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实验七 光电倍增管的特性与特性参数测试
1. 实验目的：
光电倍增管是最灵敏的光电器件。它的暗电流、噪声、灵敏度大范围可调和时间响应等特性都具有独特的特点，因此，光电倍增管是非常优秀的光电器件。掌握光电倍增管的主要特性参数，及其它的供电电路对于正确应用光电倍增管解决微弱辐射的测量技术是非常重要的。
2. 实验仪器：
1） GDS-Ⅱ型光电综合实验平台主机；
1) GDBS-Ⅰ型光电倍增管实验装置；
3. 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；光电倍增管的灵敏度Sa与电源电压Ubb的关系；
3、 测量光电倍增管的增益G；
4. 实验原理
1）光电倍增管工作原理
光电倍增管是真空光电器件，它主要由光入射窗、光电阴极面、电子聚焦系统、倍增电极和阳极等5部分构成。其工作原理如“光电技术”教材第4章所讲述，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，倍增极D1将发射出比入射光电子数目增多δ倍，这些二次电子又在电场作用下射入到下一增极；
(4) 入射电子经N级倍增后，电子数就被放大δN倍；
(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包括光电灵敏度、电流增益、光电特性、阳极特性、暗电流特性与时间响应等特性。
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致，光电灵敏度通常分为阴极灵敏度Sk与阳极灵敏度Sa，同时，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章光电倍增管的论述。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
光电倍增管的阴极光谱灵敏度常用Sk，λ表示，它为阴极电流与入射光谱光通量之比，即
（μA/lm） (7-1)
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
（μA/lm） (7-2)
④ 阴极灵敏度的测量
光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图7-1所示。入射到阴极K的光照度为Ev，光电阴极的面积为A，则光电倍增管接受到的光通量φv为
(7-3)
将式(7-3)代入式（7-2）便可通过测量入射到PMT光敏面上的照度测量入射光通量，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，可以在实验前先将LED光源用照度计标定；测量时，用数字电流表测出流过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10-5～10-2lm范围。
⑤ 阳极光照灵敏度Sa
阳极光照灵敏度Sa的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
（A/lm） (7-4)
⑥ 电流放大倍数(增益)G
光电倍增管的电流放大倍数(增益)G的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
（7-5）
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
(7-6)
增益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的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，因此必须首先确定它的供电电压Ubb，才能测定它的暗电流Id。引起暗电流的主要因素如“光电技术”中叙述的有：欧姆漏电、热电子发射、场致发射、玻璃荧光、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7-2 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。

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 （7-7）
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 （7-8）
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，使它即可以如图7-3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。操作安全、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。

5. 实验步骤
一、测量PMT的暗电流ID
光电倍增管实验装置中所用的光电倍增管为GDB221型圆形鼠笼式8倍增级管，因此，在测量其暗电流时必须将如图7-1所示的电路按下面步骤进行连接与处理。
1） 先将光电倍增管实验装置稳定地安装在光电实验平台上，再将光电倍增管实验装置的电源与实验平台电源连接好；
2） 拧下实验装置后板上的固定螺钉，观看光电倍增管的安装结构与实验光源间的位置关系，然后再将后板用紧固螺丝固紧；
3） 在实验装置面板上找到阴极K、阳极A、第一倍增极D1与地GND等接线端口和高压电源开关、高压电压调整旋钮、实验光源等；
4） 然后，将阴极K与第一倍增极D1相连，在阳极A与地GND之间串入微安电流表（光电平台上安装的毫安表的1档位）；
5） 再将高压电源的电压调整旋钮逆时针旋至最低位置；
6） 打开光电实验平台的电源开关与光电倍增管实验装置的电源开关后观察到数字电流表均指示为零值，然后再打开光电倍增管实验装置的高压电源开关；
7） 缓慢调节高压电源的调压旋钮，观测实验装置上高压电压表的示值，当它们分别为200V、400V、600V和800V时记录下电流表的电流值，它既为光电倍增管在不同工作电压下的暗电流ID值；
8） 将所测得的数据填入表7-1；
9） 在图7-4中画出Id~V的关系曲线；
10） 分析曲线的特点，解释影响曲线的主要原因；
11） 关闭高压电源及光电综合实验平台的电源；
表7-1光电倍增管暗电流测量值
倍增管电压Ubb（V）
100
200
300
400
500
600
700
800
暗电流Id（μA）

二、测量PMT的阳极电流灵敏度Sa
完成PMT的暗电流测量实验后，将事先标定好的光电倍增管光源（LED光源）的接线连接好，注意应在发光二极管中串入测量ILED的电流表。然后，按下面的步骤进行实验：
1）先将发光二极管的电流调至最小，检查光电倍增管是否按测暗电流时的接法接好，接好后，可以把高压电源的开关闭合，调整高压电源使其为200V； 测出阳极电流Ia值；
a) 然后缓慢调节发光二极管的电流ILED，测量在光源变化过程中阳极电流的对应值，将所测得的值填入表7-2，由表7-2可以测出当前电源电压（200V）下的阳极灵敏度。
表7-2光电倍增管阳极灵敏度的测量
电源电压Ubb（V）
测量次数
1
2
3
4
5
6
7
8
200
ILED（mA）
1
2
3
4
5
6
7
8
Ia（mA）

400
ILED（mA）
1
2
3
4
5
6
7
8
Ia（mA）

600
ILED（mA）
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Ia（mA）

800
ILED（mA）
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
Ia（mA）

b) 再分别测出阳极电压为400V、600V、800V时的阳极电流与阳极电流灵敏度Sa，并将其填入表7-3。
c) 将所测的数值用如图7-5所示的坐标表示。
d) 实验完成后，先关闭高压电源，再关闭总电源；

三、测量PMT的增益G
根据增益的定义，可以用如图7-6所示的测量电路对光电倍增管的增益G进行测量。具体测量步骤如下：
1） 先将光电倍增管按图7-6所示连接好，注意阴极电流表用200μA量程的数字电流表，而阳极电流用2m A量程的数字电流表测量；
2） 确定高压电源处于关闭状态时将倍增管光源接好，合上实验平台的电源开关，检测光源的发光情况（查看三种颜色的开关是否正常，亮度的调整是否有效）并对某单色照度进行标定，然后再将其照度调到最低值；
3） 逆时针旋转高压电源的电压调节按钮到最低位，合上高压电源的开关，测量高压电源电压Ubb与Ik、Ia值；调节光源的照度，使之Ik、Ia适合的读数；然后，改变电源电压，再重复测量Ik、Ia值，并将测得的值填入表7-3；

4） 将表7-3所示的数值填在图7-7所示的坐标中，并画出曲线，分析光电倍增管的增益G与电源电压Ubb的关系；

表7-3光电倍增管增益与电源电压的关系
电
源
电
压
测
量
值

200（V）
300（V）
400（V）
500（V）
600（V）
700（V）
800（V）
Ik（μA）

Ia（mA）

G

5) 用光电倍增管测量微弱辐射的强度
利用如图7-3所示的光电倍增管实际应用电路测量微弱辐射实验时先将孔径最低的光阑片插到光电倍增管装置的上方插缝上，将微弱辐射（在光电倍增管实验装置内已经安装好）打开，并调整光源调节旋钮，使图7-3放大器的输出电压的幅度到可以观察的较大值，记录此时的电压值，然后关掉光源换较小孔径的光阑片，再记录输出电压值。分析孔径大小与输出电压的关系。
6. 讨论：
1）如果能够将如图7-3所示电路中的输出电压经AD转换成数字电路后送入计算机（通过光电平台提供的示波端口），再将光电倍增管的光源改用方波脉冲，那么能否测出光电倍增管的时间响应？
2) 能利用光电综合实验平台提供的硬件系统测量光电倍增管的伏安特性吗？
7. 关机与结束：
1、 将所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新补作上述实验；若合理，可以进行关机；
2、 关机时一定要注意先关闭高压电源，然后再将实验平台的电源关掉；
3、 将所用的配件放回配件箱；将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。