模塊化光電倍增管實驗開發

馬國悅,馬世紅,白翠琴

(復旦大學 物理學系，上海 200433)

?

模塊化光電倍增管實驗開發

馬國悅,馬世紅,白翠琴

(復旦大學 物理學系，上海 200433)

通過光電倍增管、電流測試儀、負高壓電源、照度計等儀器的組合，設計了分壓電路,搭建了模塊化的光電倍增管特性測試的實驗平臺，實現了對光電倍增管暗電流、光電特性、伏安特性的測量. 模塊化的實驗平臺組合使得儀器裝置具有良好的開放性，有利于學生直觀認識掌握光電倍增管的工作原理以及性能參量的物理意義.

光電倍增管；暗電流；伏安特性；光電特性

1 引 言

光電倍增管是一種以光電效應、二次電子發射和電子光學理論為原理基礎的真空光電發射器件. 它把微弱入射光轉換成光電子，并獲得倍增，具有極高靈敏度和超快時間響應的優點. 一些具有里程碑意義的近代物理實驗都離不開光電倍增管的運用，如塞曼效應、氫光譜實驗、能譜儀實驗、拉曼光譜等. 現有的一些光電倍增管教學設備實現了各種儀器的一體化集成和封裝，在簡化實驗操作的同時，也給學生理解核心的物理原理概念帶來了困難. 而開放式、模塊化的實驗平臺設計為學生提供了一次打開“黑箱”的機會，直觀地認識各種儀器的結構及其組合方式，從而對測量手段的原理和數據的物理意義有更深刻的理解，并為學生自主的探索學習提供了拓展的空間[1-7].

2 實驗方案設計

實驗裝置原理示意圖如圖1所示，實物如圖2所示. 實驗采用可調直流電源與LED燈珠組合光源，可通過改變供電電壓調節光強. 固定JD-3型照度計探頭與光源的相對位置，可以實現對相對光強的測量. 光電倍增管供電采用1 500 V可調負高壓電源，信號電流測量采用HB-311型PA級電流測試儀. 采用GDB221倍增管與濱松R669光電倍增管. 為保障密閉充分遮光，以鋁制管座外殼遮罩，遮罩前端為直徑2.0 cm通光孔，可根據實驗需要調節通光面積. 該設計既降低了對實驗環境的要求，同時又保證了實驗儀器的開放性.

圖1 實驗裝置原理示意圖

圖2 實驗平臺

光電倍增管分壓電路的設計(圖3)：光電陰極接負高壓供電，設計分壓電路在1 000 V工作狀態下電流為1.96 mA，約為平均陽極電流的20倍，以保障倍增極間的電壓分布. 由此確定分壓電路單位阻值為39 kΩ，陰極與第一倍增極間電阻阻值為單位電阻的3倍即120 kΩ，以確保第一打拿極收集電子的效率，提高系統增益. 末三級的旁路電容在脈沖信號下可保障光電線性，大小分別為0.01,0.01,0.047 μF[8].

圖3 光電倍增管分壓電路示意圖

3 測試結果與分析

3.1 暗電流

對GDB221，R669管的測量結果如圖4所示. 在低壓區0～400 V，暗電流低于pA量級；工作電壓區域600～1 000 V,暗電流上升至nA量級；在1 300 V以上電壓時，R669管的暗電流陡升至μA量級. 從圖中曲線可以明顯觀察到存在狀態躍變的情況.

圖4 暗電流曲線

對于低壓區0～400 V，暗電流曲線呈現明顯的線性特征，如圖5所示.

采用直線擬合得到GDB221管和濱松R669管的結果分別為

Idark=(0.061 4±0.000 4)U+(0.10±0.09),

Idark=(0.004 6±0.000 2)U+(-0.27±0.04) .

暗電流同工作電壓之間呈正比關系，如圖6所示，由斜率可以求得GDB221管和濱松R669管的電阻分別為

R=(1.630±0.013)×1013Ω，

R=(2.16±0.09)×1014Ω .

圖5 低壓區暗電流曲線

圖6 工作電壓區間暗電流

此量級的電阻可以認為是漏電因素的作用. 光電倍增管電極之間玻璃、管座和灰塵會導致漏電，由于漏電電流不經過電子倍增系統，所以電阻性質穩定，不隨電壓變化.

當電壓上升至工作區間600～1 000 V，暗電流曲線隨負高壓增大迅速上升.

GDB221和濱松R669管對數處理后如圖7所示，的數據直線擬合的結果分別為(電流以pA為單位)

lgI=(8.9±0.2)lgU+(-24.2±0.6),

lgI=(6.64±0.09)lgU+(-17.3±0.3) .

擬合表明I∝U(8.9±0.2),I∝U(6.64±0.09)，證明了對暗電流來自倍增系統放大.

圖7 對數處理后的工作電壓區間暗電流

注意到，濱松R669管在高于1 300 V時，其對數處理曲線進一步偏離線性，暗電流上升速度再次加快，存在“突升”現象，其原因可能來自場致發射電子或殘余氣體電離放電在高壓區明顯作用[7-9].

3.2 伏安特性的測量

對濱松R669管在不同入射光強下的伏安特性曲線測試結果如圖8所示.

陽極輸出電流隨負高壓增大而快速上升，這反映了增益(放大倍數)隨電壓的變化，且數據表明上升速度與入射光波長、強度均無關. 濱松R669管對數擬合得到的結果為(照度計示數0.8,0.4 lx)

lgI=(6.35±0.03)lgU+(-13.2±0.09),

lgI=(6.36±0.03)lgU+(-13.5±0.10).

圖8 對數處理后伏安特性曲線

因此倍增管伏安特性在理論上應滿足I∝Unk，其中n為倍增極數量. 濱松R669管有10個倍增極，相應的k=0.636±0.003.

3.3 光電特性的測量

實驗采用測量相對光強的辦法,在伏安特性電路的基礎上，靠近LED處放置照度計探頭，測量過程中保持位置固定，調節LED工作電壓，測得照度計示數及光電流即反映光電特性. 對濱松R669管光電特性曲線測量光電線性曲線測量結果如圖9所示.

圖9 光電特性曲線

倍增管加壓800 V時,

I=(0.974±0.008)L+(2.6±0.8) ,

倍增管加壓500 V時,

I=(0.758 4±0.004)L+(3.7±0.7).

在低光強區域光電倍增管光電特性呈良好的線性，由于光強測量并不是絕對值，所以斜率不能反映倍增管的絕對靈敏度.

當光電流信號增大至一定值時，光電倍增管光電特性將出現線性極限，對于工作電壓500 V和800 V，線性極限分別317 μA和717 μA左右. 此時分壓電路中的電流大小為1 000 μA和1 700 μA. 根據倍增管工作電路原理，當分壓電路電流為光電流信號的20倍以上時，各倍增極間電壓可實現平均分配. 當光電流增大至分壓電流量級可比擬時，倍增極間的等效電阻不再相同，電壓分布發生變化，使得倍增系統放大倍數降低，光電線性被破壞.

4 結束語

以微電流測試儀、照度計、高壓源等基本實驗儀器組合搭建了模塊化光電倍增管特性研究的實驗平臺，設計實驗以國產GDB-221、濱松R669光電倍增管為例，研究了光電倍增管的暗電流、光電特性和伏安特性. 實驗研究內容豐富，儀器平臺開放度高、可調節性強，有助于學生從實驗現象出發，直觀理解光電倍增管工作的原理和影響因素，能夠激發學生鉆研探究的熱情，從而對物理規律有更深入的理解和掌握.

[1] 陳森，張師平，吳疆，等. 光電倍增管光譜特性實驗設計[J]. 大學物理，2013，26(1)：26-29.

[2] 史玖德. 光電管與光電倍增管[M]. 北京：國防工業出版社，1981.

[3] 楊百瑞. 高量子效率紅外光電陰極與光電倍增管的研究進展[J]. 物理實驗，2005,25(5):3-5.

[4] 武興建,吳金宏. 光電倍增管原理、特性與應用[J]. 國外電子元器件，2011(8):13-17.

[5] 趙文錦. 光電倍增管的技術發展狀態[J]. 光電子技術，2011,31(3):145-148.

[6] 陳星，羅慧，趙博. Hg的Zeeman效應相對強度實驗觀察與朗德g因子測量[J]. 物理實驗，2008，28(8):28-34.

[7] 安毓英，曾曉東. 光電探測原理[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[8] 別爾可夫斯基. 真空光電器件[M]. 北京：原子能出版社出版社，1980.

[9] 陳成杰，徐正卜. 光電倍增管[M]. 北京：原子能出版社，1988.

[責任編輯：郭 偉]

Modular design of photomultiplier experiment

MA Guo-yue, MA Shi-hong, BAI Cui-qin

(Department of Physics, Fudan University， Shanghai 200433, China)

By combining photomultiplier, amperemeter, negative high voltage power supply, illuminometer and so on, an experimental platform was constructed for the purpose of studying the characteristics of photomultiplier (PMT). Several major parameters and characteristics of photomultiplier had been measured and analyzed, including the characteristic of dark current, current-voltage characteristic under different light intensities and photoelectric characteristic. The experimental platform with modular design was open type, which could help student intuitively master the operating principle and performance parameter of photomultiplier.

photomultiplier; dark current; current-voltage characteristic; photoelectric characteristic

2014-05-19；修改日期：2014-08-07

國家基礎科學人才培養基金資助項目(No.J0730310,No.J1103204)

馬國悅(1993-)，男，江蘇無錫人，復旦大學物理學系 2011級本科生.

指導教師：白翠琴(1979-)，女，河北石家莊人，復旦大學物理學系工程師，碩士，從事蛋白質聚集的計算模擬及物理實驗教學研究.

O462

A

1005-4642(2015)06-0035-04

“第8屆全國高等院校物理實驗教學研討會”論文