实验十四 光电倍增管特性参数的测试
一、实验目的
1、 了解光电倍增管的基本特性。
2、 学习光电倍增管基本参数的测量方法。
3、 学会正确使用光电倍增管。
二、实验内容
1、 暗电流的测量；
2、 阴极灵敏度的测量；
3、 阳极灵敏度的测量；
4、 光电倍增管放大倍数的测量；
5、 光电倍增管光电特性测量；
6、 光电倍增管的时间特性。
三、实验仪器
ZY12206C 光电倍增管实验箱、倍增管暗箱、白光LED 光源、照度计探头、双踪示波器、同轴电缆线等。
四、实验原理
1、工作原理
光电倍增管是一种真空光电器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极组成。其工作原理为：(1) 光子透过入射窗入射到光电阴极上；(2) 光电阴极上的电子受光子的激发，离开表面发射到真空中；(3) 光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次光电子；(4)入射电子经N 级倍增极倍增后，光电子就放大N 次；(5)经过倍增后的二次电子由阳极收集起来，形成阳极光电流，在负载上产生信号电压。
2、供电分压器和输出电路
从光电阴极到阳极的所有电极用串联的电阻分压供电，使管内各极间能形成所需的电场。光电倍增管的极间电压的分配一般由图二所示的串联电阻分压器执行的，最佳的极间电压分配取决于三个因素：阳极峰值电流，允许的电压波动以及允许的非线性偏离。
光电倍增管的极间电压可按前极区，中间区和末极区加以考虑。前极区的收集电压必须足够高，以使第一倍增极有高的收集率和大的次极发射系数，中间级区的各级间通常具有均匀分布的极间电压，以使管子给出最佳的增益。由于末极区各极，特别是末极区取较大的电流，所以末极区各极间电压不能过低，以免形成空间电荷效应而使管子失去应有的直线性。 当阳极电流增大到能与分压器电流相比拟时，将会导致末极区间电压的大幅度下降，从而使光电倍增管出现严重的非线性。为防止极间电压的再分配以保证增益稳定，分压器电流至少为最大阳极电流的10倍。对于直线性要求很高的应用场合，分压器电流至少为最大阳极平均电流的100倍。确定了分压器的电流，就可以根据光电倍增管的最大阳极电压算出分压器的总电阻。再按适当的极电压分配。由总电阻计算出分压电阻的阻值。
光电倍增管输出的是电荷，且其阳极可以看成是一个理想的电流发生器来考虑。因此，输出电流与负载阻抗无关。但实际上，对负载的输入阻抗却存在着一个上限。因为负载电阻上的电压降明显地降低了末极倍增管与阳极之间的电压。
对于直流信号，光电倍增管的阳极能产生达数十伏的电压输出。因此可以使用大的负载电阻。
3、 电倍增管的特性和参数
光电倍增管的特性参数包括灵敏度、电流增益、光电特性、阳极特性、暗电流等。下面介绍本实验涉及到的特性和参数。
1）灵敏度
灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数，一般是指积分灵敏度，其单位为uA/Lm。光电倍增管的灵敏度一般包括阴极灵敏度、阳极灵敏度。
2）阴极光照灵敏度S K
阴极光照灵敏度S K 是指光电阴极本身的积分灵敏度。定义为光电阴极的光电流I k 除以入射光通量Φ所得的商
S k =I K (μA /Lm ) Φ
光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图所示。入射到阴极K 的光照度为E ，光电阴极的面积为A ，则光电倍增管接受到的光通量为
Φ=E ⋅A
由式可以计算出阴极灵敏度。
本实验中采用的光电倍增管受光面积：A = 8×24 mm2。
实验中，入射到光电光电阴极的光通量不能过大，否则由于光电阴极层的电阻损耗会引起测量误差。光通量也不能太小，否则由于欧姆漏电流影响光电流的测量精度，通常采用的光通量的范围为10-5～10-2Lm 。
3） 阳极光照灵敏度S p
阳极光照灵敏度S p 定义是指光电倍增管在一定工作电压下阳级输出电流与照射阴极上光通量的比值
S p =
4） 放大倍数(电流增益)G I p (A /Lm ) Φ
放大倍数G(电流增益) 定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流I p 与阴极电
流I K 间的比值。
G =I p I K
由于阳级灵敏度包含了放大倍数的贡献，于是放大倍数也可以由在一定工作电压下阳极灵敏度和阴极灵敏度的比值来确定，即
G =S p S K
放大倍数G 取决于系统的倍增能力，因此它是工作电压的函数。
5） 暗电流I d
当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，在阳极电路里仍然会出现输出电路，称为暗电流，暗电流与阳极电压有关，通常是在与指定阳极光照灵敏度相应的阳极电压下测定的。引起暗电流的因素有：热电子发射，场致发射、放射性同位素的核辐射，光反馈、离子反馈、极间漏电等。
4、 高压供电与信号输出
为了使光电倍增管能正常工作，通常在阴极和阳级间加上近千伏的高压。同时，还需在阴极、倍增极和阳极间分配一定的电压，保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增系统得到增大。
光电倍增管的供电方式有两种，即负高压接法(阴极接电源负高压，电源正端接地) 和正高压接法(阳极接电源正高压、而电源负端接地)
正高压接法的特点是可使屏蔽光、磁、电的屏蔽罩直接于管子外壳相连，甚至可以制成一体，因而屏蔽效果好，暗电流小，噪声水平低。但这时阳极处于正高压，会导致寄生电容
增大。如果是直流输出，则不仅要求传输电缆能耐高压，而且后级的直流放大器也处于高电压，会产生一系列的不便；如果是交流输出，则通过耐高压、噪声小的隔直电容。
负高压的优点是便于与后面的放大器连接，且即可以直流输出，又可以交流输出，操作安全方便。缺点是玻壳的电位与阴极电位接近，屏蔽罩应至少离开玻壳1～2cm 。否则，由于静电屏蔽的寄生影响，暗电流与噪声都会增大。
五、实验内容
在以下实验中，为保护光电倍增管的安全，都在暗箱上放置了减光片，因此相应的各个电流值都应为电流表读书再乘以各减光片的衰减倍数。具体的数值见相应的标签。
1、暗电流测量
1）将实验箱上的电压调节逆时针调到最小，光源开关断开，将暗箱上的“阴极电流/阳极电流”置于“阳极电流”位置，光源开关断开，然后打开实验箱电源开关；
2）将实验箱上的“HV/LV”置于“HV ”，将“静态特性测试/时间特性测试”置于“静态特性测试”；
3）将光照度计探头与“LED2”相连；
4）缓慢调节电压调节开关，每隔约50伏测一次，直至1000V ，并记下相应的电流表的电流值；
5）画出I d ~V关系曲线；
6）逆时针旋转高压旋钮，将高压调节到零。
2、阳极灵敏度测量
1）将电压调节逆时针调到最小。按下光源开关（2206C 型有此开关，ZYPMT-II 无此开关，
无需此操作）；
2）调节光源的光照度至1 lx 左右，记下此时的光照度实际值（单位为lx ，光电阴极有效
面积A =8mm×24mm) ；
3）缓慢调节高压电压调节开关，每隔约50伏测一次阳极电流值I p ，直至1000V ，并列表
记录各电压与相应的电流值（注意单位，电流变在测量过程中会自动改变量程）；
4）将高压调至为零；
5）调节光照度至10 lx，重复3）的实验过程，测量结束后将高压调至零；
6）在同一张图上，画出两个不同光照下的光电倍增管电压与倍增管阳极电流I p 关系曲线；
7）根据图中曲线分别计算200V 、400V 、600V 、800V 、1000V 电压下阳极光照灵敏度。
3、阴极灵敏度测量
1）将电压调至为零，并将LV/HV”开关置于“LV ”挡；
2）将暗箱上的“阴极电流/阳极电流”置于“阴极电流”位置；
3）调节光照度至10 lx ；
4）缓慢调节电压旋钮到电流表的读数基本不变位置，此时电流阴极电流达到饱和，即为阴极饱和电流I k ；
5）将电压调至为零；
6）将暗箱上的“阴极电流/阳极电流”置于“阳极电流”位置；
7）计算阴极灵敏度：
S k =
I K (μA /Lm ) 。 Φ
4、光电倍增管增益(放大倍数) 的计算
1）计算光照度为1 lx时，不同电压下的放大倍数；
2）计算光照度为10 lx时，不同电压下的放大倍数；
3）画出不同光强的G ~ V曲线，并对曲线进行分析。
5、光电倍增管光电特性测量
1）将实验箱上的“静态/时间”开关置于“静态特性测试”档；
2）将光电倍增管暗箱上的“阴极电流/阳极电流”开关置于“阳极电流”位置；
3）将实验箱上的“HV/LV”开关打到“HV ”档；
4）将光源与照度计探头旋接，并与实验箱上的“LED2输出”相连。连接完毕后，将光
照度调节旋钮逆时针调节到零，按下照度表的换档开关将照度表的量程调节到1lx 档，
5）缓慢增加电压到1000V （光电倍增管正常工作电压）；
6）调节调零旋钮将照度值调节到0.00，
7）然后调节光照度调节旋钮，在0.0-1.0 l x 范围内，每隔0.1 l x 测一个电流值I A 。
8）绘出光电倍增管的I A －E 曲线并分析。
6、光电倍增管的时间特性
1）将实验箱上的“静态/时间”开关打到“时间特性测试”档，将“HV/LV”开关打到
“HV ”档；
2）将光电倍增管暗箱上的“阴极/阳极”开关打到“阳极电流”档；
3）将光源旋接在光电倍增管暗箱上，并与实验箱上的LED1相连；
4）用示波器两个输入通道分别连接到时间特性测试区中的“PMT ，GND ”和“光脉冲，
GND ”测试钩上，缓慢增加电压，观察两路信号在示波器中的变化；
5）使电压稳定在1000V 左右，观察并记录示波器上显示的两个通道的波形；
6）将高压调节旋钮逆时针调节到零，并将各连线恢复到初始的位置，并关闭电源；
7）解释所记录的实验现象。
六、注意事项
1、光电倍增管对光的响应极为灵敏。因此，在没有完全隔绝外界干扰光的情况下，切勿对管施加工作电压，否则会导致管内倍增极的损坏；
2、即使管子处于非工作状态，也要尽可能减少光电阴极和倍增极的不必要爆光，以免对管子造成不良影响；
3、测量阴极电流时，加在其间的电压不可超过250V ，否则容易烧坏光电倍增管。
实验十四 光电倍增管特性参数的测试
一、实验目的
1、 了解光电倍增管的基本特性。
2、 学习光电倍增管基本参数的测量方法。
3、 学会正确使用光电倍增管。
二、实验内容
1、 暗电流的测量；
2、 阴极灵敏度的测量；
3、 阳极灵敏度的测量；
4、 光电倍增管放大倍数的测量；
5、 光电倍增管光电特性测量；
6、 光电倍增管的时间特性。
三、实验仪器
ZY12206C 光电倍增管实验箱、倍增管暗箱、白光LED 光源、照度计探头、双踪示波器、同轴电缆线等。
四、实验原理
1、工作原理
光电倍增管是一种真空光电器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极组成。其工作原理为：(1) 光子透过入射窗入射到光电阴极上；(2) 光电阴极上的电子受光子的激发，离开表面发射到真空中；(3) 光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次光电子；(4)入射电子经N 级倍增极倍增后，光电子就放大N 次；(5)经过倍增后的二次电子由阳极收集起来，形成阳极光电流，在负载上产生信号电压。
2、供电分压器和输出电路
从光电阴极到阳极的所有电极用串联的电阻分压供电，使管内各极间能形成所需的电场。光电倍增管的极间电压的分配一般由图二所示的串联电阻分压器执行的，最佳的极间电压分配取决于三个因素：阳极峰值电流，允许的电压波动以及允许的非线性偏离。
光电倍增管的极间电压可按前极区，中间区和末极区加以考虑。前极区的收集电压必须足够高，以使第一倍增极有高的收集率和大的次极发射系数，中间级区的各级间通常具有均匀分布的极间电压，以使管子给出最佳的增益。由于末极区各极，特别是末极区取较大的电流，所以末极区各极间电压不能过低，以免形成空间电荷效应而使管子失去应有的直线性。 当阳极电流增大到能与分压器电流相比拟时，将会导致末极区间电压的大幅度下降，从而使光电倍增管出现严重的非线性。为防止极间电压的再分配以保证增益稳定，分压器电流至少为最大阳极电流的10倍。对于直线性要求很高的应用场合，分压器电流至少为最大阳极平均电流的100倍。确定了分压器的电流，就可以根据光电倍增管的最大阳极电压算出分压器的总电阻。再按适当的极电压分配。由总电阻计算出分压电阻的阻值。
光电倍增管输出的是电荷，且其阳极可以看成是一个理想的电流发生器来考虑。因此，输出电流与负载阻抗无关。但实际上，对负载的输入阻抗却存在着一个上限。因为负载电阻上的电压降明显地降低了末极倍增管与阳极之间的电压。
对于直流信号，光电倍增管的阳极能产生达数十伏的电压输出。因此可以使用大的负载电阻。
3、 电倍增管的特性和参数
光电倍增管的特性参数包括灵敏度、电流增益、光电特性、阳极特性、暗电流等。下面介绍本实验涉及到的特性和参数。
1）灵敏度
灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数，一般是指积分灵敏度，其单位为uA/Lm。光电倍增管的灵敏度一般包括阴极灵敏度、阳极灵敏度。
2）阴极光照灵敏度S K
阴极光照灵敏度S K 是指光电阴极本身的积分灵敏度。定义为光电阴极的光电流I k 除以入射光通量Φ所得的商
S k =I K (μA /Lm ) Φ
光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图所示。入射到阴极K 的光照度为E ，光电阴极的面积为A ，则光电倍增管接受到的光通量为
Φ=E ⋅A
由式可以计算出阴极灵敏度。
本实验中采用的光电倍增管受光面积：A = 8×24 mm2。
实验中，入射到光电光电阴极的光通量不能过大，否则由于光电阴极层的电阻损耗会引起测量误差。光通量也不能太小，否则由于欧姆漏电流影响光电流的测量精度，通常采用的光通量的范围为10-5～10-2Lm 。
3） 阳极光照灵敏度S p
阳极光照灵敏度S p 定义是指光电倍增管在一定工作电压下阳级输出电流与照射阴极上光通量的比值
S p =
4） 放大倍数(电流增益)G I p (A /Lm ) Φ
放大倍数G(电流增益) 定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流I p 与阴极电
流I K 间的比值。
G =I p I K
由于阳级灵敏度包含了放大倍数的贡献，于是放大倍数也可以由在一定工作电压下阳极灵敏度和阴极灵敏度的比值来确定，即
G =S p S K
放大倍数G 取决于系统的倍增能力，因此它是工作电压的函数。
5） 暗电流I d
当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，在阳极电路里仍然会出现输出电路，称为暗电流，暗电流与阳极电压有关，通常是在与指定阳极光照灵敏度相应的阳极电压下测定的。引起暗电流的因素有：热电子发射，场致发射、放射性同位素的核辐射，光反馈、离子反馈、极间漏电等。
4、 高压供电与信号输出
为了使光电倍增管能正常工作，通常在阴极和阳级间加上近千伏的高压。同时，还需在阴极、倍增极和阳极间分配一定的电压，保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增系统得到增大。
光电倍增管的供电方式有两种，即负高压接法(阴极接电源负高压，电源正端接地) 和正高压接法(阳极接电源正高压、而电源负端接地)
正高压接法的特点是可使屏蔽光、磁、电的屏蔽罩直接于管子外壳相连，甚至可以制成一体，因而屏蔽效果好，暗电流小，噪声水平低。但这时阳极处于正高压，会导致寄生电容
增大。如果是直流输出，则不仅要求传输电缆能耐高压，而且后级的直流放大器也处于高电压，会产生一系列的不便；如果是交流输出，则通过耐高压、噪声小的隔直电容。
负高压的优点是便于与后面的放大器连接，且即可以直流输出，又可以交流输出，操作安全方便。缺点是玻壳的电位与阴极电位接近，屏蔽罩应至少离开玻壳1～2cm 。否则，由于静电屏蔽的寄生影响，暗电流与噪声都会增大。
五、实验内容
在以下实验中，为保护光电倍增管的安全，都在暗箱上放置了减光片，因此相应的各个电流值都应为电流表读书再乘以各减光片的衰减倍数。具体的数值见相应的标签。
1、暗电流测量
1）将实验箱上的电压调节逆时针调到最小，光源开关断开，将暗箱上的“阴极电流/阳极电流”置于“阳极电流”位置，光源开关断开，然后打开实验箱电源开关；
2）将实验箱上的“HV/LV”置于“HV ”，将“静态特性测试/时间特性测试”置于“静态特性测试”；
3）将光照度计探头与“LED2”相连；
4）缓慢调节电压调节开关，每隔约50伏测一次，直至1000V ，并记下相应的电流表的电流值；
5）画出I d ~V关系曲线；
6）逆时针旋转高压旋钮，将高压调节到零。
2、阳极灵敏度测量
1）将电压调节逆时针调到最小。按下光源开关（2206C 型有此开关，ZYPMT-II 无此开关，
无需此操作）；
2）调节光源的光照度至1 lx 左右，记下此时的光照度实际值（单位为lx ，光电阴极有效
面积A =8mm×24mm) ；
3）缓慢调节高压电压调节开关，每隔约50伏测一次阳极电流值I p ，直至1000V ，并列表
记录各电压与相应的电流值（注意单位，电流变在测量过程中会自动改变量程）；
4）将高压调至为零；
5）调节光照度至10 lx，重复3）的实验过程，测量结束后将高压调至零；
6）在同一张图上，画出两个不同光照下的光电倍增管电压与倍增管阳极电流I p 关系曲线；
7）根据图中曲线分别计算200V 、400V 、600V 、800V 、1000V 电压下阳极光照灵敏度。
3、阴极灵敏度测量
1）将电压调至为零，并将LV/HV”开关置于“LV ”挡；
2）将暗箱上的“阴极电流/阳极电流”置于“阴极电流”位置；
3）调节光照度至10 lx ；
4）缓慢调节电压旋钮到电流表的读数基本不变位置，此时电流阴极电流达到饱和，即为阴极饱和电流I k ；
5）将电压调至为零；
6）将暗箱上的“阴极电流/阳极电流”置于“阳极电流”位置；
7）计算阴极灵敏度：
S k =
I K (μA /Lm ) 。 Φ
4、光电倍增管增益(放大倍数) 的计算
1）计算光照度为1 lx时，不同电压下的放大倍数；
2）计算光照度为10 lx时，不同电压下的放大倍数；
3）画出不同光强的G ~ V曲线，并对曲线进行分析。
5、光电倍增管光电特性测量
1）将实验箱上的“静态/时间”开关置于“静态特性测试”档；
2）将光电倍增管暗箱上的“阴极电流/阳极电流”开关置于“阳极电流”位置；
3）将实验箱上的“HV/LV”开关打到“HV ”档；
4）将光源与照度计探头旋接，并与实验箱上的“LED2输出”相连。连接完毕后，将光
照度调节旋钮逆时针调节到零，按下照度表的换档开关将照度表的量程调节到1lx 档，
5）缓慢增加电压到1000V （光电倍增管正常工作电压）；
6）调节调零旋钮将照度值调节到0.00，
7）然后调节光照度调节旋钮，在0.0-1.0 l x 范围内，每隔0.1 l x 测一个电流值I A 。
8）绘出光电倍增管的I A －E 曲线并分析。
6、光电倍增管的时间特性
1）将实验箱上的“静态/时间”开关打到“时间特性测试”档，将“HV/LV”开关打到
“HV ”档；
2）将光电倍增管暗箱上的“阴极/阳极”开关打到“阳极电流”档；
3）将光源旋接在光电倍增管暗箱上，并与实验箱上的LED1相连；
4）用示波器两个输入通道分别连接到时间特性测试区中的“PMT ，GND ”和“光脉冲，
GND ”测试钩上，缓慢增加电压，观察两路信号在示波器中的变化；
5）使电压稳定在1000V 左右，观察并记录示波器上显示的两个通道的波形；
6）将高压调节旋钮逆时针调节到零，并将各连线恢复到初始的位置，并关闭电源；
7）解释所记录的实验现象。
六、注意事项
1、光电倍增管对光的响应极为灵敏。因此，在没有完全隔绝外界干扰光的情况下，切勿对管施加工作电压，否则会导致管内倍增极的损坏；
2、即使管子处于非工作状态，也要尽可能减少光电阴极和倍增极的不必要爆光，以免对管子造成不良影响；
3、测量阴极电流时，加在其间的电压不可超过250V ，否则容易烧坏光电倍增管。