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探测器选型基础知识指导

探测器选型基础知识指导


 

从科学的角度来说,电磁波是能量的一种,凡是高于绝对零度的物体,都会释放出电磁波,且温度越高,释放的电磁波波长就越短。电磁波由低频到高频主要分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。各个波段都有其独特的作用,无线电波用于卫星通信等;红外线用于遥控、热成像仪、红外制导导弹等;可见光是所有生物用来观察事物的基础;紫外线用于医用消毒,验证假钞,测量距离,工程上的探伤等;X射线用于CT照相;γ射线用于治疗等。

 

正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样,除光波外,人们也看不见无处不在的电磁波,它是一位人类素未谋面的“朋友”。即使是可见光,人类眼睛对微弱光也无能为力。但是这位朋友与金沙城3983娱乐网站的生活息息相关,如何清楚认识并充分利用就显得尤为迫切和重要。而光电倍增管在宽光谱和极微弱光的探测方面都是一个不错的选择。

 

光电倍增管(Photomultiplier Tube,简称PMT)是一种真空玻璃器件,可将光信号转化为电信号,因超高灵敏度和快速响应等特点备受关注。在检测光谱方面,其可探测约100nm~1μm范围内的光信号。此外,在更短波方向,如γ射线、X射线探测使用的辐射探测器,以通过各种闪烁体转化成可见光,然后再通过PMT进行检测,其关键器件也是PMT。

 

图1 不同探测器件可探测光谱范围

 

PMT除有较宽的光谱响应范围外,还有高灵敏度、低探测下限的特点,与其他探测器相比也是有很大优势的。根据入射到PMT的光强度和输出处理回路带宽的处理方法的不同,PMT的使用可分为模拟法和计数法。改变入射光的强度,可看到在强光范围内,用示波器观察PMT输出信号时,因其脉冲间隔狭窄而相互重合为模拟波形,探测光强上限约为10-9W。当光极其微弱时,光子呈现粒子性,普通模拟法应用的PMT无法分辨,而在光子计数应用下,PMT却可分辨出单个光子的信号,探测下限可达10-16W,是极微弱光探测的利器。

 

图2 不同探测器件可探测光强范围

光电倍增管(Photomultiplier Tube,简称PMT),对于第一次接触的用户来说可能比较神秘,对其认识可以从名称中了解一二。“光电”表示的功能,顾名思义,就是把光信号转化为电信号;“倍增”代表PMT的结构,其内部由多级倍增极构成,用于放大转化来的电信号;“管”即为形状,典型的PMT主体为圆柱形,但随着应用需求的增多及开发技术的提升,其他不同形状的PMT也越来越多,如图1所示。

 

图1 不同外形的PMT

 

传统PMT是一种真空玻璃管,由入射窗、光阴极面、倍增系统和阳极等部分组成,如图2所示。光透过入射窗后到达光阴极面,由于光电效应光子转换为电子,经过聚焦极和各倍增极后实现电子倍增(二次电子倍增),最后由阳极输出电流信号。此外,还有一些外形及结构比较特殊的产品,如Channel Photomultiplier (CPM)、Micro PMT (μPMT),此处不做特别介绍,以下以传统PMT为例分别介绍各部分特性。

 

图2 光电倍增管结构图

1. 入射窗:

不同入射窗材料对紫外线的吸收特性有很大区别,这也决定了PMT光谱范围的短波区界限,常用窗材如表1所示。

 

表1 PMT常用窗材种类

基本原理:

1:石英的热膨胀系数和PMT芯柱丝使用的可伐合金有很大差别,所以在与芯柱部分的硼硅玻璃衔接时,中间要加入数种膨胀系数逐渐过渡的玻璃,即“过渡接”。

 

2. 光阴极面:

光阴极面是一种半导体材料,光入射后,材料中的价电子吸收光子能量而向表面扩散,越过真空位垒后成为自由光电子并发射到真空中,该现象的发生存在一定概率,即为PMT的量子效率(后续文章中会详细介绍)。光阴极面按光电子发射过程可分为反射式和投射式,对应侧窗型PMT和端窗型PMT。

 

光阴极面的碱金属材料和制作工艺共同决定了PMT的最大响应波长和长波截止波长,常用种类如表2所示,同时也决定了其外观颜色的差异,如图3所示。

 

表2-1 反射型光阴极面特性

 

表2-2透射型光阴极面特性

 

图3 不同阴极面颜色的PMT

 

3.  电子倍增系统

PMT中的电子运动是由电场决定的,而电场又受电极形状、电极配置和所加电压的支配,为使PMT具有最佳性能,需要对其电位分布和电极结构进行优化。光阴极面发出的光电子经过从第一倍增极到末倍增极(最多19级)的倍增系统,可以得到10倍到108倍的电流增益。

 

倍增极有许多种类,由于其结构、倍增极的级数的不同而使得电流增益、时间响应特性、均匀性、二次电子收集效率特性等不同,要根据使用目的做相应的选择。各倍增极种类如表3所示。

 

表3各种倍增极特性

 

4. 阳极

PMT的阳极部分负责将经过各级倍增的二次电子进行收集,并通过外接电路将电流信号输出。阳极结构的设计要确保阳极和末倍增极间的电位差合适,以避免空间电荷效应,从而获得大的输出电流。

选型指南:

 

根据入射光的波长、光强、光束直径、光现象发生的速度、使用环境等条件的不同,选择合适的PMT、工作条件和电路配置,以达到最佳测试效果。对此,可将PMT按照不同方法进行分类并选择:

 

1.  按光谱响应范围分类选择

虽然PMT可探测光谱范围很宽,但每一种管型可直接响应的波段范围是有限的,为使其探测效率得到充分利用,同时又不造成性能及成本的浪费,需要根据入射光的波长选择合适波段的PMT,如图1所示。

 

图1 常见PMT响应范围

 

2. 按光强大小分类选择

PMT是微弱光探测的利器,根据入射光强大小及后续电路处理方法的不同,可分为模拟用PMT(常规型号PMT)和光子计数用PMT(型号后缀带“P”标识)。前者可探测10-11W~nW量级的光强,后者可探测10-16W~10-11W量级的光强,二者在10-11W量级光强范围存在交叠部分,需根据实际应用及入射光其他特性具体分析哪种更加适合。

 

3. 按光阴极面尺寸分类选择

根据入射光的光斑形状、大小、与PMT的距离关系等选择合适的PMT。如狭缝形的光斑更适合用侧窗型PMT。阴极面大小选择以尽量多的收集光束为原则,如图2所示,在光源特性完全一致的情况下,(a)PMT阴极面尺寸略小,不能有效收集光信号;(c)光信号虽可全部入射到PMT上,但光斑相对阴极面尺寸过小,阴极面边缘部分没有有效信号,却会产生噪声,使信噪比下降;(b)尺寸的选择明显优于(a)和(c);(d)相比(b)而言,减小光源与PMT之间的距离,可提高光信号的收集效率、增大PMT的探测效率,是PMT的首选方案。

 

图2 不同阴极面尺寸及测试距离与光束收集的关系

 

4. 按响应时间分类选择

大多数PMT响应时间在几个~几十个ns,能够满足大部分的发光测试,但对特殊应用领域,如正电子发射断层显像(Time of flight-positron emission tomography,简称TOF-PET)、荧光寿命检测等,响应时间为10-10~10-11s量级的PMT可以为用户提供选择。此外,最终输出信号的响应频率是否能同步反映入射光信号的频率,除PMT的响应时间外,后续电路的处理也很关键,对于选择探测器模块的用户来说,需要考虑模块带宽是否满足需求。

 

5. 按使用环境分类选择

根据使用环境的不同选择不同的PMT,常见的环境差异如温度、磁场等。常规PMT可在-30~50℃的环境中使用,若在石油测井等高温强振动环境中就需要高温PMT,其工作温度通常在150~175℃,随着应用要求的不断提升,耐200℃高温的PMT也已经推向市场。此外,PMT本身对磁场较为敏感,在有磁场干扰的环境中使用,会导致其输出变化,可使用增加磁屏蔽的PMT(型号后缀带“C”标识)。

使用指导:

光电倍增管(Photomultiplier Tube,简称PMT)将光信号转化为电信号,后续需要配合相应附件及电路,如管座、分压器、高压电源等,才能使电信号正常输出并处理。

 

为了安装及拆卸方便,可以使用管座,用户将管座与分压器焊接,PMT直接在管座上插拔使用。常见管座如图1所示,可根据安装方式及空间选择。此外,成品PMT管针部分有几种不同方式,如硬丝、软丝、带管基等,如图2所示,硬丝、带管基的PMT可以直接使用管座,软丝PMT一般直接与分压器焊接。

 

图1 不同形状及尺寸的管座

 

图2 不同管针形式的PMT

 

PMT中的电子运动是由电场决定的,在各极之间供给高压电子才能实现倍增并从阳极输出,此高压需由一个稳定的高压电源(通常在1kV~2kV)提供。由于PMT的增益非常大,其对高压电源的电压变化是非常灵敏的。这种情况下要求PMT输出电流稳定在1%以内,那高压电源的稳定性则必须优于0.1%。

 

此外,需要使用分压器回路把电源高压分配给各倍增极,并使各倍增极间拥有一个合适的电压梯度分布。图3为PMT管脚排布示意图,图示方向为面向PMT管针所看到的排布,其中“K”为阴极、“DY为倍增极”、“P”为阳极(信号输出端),“IC”为内部短接(此处使用中需悬空),不同PMT的管脚排布有所不同,分压器电路的设计要与管脚排布匹配。图4所示为PMT分压器示意图,在阴极、倍增极和阳极之间用数个电阻(100k~1MΩ)进行分压,得到各级间的规定电压(不同PMT有各自的推荐分压比,可在产品样本中查询),若输出为脉冲信号,可在后几级增加电容器件。详细的分压器电路设计将在后面章节说明。

 

图3 PMT管脚排布图

 

 

图4 分压器设计示意图

 

PMT连接分压器和高压便可从阳极输出电流信号,后续连接回路的设计根据入射光强的不同而有所区别,如图5所示,其中a)直流方式,是将PMT的直流成分分别通过放大器、低通滤波器之后再进行检测,该方法适用于探测光强相对较强的情况,且使用较为广泛;b)交流方式,是将PMT的输出通过电容器取其交流成分,再用平方检波器将其变成直流成分进行检测,该方法一般适用于光强较弱的情况,在此情况下,输出信号中的交流成分压制了直流成分而占主导地位;c)光子计数方式,是将PMT的输出脉冲先放大,再经过脉冲幅度甄别器进行选择,然后对幅度在某一甄别电压之上的脉冲进行计数,该方法适用于观察从PMT输出的脉冲是离散的情况,因此其在极微弱光探测领域即单光子领域是一种非常有效的方法。

 

 

图5 PMT输出信号处理方法


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