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    技術支持

    光電倍增管特性之線性

    發布時間:2022-03-31 編輯:張昱琰

    光電倍增管的線性特性是指光電倍增管的陽極輸出電流對入射光通量的線性關系。線性特性在微弱光領域和閃爍探測器領域均有重要應用。由閃爍體和光電倍增管組成的閃爍探測器將輻射信號轉化為脈沖電流信號以實現對輻射的測量,是目前輻射測量工作中常用的探測手段之一。閃爍探測器的靈敏度和線性動態范圍是探測器的主要屬性。當閃爍體的種類和尺寸確定后,閃爍探測器的線性動態范圍與光電倍增管的脈沖線性輸出性能有直接關系。

    光電倍增管的線性特性主要與陰極線性和陽極線性有關。陰極線性由陰極材料決定,光電面是半導體,具有一定的電阻。在透過型光電面中,光電面線性電流和光電面種類有關(見表1)。

    表1 光電面種類特性

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    (※)超過標注電流值會縮短使用壽命 

    光電倍增管在低電壓、大電流的場合工作時,其陰極線性可能會影響陽極輸出電流。故為減小光電面電阻影響,一般在光電面和第一倍增極之間施加100V~400V的供電電壓。

    陽極線性主要受分壓器回路的影響和倍增系統在大電流時空間電荷效應的影響。分壓回路對光電倍增管線性的影響,可以根據光電倍增管的工作方式分為直流方式和脈沖方式討論。

    光電倍增管在直流狀態工作時(見圖1),對流過 R7的電流而言,實際流過分壓器內的電流是分壓器電流 Ib 和陽極電流 Ip 之差,流過其他分壓電流是 Ib 和從各倍增極反方向流過分壓電阻的倍增極電流 IDy 之差。

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    圖1 直流(DC)輸出型分壓器電路

    因陽極電流與倍增極電流與分壓器電流相抵消,因而伴隨著入射光強的增加,各電極間電壓降低,尤其是倍增極電流很大的后幾級倍增極間電壓的下降更為顯著。使得陽極二次電子收集效率降低,從而產生飽和現象,造成陽極線性降低。

    雖然線性電流因光電倍增管種類和分壓回路的不同而有所區別,但在得到直流輸出的場合,一般輸出電流的實際最大值應為分壓器電流的1/20~1/50。如果線性要求在±1%內,則最大輸出必須控制在1/100以內。

    光電倍增管在脈沖狀態工作時,只使用電阻的分壓器回路的光電倍增管,其最大輸出線性,限定在分壓器電流的幾十分之一。

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    圖2 脈沖信號型分壓器電路

    圖2所示的脈沖信號型分壓器電路可以提高脈沖線性。電路的最后數級接上耦合電容,補充光電倍增管電荷,以抑制末級倍增極和陽極的電壓下降,從而大大改善脈沖線性。當脈沖寬度很窄,占空比小時,用這種方法,不受分壓器電流的限制。線性電流可以達到光電倍增管內部的倍增極出現空間電荷飽和時的電流值。因此,可以得到是分壓器電流數千倍以上的峰值輸出電流。

    即使使用了去耦電容,采取了充分的脈沖輸出線性對策,但當級間電壓固定時,隨著入射光通量的不斷增加,達到某一值后也會產生飽和狀態。這是由于電子流密度的增大而出現的空間電荷效應,妨礙了電子流的正常傳輸所致。該飽和電流的大小,尤其與光電倍增管末級倍增極附近的倍增極和陽極的電極結構以及電極間所加的電壓不同而異。一般我們不改變倍增極的種類,而采用提高末級倍增極和附近的倍增極級間電壓,使倍增極間電場強度增加以改善線性特性。一般常用以下措施提高光電倍增管的線性電流。

    ①在電子密度高的后幾級采用比標準電壓分配高的電壓,一般采用從前級到后級級間電壓逐步升高的所謂“錐形分壓器電路”。圖3為光電倍增管在不同分壓比下的輸出電流線性特性。

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    圖3 光電倍增管采用不同分壓器的線性特性

    ②為了使電極間有高的電場強度,克服空間電荷影響,可以提高光電倍增管的工作電壓。圖4是光電倍增管工作電壓和陽極峰值電流的關系。

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    圖4 光電倍增管線性與電壓的關系

    當對光電倍增管脈沖線性有較高的要求時,可以采用后幾級加去耦電容和使用錐形分壓器的分壓回路的對策,并加載合適的工作電壓使光電倍增管輸出較大的陽極峰值電流。

    北京濱松生產的CR364管型具有高線性(見圖5)、快時間響應、高穩定性等特點,其2%線性偏離時典型線性電流可達100mA@錐形分壓器。

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    圖5  CR364典型線性曲線

    CR332管型(見圖6)具有尺寸小、時間響應快、能量分辨率好、高信噪比等特點,其5%線性偏離時典型線性電流可達50mA@錐形分壓器。CR365管型(見圖 7)具有大尺寸陰極面、快時間響應、高穩定性、低暗計數、耐高水壓等特點,其5%線性偏離時典型線性電流可達60 mA @錐形分壓器??筛鶕煌枨髴糜诟吣芪锢?、核輻射測量等領域。

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    圖6 CR332管型                                       圖7 CR365管型



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