核辐射监测关键器件-光电倍增管
2025年08月20日 16:45:47
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光电倍增管原理
光电倍增管由入射窗、光电阴极、电子光学输入系统、倍增系统、阳极等部分组成。它的工作原理是建立在光电效应、二次电子发射和电子光学的理论基础上。它的工作过程是光子入射到光阴极上产生光电子，光电子通过电子光学系统（聚焦系统），进入倍增系统，电子得到倍增，通过阳极把电子收集起来，形成阳极电流或电压输出。光电倍增管典型结构如下图所示。
光电倍增管结构
光电倍增管通常分为端窗式（Head-on）和侧窗式（ Side-on ）两大类型，如下图所示。端窗式光电倍增管是通过管壳顶部接受入射光，其对应的阴极结构形式通常为透射式（半透明）光阴极，在石油测井中通常使用这种类型光电倍增管。侧窗式光电倍增管是通过管壳侧面接受入射光，其对应的阴极结构形式通常是反射式（不透明）光阴极。 在石油测井中比较感兴趣的是来自地层的γ射线，最不希望记录的是套管、水泥环、井内液体物质产生的γ射线。为了减少这些物质产生的γ射线影响。可以做个试验，看看侧窗式光电倍增管在石油测井中（双探测器核测井仪器—短探测器—侧窗式光电倍增管）能否应用。光电倍增管的组成
1、入射光窗
在光阴极的前面，是一层透明的玻璃。入射光窗一般应用硼硅玻璃、透紫玻璃、合成石英玻璃、氟化镁晶体、蓝宝石等做成。每种玻璃有其对光子波长的透光率。所以要根据所测量的光子波长，选择某种光窗材料的光电倍增管。
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。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。
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。
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。
5、电子光学输入系统
电子光学输入系统由光阴极和倍增极之间的电极结构以及所加电位组成，它使光电子尽可能多地聚焦在倍增极有效面积上。在快速光电倍增管中，还要求电子光学输入系统使光电子渡越时间分散最小。
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