光電倍增管性能和應用的研究進展

姬廣翔

【摘 要】光電子技術作為一門新興的技術，經過多年的發展與研究，已經取得了極大地突破，在當前時期科技發展日新月異，光電子技術也得到了越來越廣泛的應用。由于光電倍增管特有的暗電流、穩定性、時間響應以及脈沖線性等方面的性能，從而使其在眾多的領域中得到了很好的運用，諸如，醫學、航天、工業、高能物理等。本文就光電倍增管所具有的性能進行簡要的介紹，并對目前的應用進展加以重點的介紹。

【關鍵詞】光電倍增管 性能研究 應用研究 研究進展

光電倍增管的縮寫為PMT，其是一種基于光電子發射、電子光學以及二次電子發射等理論，將微弱入射光轉變為光電子同時得到一定倍增的一種高靈敏性的增益器件。對于光探測領域而言，光電倍增管擁有著獨特超高的靈敏度，同時還擁有快速響應等眾多技術優勢。而光電子技術一定會發展成新的知識經濟，以此在新技術領域產生更多的生產力。

1 光電倍增管具有的特性

第一，暗電流。光電倍增管即使在沒有光入射的情況下，也有微弱電流流過。將其稱為暗電流。作為微小電流、微弱光使用的光電倍增管，希望暗電流盡可能小。因熱電子發射受到光陰極面的直接影響，因此使光電倍增管所具有的溫度加以降低，可以有效地降低暗電流。但是用冷卻法降低暗電流時，只能減到漏電電流的水平，并不是可以無限制的降低暗電流。

第二，時間特性。對時間分辨率有較高要求的試驗，要求時間特性一定要好。一般上升時間被定義為輸出脈沖高度值從10%達到90%的時間。下降時間則反之，輸出從90%回到10%的時間。在響應時間測試過程中，上升時間和下降時間測試條件很苛刻。脈沖輸出信號會發生波形失真的現象，容易引起誤差。而渡越時間是指從入射光入射到光陰極面起，到輸出脈沖出現為止的時間。

第三，穩定性。穩定性受到其自身特性、環境條件、光陰極面種類以及工作狀態等眾多因素所決定。造成光電倍增管出現輸出不穩定現象的原因主要是光電倍增管內殘余堿金屬、殘余氣體、焊接不良、接觸不良、跳火、結構松動以及極間放電等。北京濱松光子技術股份有限公司測試穩定性時，使用連續入射光，記錄直流輸出信號隨時間的變化。一般，光電倍增管的穩定性在工作初期變化較大，隨時間推移而穩定。因此應用時建議先將光電倍增管穩定（預熱）30分鐘后再進入工作狀態。

第四，脈沖線性，光電倍增管所具有的一個非常重要的指標便是脈沖線性，出現空間電流、電壓再分配、光電陰極所具有電阻率、信號電流導致的負載電阻出現負反饋等均會造成非線性狀況的發生。如果正常合理使用時，多數的光電倍增管可以實現在較大范圍內進行線性工作。諸如北京濱松光子技術股份有限公司CR364型號的光電倍增管，當其輸出偏離2%時，脈沖線性可達100mA以上。可應用于高能物理方面的研究。

2 光電倍增管應用研究進展

人們對于光電倍增管已經研究了幾十年，其應用的范圍也較為廣泛，如光學、自動化等領域。隨著相關技術的進一步改革和發展，其生產工藝、設備、技術水平也會逐步隨著更新，在參數上也得到不斷提高。在此基礎之上，還會出現很多具有特殊結構和功能的光電倍增管。

楊昆（2013年）[1]提到，多陽極倍增管是一類新型光電輸出元器件，因其具有緊密空間構造、低噪聲以及高增益等獨特性能，使其在陣列探測器以及位置探測器中擁有著非常廣泛的使用，特別是采取金屬通道結構的倍增極結構之后，多陽極倍增管所具有的性能獲得了極大的改善，每條輸出存在的串擾不大于2%，已經實現大量的應用在陣列探測器中。日本HAMAMATSU研制的R5900系列的金屬通道形式的倍增極結構是最為典型的器件，已經在國際上取得了非常廣泛的應用。

買買提吐送·買買提明（2013年）[2]提到，任何生物都是一個發光源，只是由于不同生物發光的能力都相對較弱，人們肉眼通常都看不見，才會認為生物不會發光。一般光強在幾百光子以下時，被人們稱為是超微弱光。生物體所發出超微弱光的光強都是恒定不變的，如果光強發生了變化，則說明生物體發生了病變。因此，在醫學領域研究通過利用光電倍增管制作探測光強的儀器，并利用生物體的這種特性來測試生物體是否發生了病變。所制作出來的這種儀器通常都會將設備前端制作成一個暗室的形式，這主要是因為生物體所發出的光較為微弱。

表面污染監測儀包含全身α、β表面污染監測儀（C2門）、手足α、β表面污染監測儀和便攜式α、β表面污染測量儀。之前該類產品采用的探測器為流氣式正比計數器，相比于閃爍計數器，其優點是無本底。但由于需要充氣，需要攜帶儲存工作氣體的鋼瓶，進而對儀器工作壽命和便攜性帶來了不足。現在表面污染監測儀逐漸采用閃爍計數法，通過光電倍增管和復合閃爍體（塑料閃爍體+ZnS（Ag））來對監測對象表面α、β進行計數，進而實現表面污染檢測。

北京濱松光子技術股份有限公司研制的小型端窗雙堿光電倍增管CR332型光電倍增管，采用環形聚焦+直線聚焦結構（Circular and Linear-focused ，C+L），這個結構兼具了環形聚焦結構的緊湊與直線聚焦良好的線性特性，并且迎合市場小尺寸便攜式表面沾污儀的需求。受到市場的一致好評。CR332型光電倍增管具有高增益、高信噪比、高穩定性、時間響應快、低本底、能量分辨率好等諸多特性集于一身，主要應用于核輻射測量、液位監測、核素識別、手腳表面沾污儀、體外診斷等。

3 結語

綜上所述，光電倍增管作為諸多領域研究的重要探測工具，諸如分析化學、天文學、分子物理學、醫學成像以及高能物理學等。隨著今后科技的不斷進步，光電倍增管能夠應用的領域也將不斷地擴大，而其對科技進步有著極大的推動作用。

參考文獻：

[1]Photomultiplier Tubes. HAMAMATSU （2015）.

[2]楊昆，劉新新，李曉葦.基于硅光電倍增管探測器的小動物正電子發射斷層成像裝置的研究進展[J].山東醫藥，2013，06（13）：95-96+98.

[3]買買提吐送·買買提明.光電倍增管在磷酸液聲致發光實驗中的應用[J].應用聲學，2013，04（04）：325-331.

[4]周榮楣.光電發射、次級電子發射與光電倍增管[M].成都：電子科技大學出版社，2015，04第一版.