光电倍增管光阴极技术

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　　首先我们先来简单过一下光电倍增管（PMT）的基本原理：
% ?- V# k; n6 Y; m: g1 M　　光电倍增管是一种真空管，由光入射窗、光阴极、倍增级和阳极组成。光子通过光窗照射到光阴极上，光阴极发生光电效应产生光电子，然后被加速和聚集，进入倍增系统，在倍增极电子通过二次发射发生倍增，二次发射在每个倍增极上重复，导致阳极接收到的电子团倍增106 到 107倍，甚至更多。
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% x8 k# P7 B9 A  W　　图1（a）:PMT(端窗型)截面图

　　图1 （b）：侧窗型PMT=      
) {7 y; r. [+ G% h  p' ]　　侧窗型光电倍增管通常相对有较高增益，广泛应用于分光光度计和一般光度计量系统。

　　图1（c）:端窗型PMT
　　端窗型光电倍增管在光入射窗内表面直接形成光阴极，由于闪烁体比较容易耦合到光入射窗上，因此经常用于辐射测量。
8 ^* W. L& A1 o, t7 J: H　　光阴极
/ Y& Z$ k# I. w% \　　不同的光阴极材质可以使 PMT的感应范围有不同的光谱响应特性，如果配合入射窗口材质，则可适当调制PMT的整体感应范围。而对于光阴极材料而言，因为碱金属的物理性质最活泼，所以几乎都含有碱金属元素。那这些光阴极都是如何被发现、认可继而被使用的呢？接下来，我们就来具体了解一下PMT"光阴极技术"的那些事儿。
　　1、碱性光阴极
; w7 |5 R+ `3 z- B8 T. T; o6 z　　与其他光探测器相比，光电倍增管由于有低噪声电子倍增器，所有在信噪比方面具有优异的特性。为了进一步提高信噪比，获得更高的灵敏度，光阴极的量子效率也要进一步提高。图2显示了量子效率和目前使用的典型光阴极的波长之间的关系。
　　1951年美国人Sommer(图3 左)发明了光阴极处理工艺，通过使一层Sb和Na、K、Cs 发生反应，制造了多碱光阴极。这种光阴极在紫外到850nm的宽光谱范围内都具有比较高的灵敏度，被用在分光光度计和生物与基因相关领域的荧光测量上。
　　双碱阴极是由Sb和K、Cs反应制造出来的，在400nm附近有着高灵敏性。使用这种双碱光阴极的PMT被广泛应用于闪烁计数的辐射测量，因为这种光谱响应特性和NaI闪烁体的发射波长很相配。顺便提一下，这种双碱光阴极也是Sommer在1963年发明的。继Sommer发明这个光阴极，后来的专业工作者们在实践中对这两种光阴极也进行了进一步的提升，使得它们成为了今天得到最广泛使用的PMT光阴极。光阴极的工作原理可以用能带模型来描述，根据能带理论，新的半导体光阴极和高灵敏度双碱光阴极都被开发而出，也打开了增强光阴极灵敏度和延伸光谱响应范围的道路。
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　　图2:不同光阴极量子效率与波长关系曲线

　　图3:Alfred H. Sommer博士（左）在1984年10月25来访滨松公司。右边是滨松公司前主席昼马辉夫。
　　量子效率（简写为QE）是光阴极发射的光电子数除以入射光子数，通常用百分比表示。
0 I& X& `, f2 e; x+ F　　2、光阴极能带模型
　　因为光阴极是一种半导体，因此其运作可以用能带理论来描述，能带理论中有能量带隙（Eg）、电子亲和势（ Ea）、费米能级（Ef ）、功函数（ φ）等术语。图4显示了一种碱阴极能带模型。当一个光子击打光阴极，价带中的电子吸收光子能量（ hv），被激发到导带，往光阴极表面扩散。如果这些电子的能量超过了真空势垒，那么他们就被发射到真空中。该电子发射过程被W.E. Spicer 用下式表达。
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　　R　:反射系数
9 s$ v1 Z2 ?4 v/ Q  X　　a　: 光子全光学吸收系数
　　aPE　:电子被激发到高于真空能级的能级时的吸收系数
　　L: 电子扩散的长度
  ~1 N  U& _9 q$ ^" x/ b　　Ps:电子逃逸到真空中概率
4 V8 m, C: W. v* B3 Z; j　　v: 光频率

, K% b! F3 n7 ]) n6 Q( l' Z　　这叫做Spicer的三步模型，用三步解释了光电子发射过程：光吸收过程、电子扩散过程、逸出过程。应用这个表达式，可以通过增加扩散长度L来增强光阴极的晶体性质，还可以通过增加Ps来降低电子亲和势，来提高量子效率。

　　图4:碱金属阴极能带模型

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