單色儀/光譜儀

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探測(cè)器選型基礎(chǔ)知識(shí)指導(dǎo)

從科學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，電磁波是能量的一種，凡是高于零度的物體，都會(huì)釋放出電磁波，且溫度越高，釋放的電磁波波長(zhǎng)就越短。電磁波由低頻到高頻主要分為無(wú)線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線等。各個(gè)波段都有其獨(dú)特的作用，無(wú)線電波用于衛(wèi)星通信等；紅外線用于遙控、熱成像儀、紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈等；可見光是所有生物用來(lái)觀察事物的基礎(chǔ)；紫外線用于醫(yī)用消毒，驗(yàn)證假鈔，測(cè)量距離，工程上的探傷等；X射線用于CT照相；γ射線用于治療等。

正像人們一直生活在空氣中而眼睛卻看不見空氣一樣，除光波外，人們也看不見無(wú)處不在的電磁波，它是一位人類素未謀面的“朋友”。即使是可見光，人類眼睛對(duì)微弱光也無(wú)能為力。但是這位朋友與我們的生活息息相關(guān)，如何清楚認(rèn)識(shí)并充分利用就顯得尤為迫切和重要。而光電倍增管在寬光譜和微弱光的探測(cè)方面都是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

光電倍增管（Photomultiplier Tube，簡(jiǎn)稱PMT）是一種真空玻璃器件，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，因超高靈敏度和快速響應(yīng)等特點(diǎn)備受關(guān)注。在檢測(cè)光譜方面，其可探測(cè)約100nm~1μm范圍內(nèi)的光信號(hào)。此外，在更短波方向，如γ射線、X射線探測(cè)使用的輻射探測(cè)器，以通過(guò)各種閃爍體轉(zhuǎn)化成可見光，然后再通過(guò)PMT進(jìn)行檢測(cè)，其關(guān)鍵器件也是PMT。

圖1 不同探測(cè)器件可探測(cè)光譜范圍

PMT除有較寬的光譜響應(yīng)范圍外，還有高靈敏度、低探測(cè)下限的特點(diǎn)，與其他探測(cè)器相比也是有很大優(yōu)勢(shì)的。根據(jù)入射到PMT的光強(qiáng)度和輸出處理回路帶寬的處理方法的不同，PMT的使用可分為模擬法和計(jì)數(shù)法。改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度，可看到在強(qiáng)光范圍內(nèi)，用示波器觀察PMT輸出信號(hào)時(shí)，因其脈沖間隔狹窄而相互重合為模擬波形，探測(cè)光強(qiáng)上限約為10^-9W。當(dāng)光其微弱時(shí)，光子呈現(xiàn)粒子性，普通模擬法應(yīng)用的PMT無(wú)法分辨，而在光子計(jì)數(shù)應(yīng)用下，PMT卻可分辨出單個(gè)光子的信號(hào)，探測(cè)下限可達(dá)10^-16W，是微弱光探測(cè)的利器。

圖2 不同探測(cè)器件可探測(cè)光強(qiáng)范圍

光電倍增管（Photomultiplier Tube，簡(jiǎn)稱PMT），對(duì)于次接觸的用戶來(lái)說(shuō)可能比較神秘，對(duì)其認(rèn)識(shí)可以從名稱中了解一二。“光電”表示的功能，顧名思義，就是把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；“倍增”代表PMT的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部由多級(jí)倍增構(gòu)成，用于放大轉(zhuǎn)化來(lái)的電信號(hào)；“管”即為形狀，典型的PMT主體為圓柱形，但隨著應(yīng)用需求的增多及開發(fā)技術(shù)的提升，其他不同形狀的PMT也越來(lái)越多，如圖1所示。

圖1 不同外形的PMT

傳統(tǒng)PMT是一種真空玻璃管，由入射窗、光陰面、倍增系統(tǒng)和陽(yáng)等部分組成，如圖2所示。光透過(guò)入射窗后到達(dá)光陰面，由于光電效應(yīng)光子轉(zhuǎn)換為電子，經(jīng)過(guò)聚焦和各倍增后實(shí)現(xiàn)電子倍增（二次電子倍增），后由陽(yáng)輸出電流信號(hào)。此外，還有一些外形及結(jié)構(gòu)比較特殊的產(chǎn)品，如Channel Photomultiplier (CPM)、Micro PMT （μPMT），此處不做特別介紹，以下以傳統(tǒng)PMT為例分別介紹各部分特性。

圖2 光電倍增管結(jié)構(gòu)圖

1. 入射窗：

不同入射窗材料對(duì)紫外線的吸收特性有很大區(qū)別，這也決定了PMT光譜范圍的短波區(qū)界限，常用窗材如表1所示。

表1 PMT常用窗材種類

基本原理：

1：石英的熱膨脹系數(shù)和PMT芯柱絲使用的可伐合金有很大差別，所以在與芯柱部分的硼硅玻璃銜接時(shí)，中間要加入數(shù)種膨脹系數(shù)逐漸過(guò)渡的玻璃，即“過(guò)渡接”。

2. 光陰面：

光陰面是一種半導(dǎo)體材料，光入射后，材料中的價(jià)電子吸收光子能量而向表面擴(kuò)散，越過(guò)真空位壘后成為自由光電子并發(fā)射到真空中，該現(xiàn)象的發(fā)生存在一定概率，即為PMT的量子效率（后續(xù)文章中會(huì)詳細(xì)介紹）。光陰面按光電子發(fā)射過(guò)程可分為反射式和投射式，對(duì)應(yīng)側(cè)窗型PMT和端窗型PMT。

光陰面的堿金屬材料和制作工藝共同決定了PMT的大響應(yīng)波長(zhǎng)和長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)，常用種類如表2所示，同時(shí)也決定了其外觀顏色的差異，如圖3所示。

表2-1 反射型光陰面特性

表2-2透射型光陰面特性

圖3 不同陰面顏色的PMT

3. 電子倍增系統(tǒng)

PMT中的電子運(yùn)動(dòng)是由電場(chǎng)決定的，而電場(chǎng)又受電形狀、電配置和所加電壓的支配，為使PMT具有佳性能，需要對(duì)其電位分布和電結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。光陰面發(fā)出的光電子經(jīng)過(guò)從倍增到末倍增（多19級(jí)）的倍增系統(tǒng)，可以得到10倍到10⁸倍的電流增益。

倍增有許多種類，由于其結(jié)構(gòu)、倍增的級(jí)數(shù)的不同而使得電流增益、時(shí)間響應(yīng)特性、均勻性、二次電子收集效率特性等不同，要根據(jù)使用目的做相應(yīng)的選擇。各倍增種類如表3所示。

表3各種倍增特性

4. 陽(yáng)

PMT的陽(yáng)部分負(fù)責(zé)將經(jīng)過(guò)各級(jí)倍增的二次電子進(jìn)行收集，并通過(guò)外接電路將電流信號(hào)輸出。陽(yáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要確保陽(yáng)和末倍增間的電位差合適，以避免空間電荷效應(yīng)，從而獲得大的輸出電流。

選型指南：

根據(jù)入射光的波長(zhǎng)、光強(qiáng)、光束直徑、光現(xiàn)象發(fā)生的速度、使用環(huán)境等條件的不同，選擇合適的PMT、工作條件和電路配置，以達(dá)到佳測(cè)試效果。對(duì)此，可將PMT按照不同方法進(jìn)行分類并選擇：

1. 按光譜響應(yīng)范圍分類選擇

雖然PMT可探測(cè)光譜范圍很寬，但每一種管型可直接響應(yīng)的波段范圍是有限的，為使其探測(cè)效率得到充分利用，同時(shí)又不造成性能及成本的浪費(fèi)，需要根據(jù)入射光的波長(zhǎng)選擇合適波段的PMT，如圖1所示。

圖1 常見PMT響應(yīng)范圍

2. 按光強(qiáng)大小分類選擇

PMT是微弱光探測(cè)的利器，根據(jù)入射光強(qiáng)大小及后續(xù)電路處理方法的不同，可分為模擬用PMT（常規(guī)型號(hào)PMT）和光子計(jì)數(shù)用PMT（型號(hào)后綴帶“P”標(biāo)識(shí)）。前者可探測(cè)10^-11W~nW量級(jí)的光強(qiáng)，后者可探測(cè)10^-16W~10^-11W量級(jí)的光強(qiáng)，二者在10^-11W量級(jí)光強(qiáng)范圍存在交疊部分，需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用及入射光其他特性具體分析哪種更加適合。

3. 按光陰面尺寸分類選擇

根據(jù)入射光的光斑形狀、大小、與PMT的距離關(guān)系等選擇合適的PMT。如狹縫形的光斑更適合用側(cè)窗型PMT。陰面大小選擇以盡量多的收集光束為原則，如圖2所示，在光源特性完全一致的情況下，（a）PMT陰面尺寸略小，不能有效收集光信號(hào)；（c）光信號(hào)雖可全部入射到PMT上，但光斑相對(duì)陰面尺寸過(guò)小，陰面邊緣部分沒有有效信號(hào)，卻會(huì)產(chǎn)生噪聲，使信噪比下降；（b）尺寸的選擇明顯優(yōu)于（a）和（c）；（d）相比（b）而言，減小光源與PMT之間的距離，可提高光信號(hào)的收集效率、增大PMT的探測(cè)效率，是PMT的方案。

圖2 不同陰面尺寸及測(cè)試距離與光束收集的關(guān)系

4. 按響應(yīng)時(shí)間分類選擇

大多數(shù)PMT響應(yīng)時(shí)間在幾個(gè)~幾十個(gè)ns，能夠滿足大部分的發(fā)光測(cè)試，但對(duì)特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如正電子發(fā)射斷層顯像（Time of flight-positron emission tomography，簡(jiǎn)稱TOF-PET）、熒光壽命檢測(cè)等，響應(yīng)時(shí)間為10^-10~10^-11s量級(jí)的PMT可以為用戶提供選擇。此外，終輸出信號(hào)的響應(yīng)頻率是否能同步反映入射光信號(hào)的頻率，除PMT的響應(yīng)時(shí)間外，后續(xù)電路的處理也很關(guān)鍵，對(duì)于選擇探測(cè)器模塊的用戶來(lái)說(shuō)，需要考慮模塊帶寬是否滿足需求。

5. 按使用環(huán)境分類選擇

根據(jù)使用環(huán)境的不同選擇不同的PMT，常見的環(huán)境差異如溫度、磁場(chǎng)等。常規(guī)PMT可在-30~50℃的環(huán)境中使用，若在石油測(cè)井等高溫強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境中就需要高溫PMT，其工作溫度通常在150~175℃，隨著應(yīng)用要求的不斷提升，耐200℃高溫的PMT也已經(jīng)推向市場(chǎng)。此外，PMT本身對(duì)磁場(chǎng)較為敏感，在有磁場(chǎng)干擾的環(huán)境中使用，會(huì)導(dǎo)致其輸出變化，可使用增加磁屏蔽的PMT（型號(hào)后綴帶“C”標(biāo)識(shí)）。

使用指導(dǎo)：

光電倍增管（Photomultiplier Tube，簡(jiǎn)稱PMT）將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，后續(xù)需要配合相應(yīng)附件及電路，如管座、分壓器、高壓電源等，才能使電信號(hào)正常輸出并處理。

為了安裝及拆卸方便，可以使用管座，用戶將管座與分壓器焊接，PMT直接在管座上插拔使用。常見管座如圖1所示，可根據(jù)安裝方式及空間選擇。此外，成品PMT管針部分有幾種不同方式，如硬絲、軟絲、帶管基等，如圖2所示，硬絲、帶管基的PMT可以直接使用管座，軟絲PMT一般直接與分壓器焊接。

圖1 不同形狀及尺寸的管座

圖2 不同管針形式的PMT

PMT中的電子運(yùn)動(dòng)是由電場(chǎng)決定的，在各之間供給高壓電子才能實(shí)現(xiàn)倍增并從陽(yáng)輸出，此高壓需由一個(gè)穩(wěn)定的高壓電源（通常在1kV~2kV）提供。由于PMT的增益非常大，其對(duì)高壓電源的電壓變化是非常靈敏的。這種情況下要求PMT輸出電流穩(wěn)定在1%以內(nèi)，那高壓電源的穩(wěn)定性則必須優(yōu)于0.1%。

此外，需要使用分壓器回路把電源高壓分配給各倍增，并使各倍增間擁有一個(gè)合適的電壓梯度分布。圖3為PMT管腳排布示意圖，圖示方向?yàn)槊嫦騊MT管針?biāo)吹降呐挪�，其�?ldquo;K”為陰、“DY為倍增”、“P”為陽(yáng)（信號(hào)輸出端），“IC”為內(nèi)部短接（此處使用中需懸空），不同PMT的管腳排布有所不同，分壓器電路的設(shè)計(jì)要與管腳排布匹配。圖4所示為PMT分壓器示意圖，在陰、倍增和陽(yáng)之間用數(shù)個(gè)電阻（100k~1MΩ）進(jìn)行分壓，得到各級(jí)間的規(guī)定電壓（不同PMT有各自的推薦分壓比，可在產(chǎn)品樣本中查詢），若輸出為脈沖信號(hào)，可在后幾級(jí)增加電容器件。詳細(xì)的分壓器電路設(shè)計(jì)將在后面章節(jié)說(shuō)明。

圖3 PMT管腳排布圖

圖4 分壓器設(shè)計(jì)示意圖

PMT連接分壓器和高壓便可從陽(yáng)輸出電流信號(hào)，后續(xù)連接回路的設(shè)計(jì)根據(jù)入射光強(qiáng)的不同而有所區(qū)別，如圖5所示，其中a）直流方式，是將PMT的直流成分分別通過(guò)放大器、低通濾波器之后再進(jìn)行檢測(cè)，該方法適用于探測(cè)光強(qiáng)相對(duì)較強(qiáng)的情況，且使用較為廣泛；b）交流方式，是將PMT的輸出通過(guò)電容器取其交流成分，再用平方檢波器將其變成直流成分進(jìn)行檢測(cè)，該方法一般適用于光強(qiáng)較弱的情況，在此情況下，輸出信號(hào)中的交流成分壓制了直流成分而占主導(dǎo)地位；c）光子計(jì)數(shù)方式，是將PMT的輸出脈沖先放大，再經(jīng)過(guò)脈沖幅度甄別器進(jìn)行選擇，然后對(duì)幅度在某一甄別電壓之上的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，該方法適用于觀察從PMT輸出的脈沖是離散的情況，因此其在微弱光探測(cè)領(lǐng)域即單光子領(lǐng)域是一種非常有效的方法。

圖5 PMT輸出信號(hào)處理方法

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