光電倍增管特性參數(shù)測試

一、實驗目的
了解光電倍增管的基本特性。
學習光電倍增管基本參數(shù)的測量方法。
學會正確使用光電倍增管。
 
二、實驗內容
暗電流的測量
陰極靈敏度的測量
陽極靈敏度的測量
光電倍增管放大倍數(shù)的測量
 
三、實驗儀器
光電倍增管實驗儀                                                        1臺
 
四、實驗原理
1、工作原理
光電倍增管是一種真空光電器件，它主要由光入射窗、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、倍增極和陽極組成。其工作原理為：(1) 光子透過入射窗入射到光電陰極上；(2) 光電陰極上的電子受光子的激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中；(3) 光電子通過電場加速和電子光學系統(tǒng)聚焦入射到倍增極上，倍增極將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次光電子;(4)入射電子經N級倍增極倍增后，光電子就放大N次；(5)經過倍增后的二次電子由陽極收集起來，形成陽極光電流，在負載上產生信號電壓。
2、供電分壓器和輸出電路
從光電陰極到陽極的所有電極用串聯(lián)的電阻分壓供電，使管內各極間能形成所需的電場。光電倍增管的極間電壓的分配一般由圖二所示的串聯(lián)電阻分壓器執(zhí)行的，的極間電壓分配取決于三個因素：陽極峰值電流，允許的電壓波動以及允許的非線性偏離。
光電倍增管的極間電壓可按前極區(qū)，中間區(qū)和末極區(qū)加以考慮。前極區(qū)的收集電壓必須足夠高，以使倍增極有高的收集率和大的次極發(fā)射系數(shù)，中間級區(qū)的各級間通常具有均勻分布的極間電壓，以使管子給出的增益。由于末極區(qū)各極，特別是末極區(qū)取較大的電流，所以末極區(qū)各極間電壓不能過低，以免形成空間電荷效應而使管子失去應有的直線性。
當陽極電流增大到能與分壓器電流相比擬時，將會導致末極區(qū)間電壓的大幅度下降，從而使光電倍增管出現(xiàn)嚴重的非線性。為防止極間電壓的再分配以保證增益穩(wěn)定，分壓器電流至少為陽極電流的10倍。對于直線性要求很高的應用場合，分壓器電流至少為陽極平均電流的100倍。確定了分壓器的電流，就可以根據(jù)光電倍增管的陽極電壓算出分壓器的總電阻。再按適當?shù)臉O電壓分配。由總電阻計算出分壓電阻的阻值。
光電倍增管輸出的是電荷，且其陽極可以看成是一個理想的電流發(fā)生器來考慮。因此，輸出電流與負載阻抗無關。但實際上，對負載的輸入阻抗卻存在著一個上限。因為負載電阻上的電壓降明顯地降低了末極倍增管與陽極之間的電壓。
對于直流信號，光電倍增管的陽極能產生達數(shù)十伏的電壓輸出。因此可以使用大的負載電阻。
電倍增管的特性和參數(shù)
光電倍增管的特性參數(shù)包括靈敏度、電流增益、光電特性、陽極特性、暗電流等。下面介紹本實驗涉及到的特性和參數(shù)。
1）靈敏度
靈敏度是衡量光電倍增管探測光信號能力的一個重要參數(shù)，一般是指積分靈敏度，其單位為uA/Lm。光電倍增管的靈敏度一般包括陰極靈敏度、陽極靈敏度。
2）陰極光照靈敏度SK
陰極光照靈敏度SK是指光電陰極本身的積分靈敏度。定義為光電陰極的光電流Ik除以入射光通量Φ所得的商


光電倍增管陰極靈敏度的測量原理如圖所示。入射到陰極K的光照度為E，光電陰極的面積為A，則光電倍增管接受到的光通量為

由式可以計算出陰極靈敏度。
入射到光電光電陰極的光通量不太大，否則由于光電陰極層的電阻損耗會引起測量誤差。光通量也不能太小，否則由于歐姆漏電流影響光電流的測量精度，通常采用的光通量的范圍為10-5～10-2Lm。
3） 陽極光照靈敏度Sp
陽極光照靈敏度Sp定義是指光電倍增管在一定工作電壓下陽級輸出電流與照射陰極上光通量的比值

4） 放大倍數(shù)(電流增益)G
放大倍數(shù)G(電流增益)定義為在一定的入射光通量和陽極電壓下，陽極電流Ip與陰極電流IK間的比值。

由于陽級靈敏度包含了放大倍數(shù)的貢獻，于是放大倍數(shù)也可以由在一定工作電壓下陽極靈敏度和陰極靈敏度的比值來確定，即

放大倍數(shù)G取決于系統(tǒng)的倍增能力，因此它是工作電壓的函數(shù)。
5） 暗電流Id
當光電倍增管在完全黑暗的情況下工作時，在陽極電路里仍然會出現(xiàn)輸出電路，稱為暗電流，暗電流與陽極電壓有關，通常是在與指定陽極光照靈敏度相應的陽極電壓下測定的。引起暗電流的因素有：熱電子發(fā)射，場致發(fā)射、放射性同位素的核輻射，光反饋、離子反饋、極間漏電等。 
高壓供電與信號輸出
為了使光電倍增管能正常工作，通常在陰極和陽級間加上近千伏的高壓。同時，還需在陰極、倍增極和陽極間分配一定的電壓，保證光電子能被有效地收集，光電流通過倍增系統(tǒng)得到增大。
光電倍增管的供電方式有兩種，即負高壓接法(陰極接電源負高壓，電源正端接地)和正高壓接法(陽極接電源正高壓、而電源負端接地)

正高壓接法的特點是可使屏蔽光、磁、電的屏蔽罩直接于管子外殼相連，甚至可以制成一體，因而屏蔽效果好，暗電流小，噪聲水平低。但這時陽極處于正高壓，會導致寄生電容增大。如果是直流輸出，則不僅要求傳輸電纜能耐高壓，而且后級的直流放大器也處于高電壓，會產生一系列的不便；如果是交流輸出，則通過耐高壓、噪聲小的隔直電容。
 
負高壓的優(yōu)點是便于與后面的放大器連接，且即可以直流輸出，又可以交流輸出，操作安全方便。缺點是玻殼的電位與陰極電位接近，屏蔽罩應至少離開玻殼1～2cm。否則，由于靜電屏蔽的寄生影響，暗電流與噪聲都會增大。
 
五、注意事項
1、光電倍增管對光的響應極為靈敏。因此，在沒有完全隔絕外界干擾光的情況下，切勿對管施加工作電壓，否則會導致管內倍增極的損壞；
2、即使管子處于非工作狀態(tài)，也要盡可能減少光電陰極和倍增極的不必要爆光，以免對管子造成不良影響；
3、測量陰極電流時，加在其間的電壓不可超過250V，否則容易燒壞光電倍增管。
 
六、實驗步驟
1、暗電流測量
1）將電壓調節(jié)逆時針調到最小，光源開關斷開，陰極(陽極)開關打到陽極位置，光源開關斷開，然后打開實驗箱電源開關。
2）緩慢調節(jié)電壓調節(jié)開關，當電壓分別為200V、400V、600V、800V、1000V時記下電流表的電流值。
 

倍增管電壓V	200V	400V	600V	800V	1000V
陽極暗電流Id

 
3）畫出Id~V關系曲線。
2、陽極靈敏度測量
1)光源開關斷開，調節(jié)面板上的調零旋鈕，使照度表的值顯示為零；
2）將電壓調節(jié)逆時針調到最小，陰極(陽極)開關打到陽極位置，光源開關合，照度表打到20lx檔，調節(jié)光照度至E=0.01lx（光電陰極有效面積A=8mm×24mm）；
3）緩慢調節(jié)電壓調節(jié)開關，當電壓分別為100V、200V、300V、400V、500V、600V、700V、800V、900V、1000V時記下電流表的電流值；
4）繼續(xù)調節(jié)光強至光照度E=0.02lx，重復2)的實驗內容。
5）分別畫出兩個光照下光電倍增管陽極電流Ip與光電倍增管電壓關系曲線。
6）分別計算200V、400V、600V、800V、1000V電壓下陽極光照靈敏度。
3、陰極靈敏度測量
1）將電壓調節(jié)逆時針調到最小，陰極(陽極)開關打到陰極位置，光源開關合，照度表打到200lx檔，調節(jié)光照度至E=120lx。
2）緩慢調節(jié)電壓旋鈕到200V左右，此時光電倍增管趨于飽和，記下該讀數(shù)。
3）計算陰極靈敏度。
4、光電倍增管增益(放大倍數(shù))的計算
1）計算光強E=0.01lx情況下，不同電壓下的放大倍數(shù)；
2）計算光強E=0.02lx情況下，不同電壓下的放大倍數(shù)；
3）畫出不同光強的G~V曲線，并對曲線進行分析。.
5光電倍增管線性度測量
1)將光照度表打到20lx檔，陰極(陽極)開關打到陽極位置，調節(jié)電壓至800V左右；
2)從零緩慢調節(jié)光照度，每隔0.01lx記錄陽極輸出的光電流值，光照度調節(jié)到0.2lx為止；
3)畫出在該電壓下光電倍增管陽極輸出電流和光照度之間的曲線關系。
 

光照度（lx）	0	0.01	0.02	0.03	0.04	0.05	0.06	0.07
電流（μA)
光照度（lx）	0.08	0.09	0.10	0.11	0.12	0.13	0.14	0.15
電流（μA）
光照度（lx）	0.16	0.17	0.18	0.19	0.20
電流（μA)