浅析真空光电倍增管的结构与特性问题

　　利用具有光电发射能力的材料制成的光电发射器件主要有真空光电二极管、充气光电二极管和真空光电倍增管。随着光生伏特器件的发展，尤其是光伏器件质量的提高，真空光电二极管及充气光电二极管已被光伏器件取代。为此，今天主要讨论真空光电倍增管的结构与特性问题。

光电倍增管

　　真空光电倍增管的基本工作原理

　　光电倍增管是由半透明的光电发射极、倍增极和阳极所组成，如下图所示。

图 光电倍增管工作原理图

        当入射光子照射到半透明的光电阴极K上时，将激发出光电子，被第一倍增极D₁与阴极K之间的电场所聚焦并加速后，与倍增极D₁碰撞。一个光电子从D₁撞击出3个以上的新电子，这种新电子叫二次电子。这些二次电子又被D₁与D₂之间的电场所加速，打到第二个倍增极D₂上，并从D₂上撞出更多的新的二次电子，如此继续下去，使电子流迅速倍增，最后被阳极a收集，收集的阳极电子流比阴极发射的电子流一般大10⁵〜10⁸倍。这就是真空光电倍增管的电子内倍增原理。

　　由于电子的内倍增作用，与外增益器件相比，光电倍增管具有噪声低，响应快等特点。这对探测微弱的快速脉冲信号是有利的。

　　光电倍增管的倍增极

　　1)倍增极材料

　　光电倍增管的电子内倍增主要靠选择良好的倍增极材料，一般具有良好光电子发射能力的光阴极材料也具有良好的二次电子倍增能力。但对倍增极材料要求具有耐撞击，稳定性好，使用温度高等特点。现用的倍增极材料锑化铯（C_s3Sb），它具有较高的倍增系数，但使用温度不超过60℃，因此，在倍增电流较大时，倍增系数显著下降，甚至无倍增作用；银镁合金(Ag-MgO[Cs])的倍增系数较高，稳定性较好，可用于电流较大的倍增管中，使用温度可达150℃；此外还有铜铍合金以及NEA倍增材料等。其中，NEA倍增材料，如GaAs[Cs]和磷化镓（GaP[Cs]）材料的倍增系数可达20〜50倍之多。这样可以减少光电倍增管的倍增级数，从而提髙光电倍增管的频率响应和降低散粒噪声。

　　2)倍增极的结构

　　倍增极的结构对光电倍增管的倍增系数和时间响应起着一定的影响。现就几种通用结构介绍如下:

　　①百叶窗式，如图（a）所示。在每个倍增极中采用与管轴成45°角的若干小板，组成百叶窗式结构。相邻各极的小板，其倾斜方向相反。为了能把前面倍增极的低能量的二次电子都吸引过来，每个倍增极前面装有金属网，起着增强电场的作用，以便收集二次电子。

　　百叶窗式倍增极常装在大直径的倍增管内，易于收集电子，暗电流小。

　　②盒网式，如图（b）所示。倍增极是由四分之一的圆弧组成。其前面也装有金属丝网。它适合装在小直径的倍增管内，但阳极电流较大时容易饱和，使光电特性线性度变差。

　　图 几种倍增极结构

　　以上两种结构是非聚焦式的，能在较低的极间电压下给出较高的增益，且不受邻近倍增极电压的影响。但因空间电荷效应，使电子散焦变大，结果输出脉冲信号上升时间变长。为此，阳极采用金属网结构，使其杂散电容最小，从而减少脉冲前沿上升时间。

　　③聚焦式，如图（c）所示。倍增极本身的曲率所提供的一种聚焦电场，使电子流大致聚焦到每一个倍增极的中心。如果极间电压高，则电子飞越的时间散差小。为了抑制空间电子云的电荷效应，常附加一个或多个电极来吸引电子。这种结构的输出脉冲上升时间约为1ns。但极间增益较低，且受邻近电极电压的影响。

　　④圆形鼠笼式，如图（d）所示。倍增极上所加的电压除加速电子外，因本身形状，也具有对电子的聚焦能力。由于每个倍增极很紧凑地排列在圆形鼠笼中，使电子束散差最小，飞越时间很短，频率响应高，适用于高频光脉冲信号的检测。

　　光电倍增管的特殊参数：暗电流

　　当光电倍增管无光照射时（严格地说完全隔绝辐射时），所产生的电流称为暗电流Id。

　　一般说来引起暗电流有如下几个原因：

　　①欧姆漏电。欧姆漏电主要是指管心和沿管壁玻璃表面（包括芯柱）上的电阻漏电。欧姆漏电通常比较稳定，因此它对噪声的贡献小，管子在低电压下工作时，漏电流成为暗电流的主要部分。

　　②热发射。由于光电阴极材料具有较低的逸出功，即使在室温下也有一定的热电子发射，它与阴极光电子一样被倍增。这种热发射电流对非常弱的光的测量影响特别严重。在倍增管正常工作的条件下，它是暗电流的主要成分。对于常用的光电阴极，热发射暗电流密度（A•cm²），近似地服从里査逊（Richardson）定律，即

　　式中，T一绝对温度（K）；W_i—阴极材料的电子逸岀功。

　　由此可见，冷却光电倍增管是减小热发射效应的有效方法。如锑铯阴极的管子，从室温25℃冷却到0℃时，能使暗电流的热发射成分减少到1/10。常用的阴极中除Ag-O-Cs以外的所有阴极，在冷却到一40℃时，其暗电流的热发射成分几乎全部消除。

　　③残余气体电离（离子反馈）。光电倍增管的电子通常具有足够的能量使管中残余气体电离，产生正离子和光子，它们又在阴极和倍增极上打击电子，经过倍增就形成了附加暗电流。这种效应，在工作电压较高和放大倍数很大时，特别严重，使管子工作不稳定。在闪烁计数器中，常引起所谓后脉冲的“乱真”效应。

　　④场致发射。在高压下工作时，由于电极的尖端和棱角，以及由于机加工不当造成的零件边缘粗糙和毛刺等引起的电子发射称为场致发射。它也产生附加暗电流。

　　⑤玻璃壳放电和玻璃萤光。当金属屏蔽与玻璃壳接触时（负高压使用），金属屏蔽与管壳内表面之间会产生放电，引起暗电流增加和工作不稳定。解决的方法是将外部的金属屏蔽壳连接到阴极的电位上，如果考虑到安全，则屏蔽应与管壁至少分离1〜2cm。

　　另外，外部强辐射场辐射时，可能引起玻璃发光，这也是暗电流产生的一个因素。

　　以上各暗电流分量随极间电压增加而增大。当极间电压升高至100V时，热电子发射大大增加。电压再升髙就会岀现离子反馈和光学反馈，使暗电流剧增，导致管内自持放电的危险，形成不稳定区，如下图所示。

暗电流与极间电压关系