光电管与光电倍增管
phototube and photomultiplier tube
将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电管通常用于自动控制、光度学测量和强度调制光的检测。如用于保安与警报系统、计数与分类装置、影片音膜复制与还音、彩色胶片密度测量以及色度学测量等。光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200～1200纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图像传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。
构造和原理 光电管由真空管壳内的光电阴极和阳极所构成（图中a）。阳极相对阴极为正电位。光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子。光电子在电场的作用下到达阳极，在电路中产生光电流。
光电倍增管由真空管壳内的光电阴极、阳极以及位于其间的若干个倍增极构成（图中b）。工作时在各电极之间加上规定的电压。当光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子，光电子在电场的作用下逐级轰击次级发射倍增极，在末级倍增极形成数量为光电子的106～108倍的次级电子。众多的次级电子*后为阳极收集，在阳极电路中产生可观的输出电流。
**种实用光电阴极是1929年由L.R.科勒制成的银氧铯阴极，从此出现了光电管。1934年Л.А.库别茨基提出光电倍增管雏形。1939年V.K.兹沃雷金制成实用的光电倍增管。多碱光电阴极和Ⅲ-Ⅴ族负电子亲和势光电阴极发明后，出现了宽光谱光电倍增管、高灵敏度光电倍增管等品种,采用Ⅲ-Ⅴ族镓磷铯倍增极以后可以制成检测单个光量子的光电倍增管。还出现了快速光电倍增管、异形窗光电倍增管和孪生光电倍增管。70年代末期，采用微通道板电子倍增器,使快速性能达到了新的高度,并出现了位敏光电倍增管。
光电管分为真空光电管和充气光电管两类。充气光电管存在不少缺点，限制了它的应用。真空光电管按受照方式可分为侧窗式和端窗式。端窗式包括弱流和强流两种。强流光电管具有平行平板结构。按倍增系统的结构，光电倍增管可分为分立式和连续式。分立式光电倍增管有圆笼式、直列式、快速式、盒栅式和百叶窗式等。连续式光电倍增管有单通道和微通道板两种。
特性和参数 阴极灵敏度是光电管和光电倍增管*基本的参数，光谱响应特性是*基本的特性（见真空电子器件阴极）。通常将光谱响应特性峰值处的阴极光谱灵敏度称为阴极辐射灵敏度。这个参数是表征光电阴极性能的重要特征数据之一。
在合适的工作电压下，光电管和光电倍增管的输出电流在很宽的光照范围内**地与阴极受照光通量成正比，称为光电管和光电倍增管的光电线性。
光电管和光电倍增管长时间连续使用时，其灵敏度有减小趋势，在强光照射下或大电流下更是如此。若在黑暗处存放适当时间，灵敏度可以部分或全部恢复。
应避免使用细窄强光光束集中照射阴极很小的一部分，阴极电流和阳极电流不应超过所推荐的*大值。
光电倍增管的倍增性能可用阳极灵敏度来描述。阳极灵敏度表示入射于光电阴极的单位光通量所产生的阳极电流,单位为安/流明。阳极灵敏度与阴极灵敏度的比值，为光电倍增管的增益。
光电倍增管无光照时，阳极电路中的电流称为暗电流。暗电流是决定光电倍增管测量阈值的因素之一。阳极灵敏度越高，暗电流越小，则光电倍增管能测量更为微弱的光信号。
阳极灵敏度和暗电流均随工作电压的提高而上升，但是上升斜率不同，因此存在*佳工作电压，使信噪比*大。一般用途的光电倍增管，只要阳极灵敏度能满足需要，总是选择在较低的电压下工作。
进行脉冲幅度测试时，通常采用在核辐射源137Cs作用下的NaI(Tl)闪烁体作为脉冲光源。一定的信号脉冲幅度对应于一定的脉冲光。但由于光电发射和次级发射的统计性，即使入射相同光强的脉冲光，输出信号脉冲幅度也会出现分散现象。因此又用脉冲幅度分辨率来表征光电倍增管和闪烁体对两个不同输入信号脉冲的幅度分辨能力。脉冲幅度分辨率规定为脉冲幅度分布曲线上与所考虑的峰相应的半峰宽（半峰值处的全宽度）对于峰位幅度的比值的百分数。幅度分辨率即区分两个幅度相差不超过某一相对值的脉冲的能力。用于闪烁计数的光电倍增管，幅度分辨率一般应小于10％。
光电倍增管在输出信号脉冲的同时，也产生噪声脉冲。噪声常常与暗电流相并考虑，但是噪声与暗电流又有区别。噪声是指由于光电倍增管内电流传输过程的统计性而在输出中产生的统计起伏。暗电流的统计起伏构成暗噪声;信号电流的统计起伏构成信号中噪声,后者的主要来源是散粒噪声和倍增噪声。噪声可用信噪比、暗噪声计数率、噪声等效输入以及噪声等效能量等参量表示。
光电倍增管的脉冲时间特性，包括脉冲上升时间、脉冲响应宽度、电子渡越时间和渡越时间分散等参数。而通常用上升时间、响应宽度和渡越时间三个参数来表征快速光电倍增管的脉冲时间特性。典型的快速光电倍增管的上升时间应小于2纳秒,响应宽度不超过4纳秒,渡越时间约40纳秒。
发展方向 提高光电阴极的灵敏度、拓宽光谱响应特性是光电管和光电倍增管的重要课题。因此，光电管和光电倍增管的主要发展方向是采用双碱阴极、多碱阴极,以及Ⅲ-Ⅴ族镓砷化合物阴极。钯银氧铯阴极的阈值波长可延伸至1400纳米，因此也具有发展前景。对于紫外光电倍增管，光谱响应的拓宽在于发展各种透紫光窗。除石英光窗外，氟化物光窗是*有希望的。
连续式微通道板用作倍增系统，除了在增益、抗磁、直流线性以及脉冲工作特性等方面具备良好的性能外，由于渡越时间(约1纳秒)和渡越时间分散(约15皮秒)均很短，而空间分辨率（约30线对/毫米）很高,在新型快速光电倍增管方面很引人注目。在此基础上采用多阳极技术所开创的新一代位敏光电倍增管，在快速响应、激光检测以及高能物理研究上已取得有价值的应用。这种管子的阳极数目已发展到20×20个。也有采用硅二维位置敏感片，并将微通道板增加到三块而构成二维光子计数管。
低噪声和光子计数用光电倍增管要求倍增**有较高次级发射系数,宜采用Ⅲ-Ⅴ族镓磷化合物倍增极。高温管、高稳定管以及快速管普遍采用合金倍增极。后者的重要性并不亚于光电阴极。用于液体闪烁计数器的球形窗光电倍增管直径已达508毫米,而适合医疗扫描机的小型光电倍增管直径只有10毫米。随着计算机辅助横切技术(CT)的兴起，异型窗管和孪生管将形成系列。
参考书目
J.B.Dance,Photoelectronic Devices,Iliffe BooksLtd.,London,1969.