以滨松公司自产器件为中心的各种分析和测量仪器,应用在半导体芯片,生物工程和医疗等各种领域。激光器事业部，主要生产科研和产业用的大功率半导体激光器。北京滨松光子技术有限公司是1988年由中国核工业总公司北京核仪器厂与日本滨松光子学株式会社共同投资成立的。 在2004年交流会中来自日本滨松总部、电子管事业部、半导体事业部的五位专家做了五场专题报告，分别是大冢副社长做的“HPK(滨松)与光产业的现状和未来”，夸田敏一先生做的“PMT新产品介绍”，久米英浩先生做的“PMT应用技术产品及应用领域”，伊藤先生做的“半导体光检测新产品介绍”和石原繁树做的“光源产品介绍”。会议过程中还穿插有技术交流活动，为来自各个科研院所和生产单位的技术人员提供了一个交流的平台。 光电倍增管技术的进展 图1 滨松生产的PMT

光敏电阻伏安特性、光敏二极管光照特性

光敏传感器的光电特性研究 (FB815型光敏传感器光电特性实验仪) 凡是将光信号转换为电信号的传感器称为光敏传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接由光照明度变化引起的非电量，如光强、光照度等；也可间接用来检测能转换成光量变化的其它非电量,如零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形状、工作状态识别等。光敏传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。 光敏传感器的物理基础是光电效应，通常分为外光电效应和内光电效应两大类,在光辐射作用下电子逸出材料的表面,产生光电子发射现象,则称为外光电效应或光电子发射效应。基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。另一种现象是电子并不逸出材料表面的,则称为是内光电效应。光电导效应、光生伏特效应都是属于内光电效应。好多半导体材料的很多电学特性都因受到光的照射而发生变化。因此也是属于内光电效应范畴,本实验所涉及的光敏电阻、光敏二极管等均是内光电效应传感器。 通过本设计性实验可以帮助学生了解光敏电阻、光敏二极管的光电传感特性及在某些领域中的应用。 【实验原理】 1．光电效应: (1）光电导效应: 当光照射到某些半导体材料上时,透过到材料内部的光子能量足够大，某些电子吸收光子的能量，从原来的束缚态变成导电的自由态,这时在外电场的作用下,流过半导体的电流会增大，即半导体的电导会增大,这种现象叫光电导效应。它是一种内光电效应。 光电导效应可分为本征型和杂质型两类。前者是指能量足够大的光子使电子离开价带跃入导带，价带中由于电子离开而产生空穴，在外电场作用下，电子和空穴参与电导，使电导增加。杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加。杂质型光电导的长波限比本征型光电导的要长的多。 (２)光生伏特效应: 在无光照时,半导体PN结内部有自建电场。当光照射在PN结及其附近时,在能量足够大的光子作用下，在结区及其附近就产生少数载流子（电子、空穴对）。载流子在结区外时，靠扩散进入结区；在结区中时,则因电场E的作用,电子漂移到N区，空穴漂移到P 区。结果使N区带负电荷,P区带正电荷,产生附加电动势,此电动势称为光生电动势，此现象称为光生伏特效应。 2．光敏传感器的基本特性： 光敏传感器的基本特性则包括:伏安特性、光照特性等。

光电倍增管

附录二光电倍增管 K——光阴极；F——聚焦极；D1～D10——打拿极；A——阳极。 光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系统及阳极组成，并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极──打拿极(又称“倍增极”)──阳极之间建立一个电位分布。光辐射照射到阴极时，由于光电效应，阴极发射电子，把微弱的光输入转换成光电子；这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦，光电子在电子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极，产生二次电子，由于二次发射系数大于1，电子数得到倍增。以后，电子再经倍增系统逐级倍增，阳极收集倍增后的电子流并输出光电流信号，在负载电阻上以电压信号的形式输出。 根据打拿极的几何形状和排列方式，光电倍增管分为聚焦型(环

状、直线)和非聚焦型(百叶窗式、盒栅式)。本装置采用百叶窗式光电倍增管，过去采用GDB44F 型，现采用GDB43型。其优点为脉冲幅度分辨率较好，适用闪烁能谱测量。 它的主要指标应该包括以下几方面：光电转换特性、电子倍增特性、噪声或暗电流、时间特性等；在此主要介绍光电转换特性和电子倍增特性。 1. 光电转换特性——光阴极的光谱响应和灵敏度 光阴极是接收光子并放出光电子的电极，一般是在真空中把阴极材料蒸发在光学窗的内表面上，形成半透明的端窗阴极；光阴极材料的品种有数十种，但最常用的只是五、六种，如锑铯化合物等。一般光电倍增管光阴极前的光学窗有两种：硼玻璃窗或石英窗，前者适用于可见光，后者可透过紫外光。光阴极受到光照射后发射光电子的几率是波长的函数，称为光谱响应。在长波端的响应极限主要由光阴极材料的性质决定，而短波端的响应主要受入射窗材料对光的吸收所限制。了解光电倍增管的光谱响应特性有利于正确选择不同管子使之与闪烁体的发射光谱相匹配。 在实际应用中，光电转换特性通常使用另一个宏观定义，即一定通量F 的白光照射阴极所能获得的光电子流（i k ）称为光阴极光照灵敏度： k k i S F （1） 其中i k 单位为微安；F 为光通量，单位为“流明”(lm)。 2. 电子倍增特性——光电倍增管的放大倍数及阳极灵敏度

光电倍增管简介

光电倍增管简介 1. 光电倍增管的结构和工作原理 由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子 的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105~106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。 2. 光电倍增管的主要参数 （1）倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。如果n个倍增电极的δ都相同，则M=1因此，阳极电流I 为 i —光电阴极的光电流 光电倍增管的电流放大倍数β为 M与所加电压有关，M在105~108之间，稳定性为1％左右，加速电压稳定性要在0.1％以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V。对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。

光电倍增管的特性曲线 （2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。 （3）暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。 如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。 （4）光电倍增管的光谱特性 光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。

光电二极管检测电路的组成及工作原理

光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法 是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入 放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种 方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压 （零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之 产生的电流I SC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R F。输出电压会随着电阻R F两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压,即 V OUT = I SC×R F（1） 图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中,V OUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;I SC是光电二极管产生的电流,单位为A;R F是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的C RF是电阻R F的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/（2p R F C RF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件R F。用这个模拟程序,激励信号源为I SC,输出端电压为V OUT。 此例中,R F的缺省值为1MW ,C RF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/（2p R F C RF）,即318.3kHz。改变R F 可在信号频响范围内改变极点。

光电倍增管应用

光电倍增管（PMT）研究进展及应用 光电倍增管技术的进展 图1 滨松生产的PMT 近些年得到广泛应用的MCP-PMT（Microchannel Plate Photomultiplier），金属封装PMT，多通道PMT代表了光电倍增管的最新研究进展： 1.高量子效率，高灵敏度，高响应速度，探测波长向红外延伸。某些型号PMT光谱响应范围可延伸置1200nm。 2.采用金属封装，多通道结构，提高有效光电面积。已有的平板型PMT，其有效光电面积可达89％。 3.采用平板化、多阳极技术，可以小型化，具有二维高分辨率。已有的10×10道阳极， 44的MCP-PMT厚度仅有1 4.8mm。 4.努力降低暗电流和自身噪声，减少放射性物质。暗电流最小可达0.5nA，自身噪声可减置5个暗计数/2 cm sec。 5.将电子管真空技术与半导体技术，微细加工技术，电子轨道技术和周边电路技术相结合。HPD(Hybrid Photo Detector)就是一种结合了电子管真空技术与半导体技术的复合器件。光电转换后的电子经过电场加速,直接照射在CCD或APD上,引起“电子入射倍增效应”。 6.使用简单化，价格降低。 光电倍增管的应用领域 光电倍增管的应用领域非常广泛，主要分为以下十几种： 光谱学：紫外/可见/近红外分光光度计，原子吸收分光光度计，发光分光光度计，荧光分光光度计，拉曼分光光度计，其他液相或气相色谱如X光衍射仪、X光荧光分析和电子显微镜等。 质量光谱学与固体表面分析：固体表面分析，这种技术在半导体工业领域被用于半导体的检查中，如缺陷、表面分析、吸附等。电子、离子、X射线一般采用电子倍增器或MCP来

光电倍增管的作用

光电倍增管的应用领域非常广泛，主要分为以下十几种： 光谱学：紫外/可见/近红外分光光度计，原子吸收分光光度计，发光分光光度计，荧光分光光度计，拉曼分光光度计，其他液相或气相色谱如X光衍射仪、X光荧光分析和电子显微镜等。 质量光谱学与固体表面分析：固体表面分析，这种技术在半导体工业领域被用于半导体的检查中，如缺陷、表面分析、吸附等。电子、离子、X射线一般采用电子倍增器或MCP来测定。 环境监测：尘埃粒子计数器，浊度计，NOX、SOX 检测。 生物技术：细胞分类计数和用于对细胞、化学物质进行解析的荧光计。 医疗应用：γ相机，正电子CT，液体闪烁计数，血液、尿液检查，用同位素、酶、荧光、化学发光、生物发光物质等标定的抗原体的定量测定。其他如X光时间计，用以保证胶片得到准确的曝光量。 射线测定：低水平的α射线，β射线和γ射线的检测。 资源调查：石油测井，用于判断油井周围的地层类型及密度。工业计测：厚度计，半导体检查系统。 摄影印刷：彩色扫描，把彩色分解成三原色（红、绿、兰）和黑色，作为图象数据读出。高能物理——加速器实验：辐射计数器，TOF计数器，契伦柯夫计数器，热量计。中微子、正电子衰变实验，宇宙线检测：中微子实验，空气浴计数器，天体X线探测，恒星及星际尘埃散乱光的测定 激光：激光雷达，荧光寿命测定。 等离子体：等离子体探测，使用光电倍增管用来计测等离子中的杂质 在入射光强度过大或照射时间过长时，光电倍增管会出现光电流衰减、灵敏度骤降的疲劳现象，这是由于过大的光电流使电极升温而使光电发射材料蒸发过多所引起。在停歇一段时间后还可全部或部分得到恢复。光电倍增管由于疲劳效应而灵敏度逐步下降，称为老化，最后不能工作而损坏。过强的入射光会加速光电倍增管的老化损坏，因此，不能在工作状态下（光电倍增管加上高压时）打开光电直读光谱仪的外罩，在日光照射下，光电倍增管很快便损坏。

光电二极管检测电路的工作原理及设计方案

?光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景，单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理，然后如果读者有机会的话，可以运行一个SP IC E模拟程序，它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS 输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极，如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻RF。输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压，即 VOUT = ISC ×RF （1）

图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中，VOUT是运算放大器输出端的电压，单位为V;ISC是光电二极管产生的电流，单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻，单位为W 。图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容，且具有一个单极点为1/（2p RF CRF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件RF。用这个模拟程序，激励信号源为ISC，输出端电压为VOUT。 此例中，RF的缺省值为1MW ，CRF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后，传输函数中的极点等于1/（2p RFCRF），即318.3kHz。改变RF可在信号频响范围内改变极点。 遗憾的是，如果不考虑稳定性和噪声等问题，这种简单的方案通常是注定要失败的。例如，系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出，更坏的情况是电路可能会产生振荡。如果解决了系统不稳定的问题，输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。 实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻。第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声，根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。 这种电路中有三个设计变量需要考虑分析，它们是：光电二极管、放大器和R//C反馈网络。首先选择光电二极管，虽然它具有良好的光响应特性，但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外，光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化，会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差，运放应该具有一个较小的输入偏置电流（例如CMOS工艺）。此外，输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。最后，R//C反馈网络用于建立电路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。 2 光检测电路的SPICE模型

光电倍增管选择及使用

光电倍增管选择及使用 光电倍增管选择及使用 摘要：放射性测井项目是地层评价主要测井方法，随着该方法广泛应用，对光电倍增管的需求也成倍地增加。核测井仪器研制和维修人员应了解光电倍增管的特性、指标参数和应用要求等，因此必须掌握如何合理地选择及正确使用光电倍增管，该文对相关工作人员的工作会有很大的帮助，也是十分必要的。 关键词：光电倍增管坪区光照灵敏度 高温光电倍增管采用Sb、K、Na等高温双碱阴极材料。该阴极材料老化后能稳定工作在摄氏175℃甚至200℃的环境温度下。倍增极材料采用铜铍合金，其特点是温度性能好，在摄氏400℃时二次发射系数稳定。 核测井对高温光电倍增管的最基本的要求是光电倍增管自身在工作点处的计数率要稳定，不因井下高温和高压条件而变化，尽量使测得的计数率变化能唯一反映地层性质的变化。 1坪特性 当辐射强度一定时，其计数率随着光电倍增管的高压的变化而变化，但继续增加高压会使计数率迅速增加，我们把这种特性称为闪烁计数器的“坪特性”。闪烁晶体计数器的“坪”不是光电倍增管固有的特性，而是在一定条件下所具有的特性。光电倍增管输出信号及噪声幅度随着加在光电倍增管上的电压的变化而变化。只有在一定电压范围内，光电倍增管输出信号幅度大于仪器甄别阈，而噪声幅度又小于甄别阈时才产生“计数坪”。这种坪与脉冲幅度分布、射线能量、晶体、光电倍增管的性能、仪器的放大倍数甄别阈及其应用条件等因素有关。为了表征闪烁计数器的坪特性，通常采用“坪长”、“坪斜”两个参数。以VA和VB分别表示坪两端处的电压，以NA和NB分别表示在该电压下的计数率，则： 表示坪斜。 式中，为坪区内的平均计数率。

2“坪”与脉冲幅度分布的关系 高压坪曲线是在一定甄别阈US下改变高压而测得的。它只记录闪烁计数器输出脉冲幅度大于US的脉冲，实际上是对整个幅度分布谱进行积分计算的。随着高压增加，大于US的脉冲数也要增加。很显然坪曲线与脉冲幅度分布有关。 如果脉冲幅度分布只有一种或几种幅度的脉冲，小幅度脉冲是噪声的贡献，大幅度与小幅度之间计数很少，这时无论是计数率随甄别阈的变化，还是计数率随高压的变化，都可得到一段坪区。低计数区的计数多（光峰比少），坪斜就大些。如果各种幅度的脉冲都有，那么计数率随甄别阈减小而增加，不出现坪台。 不同辐射类型和不同辐射能量使输出脉冲幅度（辐射能谱）不同，其信噪比也不同，所以坪曲线也不同。即使辐射能量相同，由于管子性能（峰谷比、分辨率）不同，其脉冲幅度也不一样，坪曲线也不相同。 3坪与管子性能的关系 从理论分析可知，管子性能不同，其坪曲线也不相同。下面着重讨论光电倍增管的阴极光照灵敏度、阳极光照灵敏度（增益）、噪声及温度与坪曲线的关系问题。 3.1阴极光照灵敏度 核测井中的NaI（Tl）晶体的发光光谱处于光谱区。管子的阴极光照灵敏度高，其光电转换效率也高，所以管子的阴极光照灵敏度的大小能反映坪特性的好坏。阴极光照灵敏度高，起坪时计数变化快，坪出现较早。 3.2阳极光照灵敏度 阳极光照灵敏度高的管子起坪早，结束也早，并且坪区比较窄。反之，阳极光照灵敏度较低的管子，起坪较晚，结束也晚，坪区比较宽。阳极光照灵敏度越低的管子坪越长，坪斜也小。这只能说明这种管子对电压不敏感，并不是在所有情况下都能给出最稳定的计数，更不能说这种管子最好。 3.3噪声 从坪曲线可知，坪的终端一般是光电倍增管的噪声所致。因为过