光电倍增管的基本原理

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。

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。

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。

窗材种类    短波界限（nm）       特点

硼硅玻璃    300                            与PMT芯柱使用的可伐合金膨胀系数相近，使用广泛，但不适合做紫外线探测

UV玻璃（透紫玻璃）    185    易透过紫外线

合成石英    160    有“过渡接”*，需小心使用；氦气易透过石英，因此不能在有氦气的环境中使用

蓝宝石    150    紫外线的透过率处于透紫玻璃和合成石英之间

MgF2晶体    115    几乎不水解

* 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”。

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透射式，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，同时也决定了其外观颜色的差异，如图3所示。

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。

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。