單色儀/光譜儀

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探測器選型基礎(chǔ)知識指導(dǎo)

從科學(xué)的角度來說，電磁波是能量的一種，凡是高于零度的物體，都會釋放出電磁波，且溫度越高，釋放的電磁波波長就越短。電磁波由低頻到高頻主要分為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線等。各個波段都有其獨特的作用，無線電波用于衛(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觀察事物的基礎(chǔ)；紫外線用于醫(yī)用消毒，驗證假鈔，測量距離，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，人類眼睛對微弱光也無能為力。但是這位朋友與我們的生活息息相關(guān)，如何清楚認識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方面都是一個不錯的選擇。

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

圖1 不同探測器件可探測光譜范圍

PMT除有較寬的光譜響應(yīng)范圍外，還有高靈敏度、低探測下限的特點，與其他探測器相比也是有很大優(yōu)勢的。根據(jù)入射到PMT的光強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數(shù)法。改變?nèi)肷涔獾膹姸�，可看到在強光范圍�?nèi)，用示波器觀察PMT輸出信號時，因其脈沖間隔狹窄而相互重合為模擬波形，探測光強上限約為10^-9W。當光其微弱時，光子呈現(xiàn)粒子性，普通模擬法應(yīng)用的PMT無法分辨，而在光子計數(shù)應(yīng)用下，PMT卻可分辨出單個光子的信號，探測下限可達10^-16W，是微弱光探測的利器。

圖2 不同探測器件可探測光強范圍

光電倍增管（Photomultiplier Tube，簡稱PMT），對于次接觸的用戶來說可能比較神秘，對其認識可以從名稱中了解一二。“光電”表示的功能，顧名思義，就是把光信號轉(zhuǎn)化為電信號；“倍增”代表PMT的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部由多級倍增構(gòu)成，用于放大轉(zhuǎn)化來的電信號；“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)和陽等部分組成，如圖2所示。光透過入射窗后到達光陰面，由于光電效應(yīng)光子轉(zhuǎn)換為電子，經(jīng)過聚焦和各倍增后實現(xiàn)電子倍增（二次電子倍增），后由陽輸出電流信號。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，中間要加入數(shù)種膨脹系數(shù)逐漸過渡的玻璃，即“過渡接”。

2. 光陰面：

光陰面是一種半導(dǎo)體材料，光入射后，材料中的價電子吸收光子能量而向表面擴散，越過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)文章中會詳細介紹）。光陰面按光電子發(fā)射過程可分為反射式和投射式，對應(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)波長和長波截止波長，常用種類如表2所示，同時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中的電子運動是由電場決定的，而電場又受電形狀、電配置和所加電壓的支配，為使PMT具有佳性能，需要對其電位分布和電結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。光陰面發(fā)出的光電子經(jīng)過從倍增到末倍增（多19級）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)、倍增的級數(shù)的不同而使得電流增益、時間響應(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

PMT的陽部分負責將經(jīng)過各級倍增的二次電子進行收集，并通過外接電路將電流信號輸出。陽結(jié)構(gòu)的設(shè)計要確保陽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、光強、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，以達到佳測試效果。對此，可將PMT按照不同方法進行分類并選擇：

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，為使其探測效率得到充分利用，同時又不造成性能及成本的浪費，需要根據(jù)入射光的波長選擇合適波段的PMT，如圖1所示。

圖1 常見PMT響應(yīng)范圍

2. 按光強大小分類選擇

PMT是微弱光探測的利器，根據(jù)入射光強大小及后續(xù)電路處理方法的不同，可分為模擬用PMT（常規(guī)型號PMT）和光子計數(shù)用PMT（型號后綴帶“P”標識）。前者可探測10^-11W~nW量級的光強，后者可探測10^-16W~10^-11W量級的光強，二者在10^-11W量級光強范圍存在交疊部分，需根據(jù)實際應(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；（c）光信號雖可全部入射到PMT上，但光斑相對陰面尺寸過小，陰面邊緣部分沒有有效信號，卻會產(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，可提高光信號的收集效率、增大PMT的探測效率，是PMT的方案。

圖2 不同陰面尺寸及測試距離與光束收集的關(guān)系

4. 按響應(yīng)時間分類選擇

大多數(shù)PMT響應(yīng)時間在幾個~幾十個ns，能夠滿足大部分的發(fā)光測試，但對特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如正電子發(fā)射斷層顯像（Time of flight-positron emission tomography，簡稱TOF-PET）、熒光壽命檢測等，響應(yīng)時間為10^-10~10^-11s量級的PMT可以為用戶提供選擇。此外，終輸出信號的響應(yīng)頻率是否能同步反映入射光信號的頻率，除PMT的響應(yīng)時間外，后續(xù)電路的處理也很關(guān)鍵，對于選擇探測器模塊的用戶來說，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、磁場等。常規(guī)PMT可在-30~50℃的環(huán)境中使用，若在石油測井等高溫強振動環(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。此外，PMT本身對磁場較為敏感，在有磁場干擾的環(huán)境中使用，會導(dǎo)致其輸出變化，可使用增加磁屏蔽的PMT（型號后綴帶“C”標識）。

使用指導(dǎo)：

光電倍增管（Photomultiplier Tube，簡稱PMT）將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，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中的電子運動是由電場決定的，在各之間供給高壓電子才能實現(xiàn)倍增并從陽輸出，此高壓需由一個穩(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合適的電壓梯度分布。圖3為PMT管腳排布示意圖，圖示方向為面向PMT管針所看到的排布，其中“K”為陰、“DY為倍增”、“P”為陽（信號輸出端），“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、倍增和陽之間用數(shù)個電阻（100k~1MΩ）進行分壓，得到各級間的規(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，可在后幾級增加電容器件。詳細的分壓器電路設(shè)計將在后面章節(jié)說明。

圖3 PMT管腳排布圖

圖4 分壓器設(shè)計示意圖

PMT連接分壓器和高壓便可從陽輸出電流信號，后續(xù)連接回路的設(shè)計根據(jù)入射光強的不同而有所區(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放大器、低通濾波器之后再進行檢測，該方法適用于探測光強相對較強的情況，且使用較為廣泛；b）交流方式，是將PMT的輸出通過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行檢測，該方法一般適用于光強較弱的情況，在此情況下，輸出信號中的交流成分壓制了直流成分而占主導(dǎo)地位；c）光子計數(shù)方式，是將PMT的輸出脈沖先放大，再經(jīng)過脈沖幅度甄別器進行選擇，然后對幅度在某一甄別電壓之上的脈沖進行計數(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輸出信號處理方法

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