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光电倍增管光阴极技术

导读: 光电倍增管是一种真空管,由光入射窗、光阴极、倍增级和阳极组成。

  这种光阴极涵盖了很宽的光谱范围,从紫外的300nm到近红外的1600nm,与InGaAs的带隙相对应。整个光谱响应范围内几乎可以获得平滑的2%的量子效率。

  光阴极材料为InGaAs的滨松侧窗型PMT

  6、适用于低温下操作的光阴极

  "暗物质"在天体物理学研究中是一个热门话题。有人曾建议利用光电倍增管来捕获微弱的紫外光子来探测暗物质。这些光子是由于偶然的暗物质和闪烁体原子碰撞而发射出来的。液态氙(-108℃)或者液态氩(-186℃)被用作闪烁体。在如此低温下,光阴极的表面电阻变得很大,导致光阴极电流受限。由于面电阻增大造成的输出线性特性变差,这对于很多测试是非常致命的。滨松研发的适用于低温下操作的光阴极,则可解决这一难题。

  传统的在低温下运行的光阴极在阴极底部有一层铝。图9显示了传统带铝的光阴极和新型低温光阴极的典型光谱响应特性。新型光阴极在420nm的量子效率大概为28%,虽然比SBA光阴极略低,但是比传统光阴极高1.5倍。图10显示了传统带铝的光阴极和新型低温光阴极的线性度的比较。当在-100°C下工作时,传统光阴极的输出线性度在大概0.5nA时开始急速下降,而低温光阴极在1uA时依然保持线性度,这里,线性度定义为输出电流偏离初始值-5%时的电流。

  图9:新型低温双碱光阴极的光谱响应特性

  图10:-100°C下工作的线性度比较

  7、适用于高温操作的光阴极

  在油井勘探记录过程中,为了定位油或者天然气存储的位置,探测器需要进入钻孔深达地下2000米(70°C)到3000米(105°C)。这就需要开发能够抵御更高温度的探测器,研究新的碱源技术不仅仅是因为钻井过程中更换新探测器比较困难,也是因为随着钻井深度越来越大,对PMT耐高温的要求也越来越高了。PMT的光阴极在油井勘探的高温下会逐渐溶解,然而,利用Sb-K-Na混合制造的光阴极可以抵御这样的高温。滨松亦开发了可以在200°C下工作超过1000小时的光阴极。该光阴极在室温下也有很低的暗电流,是低光量探测和其他需要低噪声应用的理想选择。

  图11比较了传统高温光阴极和新型高温光阴极的输出寿命特性。可以看出,新型光阴极在高温下的工作寿命是传统光阴极的大约8倍。

  图11: 200°C高温环境下的输出寿命特性

  光阴极材料为高温双碱的滨松端窗型PMT

 

  8、紫外光阴极

  运用GaN半导体,我公司成功生产了世界上首只透射式紫外光阴极。GaN通常是通过在蓝宝石基底上外延生长形成的。而后来开发的运用硅基底的GaN生长技术,使得高质量外延薄膜在硅基底上生长成为了可能。

  利用该项技术,硅基底上经缓冲层外延生长形成氮化镓的技术获得突破。该技术使GaN晶体外延生长附着于玻璃窗,后经处理只留下氮化镓薄膜加以使用。我们还使用一种光学清理方法,利用光来清理晶体表面。该技术在波长为280nm处获得了令人满意的21.5%的量子效率。图12显示了GaN光阴极和传统Cs-Te光阴极的典型光谱响应特性。

  GaN光阴极目前被用于紫外图像增强器,可以进行低光量探测和包括半导体晶片检测、雷曼光谱仪、高压输电线电量放电检测等技术在内的快速多通道(二维)测量。

  图12:GaN光阴极(380 nm处量子效率为21.5% )

  与Cs-Te光阴极的光谱响应特性对比

  现在,尽管PMT的部分工作被半导体探测器取代,但随着PMT光阴极创新技术的发展,PMT具有了更复杂的功能和更多的应用可能。未来PMT还会被广泛在高能物理实验的低光量探测、医学设备、生物技术相关设备、油井探测设备以及天文观察设备等之中。这些应用需要更高的量子效率、更宽的光谱响应范围(延伸到红外区域)以及紫外区域更高的灵敏度。滨松将会继续研发更宽光谱响应范围、更高灵敏度的PMT(QE=100%),以满足这些特殊应用需求。

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