光電倍增管是一種真空管，由光入射窗、光陰極、倍增級和陽極組成。光子通過光窗照射到光陰極上，光陰極發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子，然后被加速和聚集，進(jìn)入倍增系統(tǒng)，在倍增極電子通過二次發(fā)射發(fā)生倍增，二次發(fā)射在每個(gè)倍增極上重復(fù)，導(dǎo)致陽極接收到的電子團(tuán)倍增106 到 107倍，甚至更多。
圖1（a）:PMT(端窗型)截面圖
圖1 （b）：側(cè)窗型PMT=
側(cè)窗型光電倍增管通常相對有較高增益，廣泛應(yīng)用于分光光度計(jì)和一般光度計(jì)量系統(tǒng)。
圖1（c）:端窗型PMT
端窗型光電倍增管在光入射窗內(nèi)表面直接形成光陰極，由于閃爍體比較容易耦合到光入射窗上，因此經(jīng)常用于輻射測量。
光陰極
不同的光陰極材質(zhì)可以使 PMT的感應(yīng)范圍有不同的光譜響應(yīng)特性，如果配合入射窗口材質(zhì)，則可適當(dāng)調(diào)制PMT的整體感應(yīng)范圍。而對于光陰極材料而言，因?yàn)閴A金屬的物理性質(zhì)最活潑，所以幾乎都含有堿金屬元素。那這些光陰極都是如何被發(fā)現(xiàn)、認(rèn)可繼而被使用的呢？接下來，我們就來具體了解一下PMT"光陰極技術(shù)"的那些事兒。
1、堿性光陰極
與其他光探測器相比，光電倍增管由于有低噪聲電子倍增器，所有在信噪比方面具有優(yōu)異的特性。為了進(jìn)一步提高信噪比，獲得更高的靈敏度，光陰極的量子效率也要進(jìn)一步提高。圖2顯示了量子效率和目前使用的典型光陰極的波長之間的關(guān)系。
1951年美國人Sommer(圖3 左)發(fā)明了光陰極處理工藝，通過使一層Sb和Na、K、Cs 發(fā)生反應(yīng)，制造了多堿光陰極。這種光陰極在紫外到850nm的寬光譜范圍內(nèi)都具有比較高的靈敏度，被用在分光光度計(jì)和生物與基因相關(guān)領(lǐng)域的熒光測量上。
雙堿陰極是由Sb和K、Cs反應(yīng)制造出來的，在400nm附近有著高靈敏性。使用這種雙堿光陰極的PMT被廣泛應(yīng)用于閃爍計(jì)數(shù)的輻射測量，因?yàn)檫@種光譜響應(yīng)特性和NaI閃爍體的發(fā)射波長很相配。順便提一下，這種雙堿光陰極也是Sommer在1963年發(fā)明的。繼Sommer發(fā)明這個(gè)光陰極，后來的專業(yè)工作者們在實(shí)踐中對這兩種光陰極也進(jìn)行了進(jìn)一步的提升，使得它們成為了今天得到最廣泛使用的PMT光陰極。光陰極的工作原理可以用能帶模型來描述，根據(jù)能帶理論，新的半導(dǎo)體光陰極和高靈敏度雙堿光陰極都被開發(fā)而出，也打開了增強(qiáng)光陰極靈敏度和延伸光譜響應(yīng)范圍的道路。
圖2:不同光陰極量子效率與波長關(guān)系曲線
圖3:Alfred H. Sommer博士（左）在1984年10月25來訪濱松公司。右邊是濱松公司前主席晝馬輝夫。
量子效率（簡寫為QE）是光陰極發(fā)射的光電子數(shù)除以入射光子數(shù)，通常用百分比表示。
2、光陰極能帶模型
因?yàn)楣怅帢O是一種半導(dǎo)體，因此其運(yùn)作可以用能帶理論來描述，能帶理論中有能量帶隙（Eg）、電子親和勢（ Ea）、費(fèi)米能級（Ef ）、功函數(shù)（ φ）等術(shù)語。圖4顯示了一種堿陰極能帶模型。當(dāng)一個(gè)光子擊打光陰極，價(jià)帶中的電子吸收光子能量（ hv），被激發(fā)到導(dǎo)帶，往光陰極表面擴(kuò)散。如果這些電子的能量超過了真空勢壘，那么他們就被發(fā)射到真空中。該電子發(fā)射過程被W.E. Spicer 用下式表達(dá)。
R :反射系數(shù)
a : 光子全光學(xué)吸收系數(shù)
aPE :電子被激發(fā)到高于真空能級的能級時(shí)的吸收系數(shù)
L: 電子擴(kuò)散的長度
Ps:電子逃逸到真空中概率
v: 光頻率
這叫做Spicer的三步模型，用三步解釋了光電子發(fā)射過程：光吸收過程、電子擴(kuò)散過程、逸出過程。應(yīng)用這個(gè)表達(dá)式，可以通過增加擴(kuò)散長度L來增強(qiáng)光陰極的晶體性質(zhì)，還可以通過增加Ps來降低電子親和勢，來提高量子效率。
圖4:堿金屬陰極能帶模型
3、高靈敏度堿金屬光陰極
2007年，濱松公司通過改進(jìn)光陰極的活化過程，成功地增強(qiáng)了堿陰極的量子效率。該光陰極中，光電面的峰值波長達(dá)到350nm的時(shí)候，量子效率平均可以達(dá)到43%，并被命名為頂級雙堿（ultra bialkali），簡稱UBA。除了頂級雙堿，我們還研發(fā)了另一種靈敏度適中的光陰極，名為"超級雙堿"，簡稱SBA，其在350nm波長處的平均量子效率為35%。。圖5顯示了UBA、SBA和普通雙堿光陰極的典型光譜響應(yīng)特性。
圖5:UBA、SBA和標(biāo)準(zhǔn)雙堿陰極的QE曲線
光陰極為超級雙堿的濱松高量子效率型PMT
4、半導(dǎo)體光陰極的發(fā)展
除了在堿銻化物光陰極上的提升，研究人員亦非常熱衷如GaAs等的半導(dǎo)體光陰極的研發(fā)。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)Cs-O活化處理的半導(dǎo)體晶體表面形成電雙層銫氧化物，會引起表面能帶曲線向下彎曲，因此電子親和勢有一個(gè)負(fù)值。這種光陰極被稱為NEA（negative electron affinity，負(fù)電子親和勢）光陰極。圖6顯示了一種被Cs-O活化后的單晶體GaAS的能帶模型。由于NEA允許在導(dǎo)帶底部的電子逸出，它的靈敏度可擴(kuò)展到電子帶隙對應(yīng)的900nm。
圖6:GaAs光陰極的能帶模型
光陰極材料為GaAs的濱松側(cè)窗型PMT
由能帶模型推斷，能量帶隙較高的半導(dǎo)體會有較大的NEA。所以隨著GaAs光陰極的研究，對GaAsP光陰極也開始了研究。圖7顯示了GaAsP 的能帶模型。目前，GaAsP光陰極的峰值量子效率在實(shí)際應(yīng)用中可以超過50%。
圖7:GaAsP光陰極的能帶模型
光陰極材料為GaAsP的濱松MCP-PMT
5、近紅外光陰極
為了在波長超過1.1um的波段獲得足夠的靈敏度，濱松研發(fā)了InP/InGaAs光陰極。這種光陰極通過在半導(dǎo)體表面蒸鍍一層金屬膜（比如銀）（大概50埃厚度），來形成一個(gè)肖特基結(jié)。在肖特基電極和半導(dǎo)體晶體背面加偏置電壓，這樣在光陰極中形成一個(gè)電場，大大地降低了表面勢壘，使光電子加速，并把光電子發(fā)射到真空中。
圖8（a）和（b）顯示了異質(zhì)結(jié)場聯(lián)合光陰極的光電子發(fā)射能帶模型。當(dāng)不加偏置電壓時(shí)，由于InGaAs 光子吸收層和InP電子發(fā)射層間導(dǎo)帶勢壘ΔEc的存在，吸收層被激發(fā)的光電子不能夠到達(dá)發(fā)射表面，如圖8（a）所示。然而，當(dāng)施加某個(gè)偏置電壓時(shí)，在銀肖特基電極和光陰極內(nèi)部形成耗盡層，耗盡層最終到達(dá)InGaAs光吸收層和InP電子發(fā)射層之間的界面，因此在吸收層被激發(fā)的電子可以跨越勢壘到達(dá)InP電子發(fā)射層。此外，光電子在InP電子發(fā)射層內(nèi)被加速，使得其從導(dǎo)帶底部Γ到更高能級帶L，并且在維持高能級的情況下從發(fā)射表面被發(fā)射到真空中。
圖8 (a):InP/InGaAs光陰極的能帶模型
圖8 (b): 施加偏置電壓的InP/InGaAs光陰極能帶模型
這種光陰極涵蓋了很寬的光譜范圍，從紫外的300nm到近紅外的1600nm，與InGaAs的帶隙相對應(yīng)。整個(gè)光譜響應(yīng)范圍內(nèi)幾乎可以獲得平滑的2%的量子效率。
光陰極材料為InGaAs的濱松側(cè)窗型PMT
6、適用于低溫下操作的光陰極
"暗物質(zhì)"在天體物理學(xué)研究中是一個(gè)熱門話題。有人曾建議利用光電倍增管來捕獲微弱的紫外光子來探測暗物質(zhì)。這些光子是由于偶然的暗物質(zhì)和閃爍體原子碰撞而發(fā)射出來的。液態(tài)氙（-108℃）或者液態(tài)氬（－186℃）被用作閃爍體。在如此低溫下，光陰極的表面電阻變得很大，導(dǎo)致光陰極電流受限。由于面電阻增大造成的輸出線性特性變差，這對于很多測試是非常致命的。濱松研發(fā)的適用于低溫下操作的光陰極，則可解決這一難題。
傳統(tǒng)的在低溫下運(yùn)行的光陰極在陰極底部有一層鋁。圖9顯示了傳統(tǒng)帶鋁的光陰極和新型低溫光陰極的典型光譜響應(yīng)特性。新型光陰極在420nm的量子效率大概為28%，雖然比SBA光陰極略低，但是比傳統(tǒng)光陰極高1.5倍。圖10顯示了傳統(tǒng)帶鋁的光陰極和新型低溫光陰極的線性度的比較。當(dāng)在-100°C下工作時(shí)，傳統(tǒng)光陰極的輸出線性度在大概0.5nA時(shí)開始急速下降，而低溫光陰極在1uA時(shí)依然保持線性度，這里，線性度定義為輸出電流偏離初始值-5%時(shí)的電流。
圖9:新型低溫雙堿光陰極的光譜響應(yīng)特性
圖10:-100°C下工作的線性度比較
7、適用于高溫操作的光陰極
在油井勘探記錄過程中，為了定位油或者天然氣存儲的位置，探測器需要進(jìn)入鉆孔深達(dá)地下2000米（70°C）到3000米（105°C）。這就需要開發(fā)能夠抵御更高溫度的探測器，研究新的堿源技術(shù)不僅僅是因?yàn)殂@井過程中更換新探測器比較困難，也是因?yàn)殡S著鉆井深度越來越大，對PMT耐高溫的要求也越來越高了。PMT的光陰極在油井勘探的高溫下會逐漸溶解，然而，利用Sb-K-Na混合制造的光陰極可以抵御這樣的高溫。濱松亦開發(fā)了可以在200°C下工作超過1000小時(shí)的光陰極。該光陰極在室溫下也有很低的暗電流，是低光量探測和其他需要低噪聲應(yīng)用的理想選擇。
圖11比較了傳統(tǒng)高溫光陰極和新型高溫光陰極的輸出壽命特性?？梢钥闯?，新型光陰極在高溫下的工作壽命是傳統(tǒng)光陰極的大約8倍。
圖11: 200°C高溫環(huán)境下的輸出壽命特性
光陰極材料為高溫雙堿的濱松端窗型PMT
8、紫外光陰極
運(yùn)用GaN半導(dǎo)體，我公司成功生產(chǎn)了世界上首只透射式紫外光陰極。GaN通常是通過在藍(lán)寶石基底上外延生長形成的。而后來開發(fā)的運(yùn)用硅基底的GaN生長技術(shù)，使得高質(zhì)量外延薄膜在硅基底上生長成為了可能。
利用該項(xiàng)技術(shù)，硅基底上經(jīng)緩沖層外延生長形成氮化鎵的技術(shù)獲得突破。該技術(shù)使GaN晶體外延生長附著于玻璃窗，后經(jīng)處理只留下氮化鎵薄膜加以使用。我們還使用一種光學(xué)清理方法，利用光來清理晶體表面。該技術(shù)在波長為280nm處獲得了令人滿意的21.5%的量子效率。圖12顯示了GaN光陰極和傳統(tǒng)Cs-Te光陰極的典型光譜響應(yīng)特性。
GaN光陰極目前被用于紫外圖像增強(qiáng)器，可以進(jìn)行低光量探測和包括半導(dǎo)體晶片檢測、雷曼光譜儀、高壓輸電線電量放電檢測等技術(shù)在內(nèi)的快速多通道（二維）測量。
圖12:GaN光陰極（380 nm處量子效率為21.5% ）
與Cs-Te光陰極的光譜響應(yīng)特性對比
現(xiàn)在，盡管PMT的部分工作被半導(dǎo)體探測器取代，但隨著PMT光陰極創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，PMT具有了更復(fù)雜的功能和更多的應(yīng)用可能。未來PMT還會被廣泛在高能物理實(shí)驗(yàn)的低光量探測、醫(yī)學(xué)設(shè)備、生物技術(shù)相關(guān)設(shè)備、油井探測設(shè)備以及天文觀察設(shè)備等之中。這些應(yīng)用需要更高的量子效率、更寬的光譜響應(yīng)范圍（延伸到紅外區(qū)域）以及紫外區(qū)域更高的靈敏度。濱松將會繼續(xù)研發(fā)更寬光譜響應(yīng)范圍、更高靈敏度的PMT（QE=100%），以滿足這些特殊應(yīng)用需求。
會員中心
