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光电倍增管PMT (photomultiplier tube) 原理、结构和特性总结
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在学习单光子计数器的时候涉及到了外光电效应和光电倍增管。 为了对外光电效应和光电倍增管有更深刻的印象，故参考下面的论文写了本文。 王海科,吕云鹏.光电倍增管特性及应用[J].仪器仪表与分析监测,2005(01):1-4.目录 光电倍增管的理论基础 光电倍增管的分类 工作原理 结构 电子发射极(阴极)结构 阳极结构 特性 阴极灵敏度 阴极电流光谱响应度 阳极电流光谱响应度 线性 光谱响应 电流放大倍数(增益) (阳极)暗电流 噪声 光电倍增管的理论基础 光电子发射效应(外光电效应): 光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大，电子会克服束缚逸出表面，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。二次电子发射：二次电子发射是指用电子流或离子流轰击物体表面，使之发射电子的过程叫二次电子发射。发射的电子叫次级电子或二次电子。二次电子的数目取决于入射离子或电子的速度、入射角、物体的性质及物体表面的状态。电子光学理论。光电倍增管的分类 直流工作方式：适用于长时间或重复性测量弱光事件； 脉冲工作方式: 适用于短时间或一次性测量弱光事件。要将光电倍增管用在时间过程快、光强变化大, 并且是单次发生的冲击事件等的测量中, 必须使其工作在脉冲状态下, 以提高光电倍增管的动态范围, 并通过一定措施增大信号幅度； 工作原理
图1: 光电倍增管原理图
光电倍增管的原理图如图1所示。 电子光学聚焦系统：聚焦级D+阴极K 。 它将光电阴极发射的电子汇聚成束并通过膜孔打到第一倍增极。 在高速初电子的激发下，第一倍增极被激发出若干二次电子，这些二次电子在电场作用下达到第二倍增极，又引起更多的二次电子发射，此过程一直持续到D10. 最后，经倍增的光电子被阳极收集而输出光电流，在负载RL上形成电压V0. 结构 电子发射极(阴极)结构 
图2 电子发射极(阴极)结构
上述结构中，阴极表面电位分布均匀(因额外i有球面形光电阴极+圆筒形电极)，而且从不同方向(阴极中心和边缘)发射的电子轨迹长度相差很小，花费的时间几乎相等。 阳极结构
图3 阳极结构
阳极常常采用栅网状结构，如图3所示。 特性 阴极灵敏度 设入射到阴极的光通量为Φ，阴极电流为ik,则阴极灵敏度sk为： sk=Φ/ik 阴极电流光谱响应度阴极电流光谱响应度Rk(λ)为： 其中， 光电倍增管的阳极电流光谱响应度为: Ra (λ) =Rk (λ) ·G G为光电倍增管的放大倍数, 对不同光电阴极材料性质的光电倍增管有不同的sk和sa。 线性非线性产生的原因及解决方案如下： 空间电流: 使极间电压保持较高、管内电流密度尽可能小一些就能防止空间电荷引起的非线性.光电阴极的电阻率聚焦收集效率的变化信号电流造成负载电阻的负反馈: 采用运算放大器作为电流电压转换器, 使有效的负载电阻很小可防止负载电阻引起的非线性电压的再分配正常情况下, 若使用合理, 很多光电倍增管很大范围内能工作在线性区 光谱响应光电倍增管的阴极将入射光的能量转换为光电子, 其转换效率 (阴极灵敏度) 随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。 光谱响应特性的长波端：取决于光阴极材料； 光谱响应特性的短波端：取决于入射窗材料； 电流放大倍数(增益)光阴极发射的光电子-->电场加速-->撞击第一倍增极-->产生多于光电子数目的电子流I1； I1-->电场加速-->撞击第2倍增极-->产生多于I1电子数目的电子流I2； I2-->电场加速-->撞击第3倍增极-->产生多于I2电子数目的电子流I3； ...... 电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比值。在理想情况下, 具有n个倍增极, 每个倍增极的平均二次电子发射率为δ的光电倍增管的电流增益为δn。 其中，A为常数，E为极间电压；α与倍增极材料和几何结构有关，通常0.7-0.8 (阳极)暗电流无光照射时, 光电倍增管仍有微小的输出电流, 即暗电流,. 它是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素之一； 减少暗电流的方法主要是选好光电倍增管的极间电压。 噪声噪声来源： 光电倍增管基本工作过程引起的噪声：包括阴极电流产生的散粒噪声 + 各倍增极产生的散粒噪声。倍增管设计和制造方式所引起的噪声：光阴极热离子发射；寄生气体电离；光反馈；自发发射等。
本文大量总结并摘自： 王海科,吕云鹏.光电倍增管特性及应用[J].仪器仪表与分析监测,2005(01):1-4.
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