实验2.8 光电倍增管特性参数测试实验
1.实验目的
光电倍增管是最灵敏的光电传感器件，其暗电流、信噪比、灵敏度和时间响应等特性都具有独特的特点，是非常优秀的一类光电器件。掌握光电倍增管的主要特性与参数对微弱辐射的探测具有非常重要的意义。
2.实验器材
① PMTS-II或-Ⅲ型光电倍增管实验仪1台； ② 耐高压连接线8只；
③ 光点检流计（2.10-14A）1台。
3.基础知识
1）光电倍增管工作原理
光电倍增管属于真空光电传感器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子聚焦系统、倍增电极和阳极5部分构成，光电倍增管有多种结构类型，典型光电倍增管如图2.8-1所示，为侧窗圆形鼠笼式光电倍增管。其工作原理见《光电技术》教材第4章，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，D1发射出的光电子数目是入射光电子数目的δ倍，这些二次光电 子又在电场作用下射入到下一增极； 级，即N=8；
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Uo。
2）光电倍增管的基本特性参数
光电倍增管的特性参数如下。 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志，通常分为阴极灵敏度Sk与阳极灵敏度Sa。它们又可分为光谱灵敏度与积分灵敏度。关于灵敏度的定义问题请参考《光电技术》教材的第4章。光电倍增管的阳极光谱灵敏度常用Sa，λ表示，阳极积分灵敏度常用Sa表示，其量纲为A/lm。
② 阴极光谱灵敏度Sk,λ
Sk，λ表定义为阴极电流与入射光谱光通量之比，即
图2.8-1 侧窗
鼠笼倍增管
④ 入射光电子经N级倍增后，电子数就被放大δN倍，图2.8-1所示的倍增管共有8
Sk,λ?
IK（μA/lm） (2.8-1) Φλ66
③ 阴极积分灵敏度Sk
阴极积分灵敏度常用Sk表示，它为阴极电流与入射光通量（积分）之比，即
Sk,λ?④ 阴极灵敏度的测量
IK（μA/lm） (2.8-2) Φ光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图2.8-2所示。入射到阴极K的光照度为Ev，光电阴极的面积为A，则光电倍增管所接收到的光通量φv为
?v?EvA (2.8-3)
将式(2.8-3)代入式（2.8-2）便可通过测量入射到PMT光敏面上的照度得到入射光通量，如果入射光为单色，则所测量出来的阴极灵敏度为光谱灵敏度；而入射光为白色，则所测量出来的阴极灵敏度为积分灵敏度。
入射到光电阴极的光通量由LED发光二极管提供，用LED发光二极管很容易提供各种颜色的“单色光”，可以近似地将其看作光谱辐射量，在实验前先将LED光源用照度计进行标定；测量时，用数字电流表
图2.8-2 光电倍增管供电电路接线图
测出流过LED的电流ILED（ILED已被标定），它与照度相对应，当测出LED光源出光口的面积时，便很容易计算出它发出的光通量。实验中常用的光通量为2.10-5～2.10-2lm范围。
⑤ 阳极光照灵敏度Sa
Sa定义为光电倍增管在一定的工作电压下阳级输出电流Ia与入射到光电阴极上光通量φ之比，即
Sa?⑥ 电流放大倍数(增益)G
Ia（A/lm） (2.8-4) ΦG定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流Ia与阴极电流Ik之比，即
G?Ia （2.8-5） IkSa (2.8-6) Sk由于阳级灵敏度为PMT增益与阴极电流之积，因此，增益又可表示为
G?G描述了光电倍增管系统的倍增能力，它是工作电压的函数。 ⑦ 暗电流Id
当光电倍增管处于隔绝辐射的暗室中时，其阳极输出电流称为暗电流。暗电流与光电倍增管的供电电压Ubb有关，因此必须首先确定Ubb，才能测定它的暗电流Id。引起暗电流的主要因素有：欧姆漏电、热电子发射、场致发射、玻璃荧光与玻壳放电等。 3）光电倍增管的供电电路
光电倍增管的供电电路常采用如图2.8-3所示的电阻链分压结构。它由N+1个电阻串联而成，其中N为光电倍增管的倍增极数。设流过串联电阻的电流为IR，则每个电阻上的压降为电流IR与电阻Ri的乘积，因此，加在光电倍增管倍增极上的电压为Udi=IRRi+1。
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为确保流过电阻链中每个电阻的电流IR都近似相等，应满足关系
IR≥10Iam （2.8-7） 光电倍增管的输出电流Ia，在负载电阻Ra上产生的压降为输出电压信号Uo，即
Uo=IaRa （2.8-8）
图2.7-3 光电倍增管常规供电电路接线图
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)。采用正高压接法的特点是可使屏蔽光、磁、电的屏蔽罩直接与光电倍增管的玻璃壳相连，使之成为一体，因而屏蔽效果好，暗电流小，噪声低。但是，这时的阳极处于正高压，使后面的处理电路难于连接。交流输出信号时虽然可以采用高压隔离电容进行隔离，但是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承受高压，而且后级的直流放大器也处于高电位状态工作，会产生一系列的不便，危险性也增大。
负高压接法的优点是阳极电位低，便于与后面的放大器连接，如图2.8-4所示，直接与直流放大器相连，又可以通过电容只输出交流信号。使用操作安全又方便。
负高压接法的缺点是玻壳的电位与阴极电位接近，为负高压，玻璃壳与屏蔽罩之间的电场很高，为降低它们之间的电场，防止玻壳放电的发生，必须使它们分离1～2cm。
图2.8-4 光电倍增管供电电路与偏置电路
4.实验内容与步骤
1）实验内容
① 光电倍增管阳极暗电流Id的测量； ② 光电倍增管阳极光照灵敏度Sa的测量； ③ 光电倍增管的灵敏度Sa与电源电压Ubb的关系； ④ 光电倍增管的电流增益G的测量。 2）实验步骤
（1） 熟悉光电倍增管实验仪
PMTS-II光电倍增管实验仪的共同点是：① 仪器内部暗室里安装有GDB221型圆形鼠笼式8倍增级的光电倍增管；② 实验光源为可切换发光颜色的LED灯，灯的亮度能够通过电位器进行无级调整；③ 仪器面板上装有独立电源的数字电表可供实验应用，左起第一块电压表的量程是20V、200V、2000V，分3档进行切换；左起第二块电压表的量程是2V、20V、200V，分3档进行切换；④ 两块电流表也是3档可切换量程的，均为0.2mA、2 mA、20 mA，基本满足实验过程所用。⑤ 仪器面板上还安装有高压电源的调压旋钮（左面第一个），能够调整光电倍增管实验所用的负高压电源的电压，旋钮上的标记标明电压的高低，逆时针旋转电压最低，顺时针旋转电压增高。⑥ 面板上还安装了照明光源亮度的调整旋钮，同样，
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顺时针旋转亮度增强。
PMTS-II型光电倍增管实验仪的外形图如图2.8-5所示，它的发光颜色切换开关安装在仪器面板右侧，标有“光源切换”字样，按动按键，旁边的“光源指示”灯的颜色将发生变化，标志着光电倍增管实验仪内部工作照明灯的颜色在改变，内、外的颜色同步。光电倍增管实验仪的下面安装有2个开关，右侧是仪器的电源总开关，左面是实验光源的“光源开关”，为测量光电倍增管暗电流时关灯用。面板上还安装有8个
插孔并分别在其上方标有字符，注明其功能。其中的“LED+”为内部照明灯供电电路的正极，可用连线接入量程为20mA电流表的“+”端，“LED-”是负极，应该用连线接入量程为20mA电流表的“－”端，用电流表示值测量各色光源的发光亮度。
“－E”为负高压电源输出端，它与“GND”插孔之间的电压为负高压（可由“高压调整”旋钮调整）；“K”为光电倍增管的阴极引出插孔；“D1”为光电倍增管第1倍增极的引出端，“DN”为光电倍增管最末一极倍增极（即为第8极）的引出端；“A”为光电倍增管的阳极引出端。上述插孔是光电倍增管特性参数测量过程中实现图2.8-2至2.8-4电路图的关键。 （2） 暗电流测量实验步骤
① 先将光电倍增管实验仪取出，明确它的型号，查阅使用说明书，仔细观察仪器的外接端口的定义。尤其注意其上的开关、调节旋钮、插座和配件的名称与意义；PMTS-Ⅱ光电倍增管实验仪外形如图2.8-5所示，其主要电极有阴极K，第一倍增极D1，末极倍增极DN（第8级），阳极A，负高压电源-E和电源地GND等外接端口；
PMTS-Ⅱ型实验仪的最右侧机体上为入射窗，不用时应该将其封闭，使用时可将封闭盖拧下用螺纹口将被测光导入。
② 在连接电源，或打开电源开关前要检查光源开关是否处于关闭状态，高压调整旋钮是否旋到最小值，然后再连接电源线；
③ 在实验面板上找到阴极K、阳极A、第一倍增极D1与地GND等接线插孔和高压光源开关、高压电压调整旋钮、光源调整旋钮等重要部件；
④ 用专用连接线将阴极K与第一倍增极D1相连，在阳极A与地之间串入微安电流表（光电平台上安装的数字电流表在按下1档位后其读数即为微安），用来读取阳极电流；
⑤ 再将高压电源的电压调整旋钮逆时针旋至最低位置，然后用连接线将“－E”插孔和高压表（左面第1块表在3档有效时为高压表）的黑色插孔相连接，再用连线将“GND”与高压表的红色插孔相连接；
⑥ 打开光电倍增管实验仪的电源开关，观察到数字电流表的示值应为零值（阳极电流Ia为0），然后再调整“高压调整”旋钮，使高压表的电压逐渐增高，待增高到微安表有有效读数时停止，读出此时的电压值与阳极电流值；
⑦ 然后，再缓慢调节高压电源，观测高压电表的示值，当它们分别为100V、200V、
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图2.8-5 光电倍增管实验仪外形图
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