光电发射效应检测器件——光电倍增管特性测试 实验目的 （1)通过对光电倍增管典型特性参数的测量，使同学们进

光电发射效应检测器件——光电倍增管特性测试

实验目的

(1)通过对光电倍增管典型特性参数的测量，使同学们进一步掌握光电倍增管的特性参数及其测试方法。

(2)掌握光电倍增管的供电与输出电路，学会怎样选用倍增管及在使用倍增管时所要注意的要点与事项。

实验内容

(1)测量暗电流

(2)测量放大倍数

(3)测量阳极光照灵敏度

实验原理

光电倍增管主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统(光电阴极到第一个倍增极D₁之间的系统)、二次发射倍增系统及阳极等部分组成。

下图所示为光电倍增管工作原理示意图。从图中可以看出，当光子入射到光电阴极面K上时，只要光子能量高于光电发射阈值，光电阴极就将产生电子发射。发射到真空中的电子在电场和电子光学系统的作用下，经电子限束器电极F(相当于孔径光阑)会聚并加速运动到第一倍增极D₁上，第一倍增极发射出的电子在高动能电子的作用下，将发射比入射电子数目更多的二次电子(即倍增发射电子)。第一倍增发射出的电子在第一与第二倍增之间电场的作用下高速运动到第二倍增极。同样，在第二倍增极上产生电子倍增。依次类推，经过n级倍增极倍增后，电子被放大n次。最后，被放大n次的电子被阳极收集，形成阳极电流I_a，I_a将在负载电阻R_L上产生电压降，从而形成输出电压U_o。

下面介绍本实验涉及的特性参数。

1．放大倍数(电流增益)

在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极电流之比称为管子的放大倍数M或电流增益G。

M(或G)=(1-1)

式中，I_a为阳极电流；I_k为阴极电流。显然，放大倍数也可以按一定工作电压下的阳极响应度和阴极响应度的比值来确定。

2．阳极光照灵敏度

由阴极灵敏度，可知阳极灵敏度为

(1-2)

由式(1-1)，又可得阳极灵敏度为

S_a=MS_k(1-3)

下图所示的是某光电倍增管阳极灵敏度和放大倍数随工作电压而变化的函数关系曲线。

3．暗电流I_d

光电倍增管的暗电流是指无光照时，加有电源的光电倍增管的输出电流。

(1)引起暗电流的因素

引起暗电流的因素有如下几点：

①光电阴极和第一倍增极的热电子发射。在室温下，即使无光照也会有部分电子逸出表面，并经倍增放大到达阳极成为暗电流。这是PMT的主要暗电流。

②极间漏电流。由于光电倍增管各级绝缘强度不够，或极间灰尘放电而引起的漏电流。

③离子和光的反馈作用。由于抽真空技术限制，管内总存在一些残余气体，它们被运动电子碰撞电离，这种电离的电子经放大而形成暗电流。并且，这些离子打在管壁上产生荧光，再反射至阴极而造成光反馈，也可形成暗电流。

④场致发射。场致发射是一种自持放电。其原因是因为电极上的尖端、棱角、粗糙边缘在高电压下(一般场强达10⁵V/cm或极间电压U_D≥200V)才发生。

⑤放射性同位素和宇宙射线的影响。因PMT的光窗材料含K⁴⁰(钾)，它衰变产生一种发光的β粒子；宇宙射线中的μ介子穿过窗而成为光子。它们射到光电阴极上，又可产生一种暗电流。通常，可采用一种无钾的石英窗来大大减弱这种暗电流。

(2)减少暗电流I_d的方法

减少暗电流I_d的方法主要是选好PMT的极间电压。有了合适的极间电压可避开光反馈、场致发射及宇宙射线等造成的不稳定状态的影响。其余还可按下述方法来减少：

①在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿；

②在倍增输出电路中加一选频或锁相放大滤掉暗电流；

③利用冷却法减小热电子发射等。

实验所用仪器设备

(1)光电倍增管 GDB-23及其供电与输出电路；

(2)光点检流计；

(3)光电倍增管高压直流电源；

(4)数字电压表或万用表；

(5)暗箱或黑布等。

实验注意事项

(1)光电倍增管的光电响应极高，在没有完全隔离光辐射作用的情况下，切勿对管子施加工作电压，否则会损坏阳极和最后几级倍增极。为此，一定要注意必须先检查好后，才能打开高压电源。

(2)当I_A过大时，会使光电倍增管老化和衰老，做实验时，应控制阳极电流I_A在100μA以内。

(3)无特殊情况不应插拔或更换倍增管。

(4)开高压电源时，高压电源需预热2分钟，开高压前一定要对电路及光路进行检查。

(5)实验结束后，或改换实验项目时，一定要关掉高压电源和光源，并把检流计置于“短路”位置。最后把实验装置恢复原样。