探測器選型基礎知識指導
從科學的角度來說，電磁波是能量的一種，凡是高于零度的物體，都會釋放出電磁波，且溫度越高，釋放的電磁波波長就越短。電磁波由低頻到高頻主要分為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線等。各個波段都有其*的作用，無線電波用于衛星通信等；紅外線用于遙控、熱成像儀、紅外制導等；可見光是所有生物用來觀察事物的基礎；紫外線用于科研消毒，驗證，測量距離，工程上的探傷等；X射線用于CT照相；γ射線用于治療等。
正像人們一直生活在空氣中而眼睛卻看不見空氣一樣，除光波外，人們也看不見無處不在的電磁波，它是一位人類素未謀面的“朋友”。即使是可見光，人類眼睛對微弱光也無能為力。但是這位朋友與我們的生活息息相關，如何清楚認識并充分利用就顯得尤為迫切和重要。而光電倍增管在寬光譜和極微弱光的探測方面都是一個不錯的選擇。
光電倍增管（Photomultiplier Tube，簡稱PMT）是一種真空玻璃器件，可將光信號轉化為電信號，因超高靈敏度和快速響應等特點備受關注。在檢測光譜方面，其可探測約100nm~1μm范圍內的光信號。此外，在更短波方向，如γ射線、X射線探測使用的輻射探測器，以通過各種閃爍體轉化成可見光，然后再通過PMT進行檢測，其關鍵器件也是PMT。
圖1 不同探測器件可探測光譜范圍
PMT除有較寬的光譜響應范圍外，還有高靈敏度、低探測下限的特點，與其他探測器相比也是有很大優勢的。根據入射到PMT的光強度和輸出處理回路帶寬的處理方法的不同，PMT的使用可分為模擬法和計數法。改變入射光的強度，可看到在強光范圍內，用示波器觀察PMT輸出信號時，因其脈沖間隔狹窄而相互重合為模擬波形，探測光強上限約為10-9W。當光極其微弱時，光子呈現粒子性，普通模擬法應用的PMT無法分辨，而在光子計數應用下，PMT卻可分辨出單個光子的信號，探測下限可達10-16W，是極微弱光探測的利器。
圖2 不同探測器件可探測光強范圍
光電倍增管（Photomultiplier Tube，簡稱PMT），對于次接觸的用戶來說可能比較神秘，對其認識可以從名稱中了解一二。“光電”表示的功能，顧名思義，就是把光信號轉化為電信號；“倍增”代表PMT的結構，其內部由多級倍增極構成，用于放大轉化來的電信號；“管”即為形狀，典型的PMT主體為圓柱形，但隨著應用需求的增多及開發技術的提升，其他不同形狀的PMT也越來越多，如圖1所示。
圖1 不同外形的PMT
傳統PMT是一種真空玻璃管，由入射窗、光陰極面、倍增系統和陽極等部分組成，如圖2所示。光透過入射窗后到達光陰極面，由于光電效應光子轉換為電子，經過聚焦極和各倍增極后實現電子倍增（二次電子倍增），最后由陽極輸出電流信號。此外，還有一些外形及結構比較特殊的產品，如Channel Photomultiplier (CPM)、Micro PMT （μPMT），此處不做特別介紹，以下以傳統PMT為例分別介紹各部分特性。
圖2 光電倍增管結構圖
1. 入射窗：
不同入射窗材料對紫外線的吸收特性有很大區別，這也決定了PMT光譜范圍的短波區界限，常用窗材如表1所示。
表1 PMT常用窗材種類
基本原理：
1：石英的熱膨脹系數和PMT芯柱絲使用的可伐合金有很大差別，所以在與芯柱部分的硼硅玻璃銜接時，中間要加入數種膨脹系數逐漸過渡的玻璃，即“過渡接”。
2. 光陰極面：
光陰極面是一種半導體材料，光入射后，材料中的價電子吸收光子能量而向表面擴散，越過真空位壘后成為自由光電子并發射到真空中，該現象的發生存在一定概率，即為PMT的量子效率（后續文章中會詳細介紹）。光陰極面按光電子發射過程可分為反射式和投射式，對應側窗型PMT和端窗型PMT。
光陰極面的堿金屬材料和制作工藝共同決定了PMT的響應波長和長波截止波長，常用種類如表2所示，同時也決定了其外觀顏色的差異，如圖3所示。
表2-1 反射型光陰極面特性
表2-2透射型光陰極面特性
圖3 不同陰極面顏色的PMT
3. 電子倍增系統
PMT中的電子運動是由電場決定的，而電場又受電極形狀、電極配置和所加電壓的支配，為使PMT具有性能，需要對其電位分布和電極結構進行優化。光陰極面發出的光電子經過從倍增極到末倍增極（最多19級）的倍增系統，可以得到10倍到108倍的電流增益。
倍增極有許多種類，由于其結構、倍增極的級數的不同而使得電流增益、時間響應特性、均勻性、二次電子收集效率特性等不同，要根據使用目的做相應的選擇。各倍增極種類如表3所示。
表3各種倍增極特性
4. 陽極
PMT的陽極部分負責將經過各級倍增的二次電子進行收集，并通過外接電路將電流信號輸出。陽極結構的設計要確保陽極和末倍增極間的電位差合適，以避免空間電荷效應，從而獲得大的輸出電流。
選型指南：
根據入射光的波長、光強、光束直徑、光現象發生的速度、使用環境等條件的不同，選擇合適的PMT、工作條件和電路配置，以達到測試效果。對此，可將PMT按照不同方法進行分類并選擇：
1. 按光譜響應范圍分類選擇
雖然PMT可探測光譜范圍很寬，但每一種管型可直接響應的波段范圍是有限的，為使其探測效率得到充分利用，同時又不造成性能及成本的浪費，需要根據入射光的波長選擇合適波段的PMT，如圖1所示。
圖1 常見PMT響應范圍
2. 按光強大小分類選擇
PMT是微弱光探測的利器，根據入射光強大小及后續電路處理方法的不同，可分為模擬用PMT（常規型號PMT）和光子計數用PMT（型號后綴帶“P”標識）。前者可探測10-11W~nW量級的光強，后者可探測10-16W~10-11W量級的光強，二者在10-11W量級光強范圍存在交疊部分，需根據實際應用及入射光其他特性具體分析哪種更加適合。
3. 按光陰極面尺寸分類選擇
根據入射光的光斑形狀、大小、與PMT的距離關系等選擇合適的PMT。如狹縫形的光斑更適合用側窗型PMT。陰極面大小選擇以盡量多的收集光束為原則，如圖2所示，在光源特性*一致的情況下，（a）PMT陰極面尺寸略小，不能有效收集光信號；（c）光信號雖可全部入射到PMT上，但光斑相對陰極面尺寸過小，陰極面邊緣部分沒有有效信號，卻會產生噪聲，使信噪比下降；（b）尺寸的選擇明顯優于（a）和（c）；（d）相比（b）而言，減小光源與PMT之間的距離，可提高光信號的收集效率、增大PMT的探測效率，是PMT的方案。
圖2 不同陰極面尺寸及測試距離與光束收集的關系
4. 按響應時間分類選擇
大多數PMT響應時間在幾個~幾十個ns，能夠滿足大部分的發光測試，但對特殊應用領域，如正電子發射斷層顯像（Time of flight-positron emission tomography，簡稱TOF-PET）、熒光壽命檢測等，響應時間為10-10~10-11s量級的PMT可以為用戶提供選擇。此外，最終輸出信號的響應頻率是否能同步反映入射光信號的頻率，除PMT的響應時間外，后續電路的處理也很關鍵，對于選擇探測器模塊的用戶來說，需要考慮模塊帶寬是否滿足需求。
5. 按使用環境分類選擇
根據使用環境的不同選擇不同的PMT，常見的環境差異如溫度、磁場等。常規PMT可在-30~50℃的環境中使用，若在石油測井等高溫強振動環境中就需要高溫PMT，其工作溫度通常在150~175℃，隨著應用要求的不斷提升，耐200℃高溫的PMT也已經推向市場。此外，PMT本身對磁場較為敏感，在有磁場干擾的環境中使用，會導致其輸出變化，可使用增加磁屏蔽的PMT（型號后綴帶“C”標識）。
使用指導：
光電倍增管（Photomultiplier Tube，簡稱PMT）將光信號轉化為電信號，后續需要配合相應附件及電路，如管座、分壓器、高壓電源等，才能使電信號正常輸出并處理。
為了安裝及拆卸方便，可以使用管座，用戶將管座與分壓器焊接，PMT直接在管座上插拔使用。常見管座如圖1所示，可根據安裝方式及空間選擇。此外，成品PMT管針部分有幾種不同方式，如硬絲、軟絲、帶管基等，如圖2所示，硬絲、帶管基的PMT可以直接使用管座，軟絲PMT一般直接與分壓器焊接。
圖1 不同形狀及尺寸的管座
圖2 不同管針形式的PMT
PMT中的電子運動是由電場決定的，在各極之間供給高壓電子才能實現倍增并從陽極輸出，此高壓需由一個穩定的高壓電源（通常在1kV~2kV）提供。由于PMT的增益非常大，其對高壓電源的電壓變化是非常靈敏的。這種情況下要求PMT輸出電流穩定在1%以內，那高壓電源的穩定性則必須優于0.1%。
此外，需要使用分壓器回路把電源高壓分配給各倍增極，并使各倍增極間擁有一個合適的電壓梯度分布。圖3為PMT管腳排布示意圖，圖示方向為面向PMT管針所看到的排布，其中“K”為陰極、“DY為倍增極”、“P”為陽極（信號輸出端），“IC”為內部短接（此處使用中需懸空），不同PMT的管腳排布有所不同，分壓器電路的設計要與管腳排布匹配。圖4所示為PMT分壓器示意圖，在陰極、倍增極和陽極之間用數個電阻（100k~1MΩ）進行分壓，得到各級間的規定電壓（不同PMT有各自的推薦分壓比，可在產品樣本中查詢），若輸出為脈沖信號，可在后幾級增加電容器件。詳細的分壓器電路設計將在后面章節說明。
圖3 PMT管腳排布圖
圖4 分壓器設計示意圖
PMT連接分壓器和高壓便可從陽極輸出電流信號，后續連接回路的設計根據入射光強的不同而有所區別，如圖5所示，其中a）直流方式，是將PMT的直流成分分別通過放大器、低通濾波器之后再進行檢測，該方法適用于探測光強相對較強的情況，且使用較為廣泛；b）交流方式，是將PMT的輸出通過電容器取其交流成分，再用平方檢波器將其變成直流成分進行檢測，該方法一般適用于光強較弱的情況，在此情況下，輸出信號中的交流成分壓制了直流成分而占主導地位；c）光子計數方式，是將PMT的輸出脈沖先放大，再經過脈沖幅度甄別器進行選擇，然后對幅度在某一甄別電壓之上的脈沖進行計數，該方法適用于觀察從PMT輸出的脈沖是離散的情況，因此其在極微弱光探測領域即單光子領域是一種非常有效的方法。
圖5 PMT輸出信號處理方法
