陳 森，張師平，吳 疆，何 康，吳 平

（北京科技大學，北京 100083）

光電倍增管是一種建立在光電效應、二次電子發(fā)射和電子光學理論基礎上的，把微弱入射光轉換成光電子并獲倍增的光電探測器件，它在微弱光信號探測領域占有及其重要的地位，是多種精密測量儀器的核心器件，被廣泛應用于高能物理、光譜分析、遙感衛(wèi)星測量、化工、地質勘探、醫(yī)療、生物醫(yī)藥、軍事偵察和環(huán)境監(jiān)測等領域[1－6]。在物理實驗教學中，許多實驗內容均涉及到光電倍增管的使用，但學生對其工作原理和使用方法了解甚少，尤其是光電倍增管的光譜特性，是實驗的一個難點?；诖耍ㄟ^對單色儀、熱探測器的擇優(yōu)選擇、實驗研究方案的精心策劃，優(yōu)化設計了光電倍增管的光譜特性實驗，學生不僅可以完成光電倍增管相對光譜響應曲線測量，還可以研究縫寬、溫度、磁場、工作電壓等對光電倍增管光譜特性的影響，也可以利用此實驗平臺研究其它光電器件的光譜特性，加深學生對光電倍增管工作原理、光譜特性的理解。該實驗已作為綜合性、設計性、研究性實驗內容在大學物理實驗中開出。

1 工作原理

光電倍增管由光電陰極、電子光學輸入系統(tǒng)、二次發(fā)射倍增系統(tǒng)和陽極組成。其工作原理見圖1[7]，當光照射到光電陰極K上時，只要光子能量大于光電陰極材料的逸出功，光電陰極表面就發(fā)射出電子，在真空中被K和D1間電場加速，而射到第一個“初級發(fā)射極”D1上，快速的電子轟擊使D1產生二次電子發(fā)射，出射的電子數(shù)為入射電子數(shù)的M倍，電子逐一地在各個二次發(fā)射極下被倍增，從最后一個二次發(fā)射極Dn出射的電子數(shù)將達到由K極出射的電子數(shù)的Mn倍（n為倍增極個數(shù)）。這些電子由陽極A收集而成為陽極電流，在負載RL上產生信號電壓。

圖1 光電倍增管工作原理圖

光譜特性是光電倍增管的基本特性，當光照射光電倍增管時，產生的光訊號的強度不僅與入射光的輻射功率的大小有關，也與光的波長有關。當波長一定時，光電流的強度與輻射功率成正比。當入射光為單色光，且各單色光輻射功率為一定時，光電流強度隨波長的變化而變化。

2 測量原理

光電倍增管的絕對光譜響應率等于在給定波長的單位輻射功率照射下所產生的陽極電流的大小，即

單位為安／瓦。P（λ）是照射在光電倍增管上的輻射功率，I（λ）是該輻射功率照射下產生的陽極電流，S（λ）為光電倍增管的絕對光譜響應率，它們均是波長的函數(shù)。S（λ）與λ的關系曲線稱為“絕對光譜響應曲線”[8－11]。

實際使用的光源，對于不同的波長，輻射功率是不同的。直接測得的光電倍增管的光電流的變化，一方面來源于光電倍增管光譜特性的影響，另一方面來源于入射的單色光輻射功率的變化。因此為了求得光譜特性，必須先求出不同波長的輻射功率P（λ）和相應的陽極電流I（λ），然后由（1）式算出光電倍增管的絕對光譜響應率S（λ）。為了便于比較，以最大響應率作為1，求出其它響應率相對于最大響應率的比值，即

S（λ）r稱為相對光譜響應率。S（λ）r～λ關系曲線稱為“歸一化相對光譜率響應曲線”。

3 測量方法

3.1 實驗儀器

光源采用12V／50W白熾燈，由穩(wěn)壓電源供電，使光源供電電流保持為某一值。為了比較選擇合適的單色儀，本實驗分別利用CARL ZEISS JENA 173854型反射式棱鏡單色儀和 WDPF－C型平面光柵單色儀將白光分解而獲得各單色光，其光學系統(tǒng)如圖2、圖3所示。

圖2 反射式棱鏡單色儀的光學系統(tǒng)

圖3 平面光柵單色儀的光學系統(tǒng)

3.2 單色光輻射功率測量

對于不同的波長，光源輻射功率是不同的，為了測量連續(xù)光源各種波長的單色輻射功率的相對大小，所選擇的探測器在原理上應對一切波長的紅外輻射（包括可見光）都具有相同的響應，即對波長無選擇性。本實驗選用基于熱電效應的PZD－2115型鉭酸鋰熱釋電探測器，配合斬光器，在330nm～620nm波長范圍內每隔5nm測量不同波長單色光所產生的熱電壓訊號V（λ）。由于光源輻射功率P（λ）正比與V（λ），所以V（λ）～λ曲線與P（λ）～λ曲線的變化趨勢是一致的。又由于熱電元件對照射光的波長是無選擇性的，即對各波長的輻射的響應是相同的，所以V（λ）～λ曲線即是光源相對輻射功率的光譜曲線。熱釋電探測器線路連接圖如圖4所示。

圖4 熱釋電探測器線路連接圖

3.3 光電流相對大小測量

實驗分別選用BH1224G型、WDPF－C型兩種光電倍增管進行光電流I（λ）的相對大小測量。將待測定的光電倍增管的窗口對準單色儀出射狹縫，適當調節(jié)入、出射狹縫寬度。遮擋入射狹縫，測光電倍增管在工作電壓下的暗電流值。在330nm～620nm波長范圍內每隔5nm測量不同波長單色光所產生的電流I（λ）。在電流極大值附近，每隔0.5nm讀取一次電流示數(shù)。從所測得的各值中減去暗電流。作I（λ）～λ曲線。最后利用式（1）、（2）作出光電倍增管的相對光譜響應曲線S（λ）r～λ。

4 實驗結果與討論

圖5給出了BH1224G型光電倍增管利用不同單色儀測得的相對光譜響應曲線。由圖可以看出：在可見光、紅外區(qū)域光譜響應曲線基本重合，但在紫外區(qū)有明顯差別，使用平面光柵單色儀所測的光譜響應明顯高于使用玻璃棱鏡單色儀的測量結果。這一差別根源在于：玻璃棱鏡對紫外線輻射有不同程度的吸收，導致I（λ）減小。同時，棱鏡單色儀只能在可見光區(qū)域進行定標，擴展到紅外、紫外區(qū)會帶來很大誤差。因此，選用平面光柵單色儀作為本實驗的分光器件。

圖5 BH1224G型光電倍增管相對光譜響應曲線

圖6 BH1224G型光電倍增管相對光譜響應曲線

圖6給出了BH1224G型光電倍增管利用平面光柵單色儀在不同入射狹縫寬度下測得的相對光譜響應曲線，由圖可以看出：光譜響應曲線基本重合，在一定的狹縫寬度內，利用平面光柵單色儀可以獲得嚴格的單色光，狹縫寬度對實驗結果影響不大。作為研究性實驗可拓展研究溫度、磁場、工作電壓等對光電倍增管光譜特性的影響。

圖7 不同型號光電倍增管相對光譜響應曲線

為了驗證實驗對不同型號光電倍增管是否具有普適性和一定的分辨能力，能否標定不同光電倍增管響應的峰值波長，利用平面光柵單色儀隨機測量了不同型號光電倍增管的相對光譜響應曲線。結果如圖7所示。對于不同型號的光電倍增管由于光電陰極制造工藝有所差別，其特性亦不相同。峰值波長、光譜響應分布曲線也不相同[10]。由圖可看出：BH1224G型光電倍增管響應的峰值波長為470nm，WDPF－C型光電倍增管響應的峰值波長為430nm，實驗可以很好地把它們區(qū)別開來，對不同型號的光電倍增管能給出相對完整的光譜響應曲線。

5 結 論

通過本實驗學生不僅可以完成光電倍增管相對光譜響應曲線測量，還可以研究縫寬、溫度、磁場、工作電壓等對光電倍增管光譜特性的影響，也可以利用此實驗平臺研究其它光電器件的光譜特性。同時，此方法也被廣泛應用于工業(yè)上光電倍增管性能測試，實驗內容具有先進性，作為一個綜合性、設計性、研究性實驗內容，滿足實驗教學要求，能很好地拓展學生的知識面，激發(fā)學生對光電技術的學習興趣，提高物理實驗教學的質量。

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