陈 超

（北京滨松光子技术股份有限公司，廊坊 065000）

光电倍增管是光电子技术领域的研究成果，基于二次电子发射理论，能够通过光电子转化实现光电信号转换的高灵敏度电子器件。由于其具有暗电流低、高灵敏度等一系列优秀电子特性，因此在精度要求较高的临床检测分析和环境监测领域都有着较好的发展前景，随着我国整体高新技术领域研究的不断深化，对具有优异光电特性的光电倍增管需求将显著提升，必将引领新一轮的技术革命，并有效推动社会生产力的进步与发展。

1 光电倍增管的基本结构及工作原理

光电倍增管简称PMT，是一种高增益高灵敏性的光电设备，其工作原理是建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的。光子入射到光阴极上产生光电子；光电子通过输入电子光学系统，进入倍增系统；电子经过多次倍增以后由阳极收集起来，形成电流。因此，尽管光电倍增管的结构型式很多，但从本质上来说，都是由光阴极、输入电子光学系统、电子倍增系统和阳极组成。当足够能量的电子轰击电极表面时，就有一定数目的电子从电极表面发射出来。我们称入射的电子为一次电子，电极发射的电子为二次电子。

相应地，该电极和电极表面材料分别称为二次发射极和二次发射体。二次发射的物理过程与光电发射非常相似，所不同的是在二次发射过程中，入射的是一次电子，而不是光辐射。所以，同光电发射一样，二次发射过程也可以划分为三个阶段：一是入射电子与发射体中的电子相互作用，一部分电子被激发到较高能级。二是一部分受激电子向发射体—真空界面运动。三是到达表面的电子中，能量大于表面势垒的那些电子发射到真空中。吸收了入射电子能量以后，二次发射体中产生受激电子，其数目与入射电子能量有关[1]。在光电倍增管工作过程中，会反复出现二次电子的释放情况（一般会出现5-6个），被释放出的电子在电势差作用下又会被撞向其余的打拿极，再次释放出电子。因此，在光电倍增管内的打拿极链会无限的将二次电子发射持续下去，最终产生105-107倍的电子增益。为保障循环持续相对长的时间，要保持各个电极之间的电势差，一般打拿极之间的电压差保持在100伏左右。打拿极链中，电子集聚向阳极，并被阳极吸收后输出电子脉冲。

2 光电倍增管的特性

2.1 暗电流

暗电流是光电倍增管的首要特性，即便在光电倍增管没有光照的情况下，也会有极微弱的电流流过，将其称之为暗电流。由于光电倍增管的电流放大能力极强，并且对数据精度要求较高，因此高品质的光电倍增管一般暗电流会相对较小，以保障光电倍增管精度和输出稳定性。光电倍增管在持续工作时，打拿极反复经过二次电子发射，内部会出现较高的热量，因此对光电倍增管进行降温处理可以有效的抵消掉暗电流现象对数据精度的影响。但是在使用冷却法处理暗电流现象时，只能尽可能在理论范围内无限缩小暗电流，并不能根本上消除暗电流对光电倍增管的影响[2]。

2.2 时间特性

光电倍增管在高能物理学和高新技术领域的应用过程中，一般对时间分辨率的要求都相对较高。在光电子技术领域，上升时间是指脉冲高度从10%达到90%所需的时间，而下降时间指脉冲高度从90%回到10%所需的时间。测试响应时间时，对光电信号的要求十分严谨，否则信号输出会造成失真现象。此外，有时光电倍增管测试还会使用渡越时间这一概念，渡越时间是从入射光入射到光电面起，到输出脉冲出现为止的时间[3]。

2.3 稳定性

作为高能物理学研究常用核心部件，对光电倍增管的稳定性自然提出了较高的要求。在实际使用过程中，光电倍增管的稳定程度会受到实验条件的限制，环境状态与打拿极数量都会影响到光电倍增管的稳定性。一般情况下，引起光电倍增管信号输出不稳定的原因较多，可能是光电倍增管内部气体残留或接触不良造成的，根据北京某光电子技术仪器制造商提供的资料，结构松动、极间放电、焊接错误等原因都会引起光电倍增管稳定性问题，随着我国光电倍增管市场化生产逐渐成熟，在大规模投放市场前，应当对光电倍增管生产技术指标加以规范。测试稳定性的方法可以通过连续对光电倍增管射入光线，观察并记录数据变化，通过波形图检测光电倍增管工作稳定性[4]。

2.4 脉冲线性

脉冲线性是光电倍增管的重要技术指标。由二次电子发射原理可知，电极会在电势差下频繁输出电能脉冲，而对脉冲线性稳定的保障是进行科学理论研究的基本要求。当光电倍增管在工作过程中因空间电流、电阻率与电压变化导致非线性状态，都会影响光电倍增管正常使用。一般而言，在正常合规的使用环境下，光电倍增管能够在光电变化较大的空间内进行工作。

3 光电倍增管的应用研究

人类对于光电倍增管的研究从20世纪70年代就已经展开，对其稳定性及技术升级相关的理论研究也从来没有停止过。在冷战时期，美苏都对光电子技术发展相当重视，因为光电倍增管能够在光学电控系统及自动化领域提供技术支持，对高新技术和军工医疗领域都有重要的推动作用，因此光电倍增管的发展一直十分迅速。冷战结束后，美苏竞争的技术遗产开始在全世界范围内散播，尽管我国光电子技术起步较晚，但发展速度极快，加上我国后发技术优势，使我国的光电技术领域达到了世界领先水平。在医疗领域，光电倍增管可以用于医学成像系统，为医疗人员诊断提供信息支持；在化学分析领域，光电倍增管可以用于光谱仪等各型监测设备，有效提升科研精确度；在光学领域，基于光电倍增管和光电子技术应用的电子显微镜技术能够帮助科研人员深入观察微观世界，帮助人类探索未知领域[5]。

4 结束语

光电倍增管具有高增益性、低噪音、高频率响应和高灵敏度的特性，使其在化学分析、高能物理学和医疗临床研究等高新技术领域有着不可替代的作用，可以说正是光电子技术有效推动了高新技术领域的发展，为多项领域研究提供技术保障，随着我国光电子技术产业的高速发展，必将有效带动我国知识经济与新兴领域的发展，并转化为社会生产力为社会发展发挥更多积极作用。