光电倍增管光谱特性实验设计

陈 森，张师平，吴 疆，何 康，吴 平

（北京科技大学，北京 100083）

光电倍增管是一种建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的，把微弱入射光转换成光电子并获倍增的光电探测器件，它在微弱光信号探测领域占有及其重要的地位，是多种精密测量仪器的核心器件，被广泛应用于高能物理、光谱分析、遥感卫星测量、化工、地质勘探、医疗、生物医药、军事侦察和环境监测等领域[1－6]。在物理实验教学中，许多实验内容均涉及到光电倍增管的使用，但学生对其工作原理和使用方法了解甚少，尤其是光电倍增管的光谱特性，是实验的一个难点。基于此，通过对单色仪、热探测器的择优选择、实验研究方案的精心策划，优化设计了光电倍增管的光谱特性实验，学生不仅可以完成光电倍增管相对光谱响应曲线测量，还可以研究缝宽、温度、磁场、工作电压等对光电倍增管光谱特性的影响，也可以利用此实验平台研究其它光电器件的光谱特性，加深学生对光电倍增管工作原理、光谱特性的理解。该实验已作为综合性、设计性、研究性实验内容在大学物理实验中开出。

1 工作原理

光电倍增管由光电阴极、电子光学输入系统、二次发射倍增系统和阳极组成。其工作原理见图1[7]，当光照射到光电阴极K上时，只要光子能量大于光电阴极材料的逸出功，光电阴极表面就发射出电子，在真空中被K和D1间电场加速，而射到第一个“初级发射极”D1上，快速的电子轰击使D1产生二次电子发射，出射的电子数为入射电子数的M倍，电子逐一地在各个二次发射极下被倍增，从最后一个二次发射极Dn出射的电子数将达到由K极出射的电子数的Mn倍（n为倍增极个数）。这些电子由阳极A收集而成为阳极电流，在负载RL上产生信号电压。

图1 光电倍增管工作原理图

光谱特性是光电倍增管的基本特性，当光照射光电倍增管时，产生的光讯号的强度不仅与入射光的辐射功率的大小有关，也与光的波长有关。当波长一定时，光电流的强度与辐射功率成正比。当入射光为单色光，且各单色光辐射功率为一定时，光电流强度随波长的变化而变化。

2 测量原理

光电倍增管的绝对光谱响应率等于在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流的大小，即

单位为安／瓦。P（λ）是照射在光电倍增管上的辐射功率，I（λ）是该辐射功率照射下产生的阳极电流，S（λ）为光电倍增管的绝对光谱响应率，它们均是波长的函数。S（λ）与λ的关系曲线称为“绝对光谱响应曲线”[8－11]。

实际使用的光源，对于不同的波长，辐射功率是不同的。直接测得的光电倍增管的光电流的变化，一方面来源于光电倍增管光谱特性的影响，另一方面来源于入射的单色光辐射功率的变化。因此为了求得光谱特性，必须先求出不同波长的辐射功率P（λ）和相应的阳极电流I（λ），然后由（1）式算出光电倍增管的绝对光谱响应率S（λ）。为了便于比较，以最大响应率作为1，求出其它响应率相对于最大响应率的比值，即

S（λ）r称为相对光谱响应率。S（λ）r～λ关系曲线称为“归一化相对光谱率响应曲线”。

3 测量方法

3.1 实验仪器

光源采用12V／50W白炽灯，由稳压电源供电，使光源供电电流保持为某一值。为了比较选择合适的单色仪，本实验分别利用CARL ZEISS JENA 173854型反射式棱镜单色仪和 WDPF－C型平面光栅单色仪将白光分解而获得各单色光，其光学系统如图2、图3所示。

图2 反射式棱镜单色仪的光学系统

图3 平面光栅单色仪的光学系统

3.2 单色光辐射功率测量

对于不同的波长，光源辐射功率是不同的，为了测量连续光源各种波长的单色辐射功率的相对大小，所选择的探测器在原理上应对一切波长的红外辐射（包括可见光）都具有相同的响应，即对波长无选择性。本实验选用基于热电效应的PZD－2115型钽酸锂热释电探测器，配合斩光器，在330nm～620nm波长范围内每隔5nm测量不同波长单色光所产生的热电压讯号V（λ）。由于光源辐射功率P（λ）正比与V（λ），所以V（λ）～λ曲线与P（λ）～λ曲线的变化趋势是一致的。又由于热电元件对照射光的波长是无选择性的，即对各波长的辐射的响应是相同的，所以V（λ）～λ曲线即是光源相对辐射功率的光谱曲线。热释电探测器线路连接图如图4所示。

图4 热释电探测器线路连接图

3.3 光电流相对大小测量

实验分别选用BH1224G型、WDPF－C型两种光电倍增管进行光电流I（λ）的相对大小测量。将待测定的光电倍增管的窗口对准单色仪出射狭缝，适当调节入、出射狭缝宽度。遮挡入射狭缝，测光电倍增管在工作电压下的暗电流值。在330nm～620nm波长范围内每隔5nm测量不同波长单色光所产生的电流I（λ）。在电流极大值附近，每隔0.5nm读取一次电流示数。从所测得的各值中减去暗电流。作I（λ）～λ曲线。最后利用式（1）、（2）作出光电倍增管的相对光谱响应曲线S（λ）r～λ。

4 实验结果与讨论

图5给出了BH1224G型光电倍增管利用不同单色仪测得的相对光谱响应曲线。由图可以看出：在可见光、红外区域光谱响应曲线基本重合，但在紫外区有明显差别，使用平面光栅单色仪所测的光谱响应明显高于使用玻璃棱镜单色仪的测量结果。这一差别根源在于：玻璃棱镜对紫外线辐射有不同程度的吸收，导致I（λ）减小。同时，棱镜单色仪只能在可见光区域进行定标，扩展到红外、紫外区会带来很大误差。因此，选用平面光栅单色仪作为本实验的分光器件。

图5 BH1224G型光电倍增管相对光谱响应曲线

图6 BH1224G型光电倍增管相对光谱响应曲线

图6给出了BH1224G型光电倍增管利用平面光栅单色仪在不同入射狭缝宽度下测得的相对光谱响应曲线，由图可以看出：光谱响应曲线基本重合，在一定的狭缝宽度内，利用平面光栅单色仪可以获得严格的单色光，狭缝宽度对实验结果影响不大。作为研究性实验可拓展研究温度、磁场、工作电压等对光电倍增管光谱特性的影响。

图7 不同型号光电倍增管相对光谱响应曲线

为了验证实验对不同型号光电倍增管是否具有普适性和一定的分辨能力，能否标定不同光电倍增管响应的峰值波长，利用平面光栅单色仪随机测量了不同型号光电倍增管的相对光谱响应曲线。结果如图7所示。对于不同型号的光电倍增管由于光电阴极制造工艺有所差别，其特性亦不相同。峰值波长、光谱响应分布曲线也不相同[10]。由图可看出：BH1224G型光电倍增管响应的峰值波长为470nm，WDPF－C型光电倍增管响应的峰值波长为430nm，实验可以很好地把它们区别开来，对不同型号的光电倍增管能给出相对完整的光谱响应曲线。

5 结 论

通过本实验学生不仅可以完成光电倍增管相对光谱响应曲线测量，还可以研究缝宽、温度、磁场、工作电压等对光电倍增管光谱特性的影响，也可以利用此实验平台研究其它光电器件的光谱特性。同时，此方法也被广泛应用于工业上光电倍增管性能测试，实验内容具有先进性，作为一个综合性、设计性、研究性实验内容，满足实验教学要求，能很好地拓展学生的知识面，激发学生对光电技术的学习兴趣，提高物理实验教学的质量。

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