光電倍增管的工作過程

當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點(diǎn)。

基于外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)的電子真空器件。它利用二次電子發(fā)射使逸出的光電子倍增，獲得遠(yuǎn)高于光電管的靈敏度，能測量微弱的光信號。光電倍增管包括陰極室和由若干倍增極組成的二次發(fā)射倍增系統(tǒng)兩部分（見圖）。陰極室的結(jié)構(gòu)與光陰極K的尺寸和形狀有關(guān)，它的作用是把陰極在光照下由外光電效應(yīng)（見光電式傳感器）產(chǎn)生的電子聚焦在面積比光陰極小的第一倍增極D1的表面上。二次發(fā)射倍增系統(tǒng)是最復(fù)雜的部分。倍增極主要選擇那些能在較小入射電子能量下有較高的靈敏度和二次發(fā)射系數(shù)的材料制成。常用的倍增極材料有銻化銫、氧化的銀鎂合金和氧化的銅鈹合金等。

倍增極的形狀應(yīng)有利于將前一級發(fā)射的電子收集到下一極。在各倍增極D1、D2、D3…和陽極A上依次加有逐漸增高的正電壓，而且相鄰兩極之間的電壓差應(yīng)使二次發(fā)射系數(shù)大于1。這樣，光陰極發(fā)射的電子在D1電場的作用下以高速射向倍增極D1，產(chǎn)生更多的二次發(fā)射電子，于是這些電子又在D2電場的作用下向D2飛去。如此繼續(xù)下去，每個(gè)光電子將激發(fā)成倍增加的二次發(fā)射電子，最后被陽極收集。電子倍增系統(tǒng)有聚焦型和非聚焦型兩類。聚焦型的倍增極把來自前一級的電子經(jīng)倍增后聚焦到下一級去，兩極之間可能發(fā)生電子束軌跡的交叉。非聚焦型又分為圓環(huán)瓦片式（即鼠籠式）、直線瓦片式、盒柵式和百葉窗式。

光電倍增管是依據(jù)光電子發(fā)射、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)的原理制成的、透明真空殼體內(nèi)裝有特殊電極的器件。光陰極在光子作用下發(fā)射電子，這些電子被外電場（或磁場）加速，聚焦于第一次極。這些沖擊次極的電子能使次極釋放更多的電子，它們再被聚焦在第二次極。這樣，一般經(jīng)十次以上倍增，放大倍數(shù)可達(dá)到108～1010。最后，在高電位的陽極收集到放大了的光電流。輸出電流和入射光子數(shù)成正比。整個(gè)過程時(shí)間約10-8秒。還有一種利用彎曲鉛玻璃管自身內(nèi)部的二次電子發(fā)射構(gòu)成小巧的倍增管。光電倍增管在全暗條件下，加工作電壓時(shí)也會輸出微弱電流，稱為暗流。它主要來源于陰極熱電子發(fā)射。光電倍增管有兩個(gè)缺點(diǎn)：①靈敏度因強(qiáng)光照射或因照射時(shí)間過長而降低，停止照射后又部分地恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱為“疲乏”；②光陰極表面各點(diǎn)靈敏度不均勻。

由于光電倍增管增益高和響應(yīng)時(shí)間短，又由于它的輸出電流和入射光子數(shù)成正比，所以它被廣泛使用在天體光度測量和天體分光光度測量中。其優(yōu)點(diǎn)是：測量精度高，可以測量比較暗弱的天體，還可以測量天體光度的快速變化。天文測光中，應(yīng)用較多的是銻銫光陰極的倍增管，如RCA1P21。這種光電倍增管的極大量子效率在4200埃附近，為20％左右。還有一種雙鹼光陰極的光電倍增管，如GDB-53。它的信噪比的數(shù)值較RCA1P21大一個(gè)數(shù)量級，暗流很低。為了觀測近紅外區(qū)，常用多鹼光陰極和砷化鎵陰極的光電倍增管，后者量子效率最大可達(dá)50％。

普通光電倍增管一次只能測量一個(gè)信息，即通道數(shù)為1。近來研制成多陽極光電倍增管，它相當(dāng)于許多很細(xì)的倍增管組成的矩陣。由于通道數(shù)受陽極末端細(xì)金屬絲的限制，目前只做到上百個(gè)通道。