的关系曲线(I~U)。 (四)测试声光调制频率偏转特性 1、将“载波选择”置于“关”的位置，记下接收器滑座横向测微计在0级时的读数。 2、将“载波选择”开关置于I或Ⅱ的位置，调节“载波频率”旋钮，微调接收器横向测 微计，使其始终跟踪一级光的位置。分别记下载波频率指示、衍射光强读数、测微计读 数（即平移距离）。注：改变频率时应随时调节“载波幅度”旋钮，以尽量保持调制幅 度（载波电压表指示读数）一致。 3、待测得1级光和0级光点间的距离d与声光调制器到接收孔之间的距离L(由导轨面上 标尺读出)后，由于L>>d,即可求出声光调制的偏转角： d 0a≈ L 4、画出偏转角~调制频率的关系曲线(0a~F)。 5、测得各调制频率F值所对应的衍射光强I,画出衍射光强~调制频率的关系曲线(Id~ F),该曲线中的Ia峰值I应与中心频率相对应，而其与下降3dB所对应的频率差即 为声光调制器的带宽。 (五)测量声光调制器的衍射效率 Id max 衍射效率n定义为：刀= 即最大衍射光强I与0级光强Io之比，分别测得最强衍射光与0级光的光强值，其比值 即为衍射效率。 (六)测量超声波的波速 将超声波频率F、偏转角日，与激光波长入各值代入(4)式，即可计算出超声波在介质中 的传播速度。 (七)声光调制与光通讯实验演示 将音频信号（来自广播收音机、录音机、CD机等音源）输入到本机的“外调输入”插座， 将扬声器插入主控单元后面板的“解调监听”插座，打开载波选择开关至8OMHz档位，适当 调节载波幅度与解调幅度即可使扬声器播放出音响节目。 七、实验注意事项 1、调节过程中必须避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。 2、供电电源应提供保护地线，示波器的地线需与系统良好连接。 14
14 的关系曲线（Id～Um）。 （四）测试声光调制频率偏转特性 1、将“载波选择”置于“关”的位置，记下接收器滑座横向测微计在 0 级时的读数。 2、将“载波选择”开关置于Ⅰ或Ⅱ的位置， 调节“载波频率”旋钮，微调接收器横向测 微计，使其始终跟踪一级光的位置。分别记下载波频率指示、衍射光强读数、测微计读 数（即平移距离 d）。注：改变频率时应随时调节“载波幅度”旋钮，以尽量保持调制幅 度（载波电压表指示读数）一致。 3、待测得 1 级光和 0 级光点间的距离 d 与声光调制器到接收孔之间的距离 L（由导轨面上 标尺读出）后，由于 L＞＞d，即可求出声光调制的偏转角： L d d 4、 画出偏转角～调制频率的关系曲线（θd～F）。 5、 测得各调制频率 F 值所对应的衍射光强 Id，画出衍射光强～调制频率的关系曲线（Id～ F），该曲线中的 Id峰值 Idmax应与中心频率相对应，而其与下降 3dB 所对应的频率差即 为声光调制器的带宽。 （五）测量声光调制器的衍射效率 衍射效率η定义为： o d max 即最大衍射光强 Idmax与 0 级光强 I0 之比，分别测得最强衍射光与 0 级光的光强值，其比值 即为衍射效率。 （六）测量超声波的波速 将超声波频率 F、偏转角 d 与激光波长 各值代入（4）式，即可计算出超声波在介质中 的传播速度。 （七）声光调制与光通讯实验演示 将音频信号（来自广播收音机、录音机、CD 机等音源）输入到本机的“外调输入”插座， 将扬声器插入主控单元后面板的“解调监听”插座，打开载波选择开关至 80MHz 档位，适当 调节载波幅度与解调幅度即可使扬声器播放出音响节目。 七、 实验注意事项 1、调节过程中必须避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。 2、供电电源应提供保护地线，示波器的地线需与系统良好连接
实验三 光电倍增管及其特性测试实验 一。实验目的 1、熟悉光电倍增管的基本构成和工作原理，掌握光电倍增管参数的测量方法： 2、学习光电倍增管输出信号的检测和变换处理方法。 二、实验仪器 光电倍增管实验仪、示波器、皮安电流计 三、实验原理 光电倍增管是一种基于外光电效应（光电发射效应）的器件，由于其内部具有电子倍增系统， 所以具有很高的电流增益，从而能够检测极微弱的光辐射。光电倍增管的另一大优点是响应速 度很快，因此其时间特性描述和测量都与其它光电器件有所不同。此外，光电倍增管的光电线 性好，动态范围大，因而被广泛用于各种精密测量仪器和装备中。由于光电发射需要一定的光 子能量，所以大多数光电倍增管工作于紫外和可见光波段，目前在近红外波段也有应用。 1.光电倍增管结构及工作原理 光电倍增管是一种真空管，它由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五 个主要部分组成。如图1所示。 栅网 入射光 屏蔽板 0=光电阴极 10=阳极 1一9=倍增极 图1光电倍增管示意图 (1)光窗 光窗分端窗型(Head-on)和侧窗型(Side-on)两种。本实验系统采用的侧窗型光电倍增 管，在分光光度计和光度测定方面有广泛的使用。 (2)光电阴极 光电倍增管的阴极一般是具有低逸出功的碱金属材料形成的光电发射面。一般分为半透明 光电面（入射光和光电子运动同一方向）和不透明光电面（入射光的方向与光电子运动方向相 反)。 光电阴极的材料多用低溢出功的碱金属为主的半导体化合物。这种特定的材料溢出功很低， 当透过光窗的入射光光波长入小于该材料的长波限入，并且光子能量大于该材料的溢出功时， 入射光子就和阴极材料当中的电子相互作用，使电子从阴极飞出，这种现象称为外光电效应。 15
15 实验三 光电倍增管及其特性测试实验 一．实验目的 1、熟悉光电倍增管的基本构成和工作原理，掌握光电倍增管参数的测量方法； 2、学习光电倍增管输出信号的检测和变换处理方法。 二、实验仪器 光电倍增管实验仪、示波器、皮安电流计 三、实验原理 光电倍增管是一种基于外光电效应(光电发射效应)的器件，由于其内部具有电子倍增系统， 所以具有很高的电流增益，从而能够检测极微弱的光辐射。光电倍增管的另一大优点是响应速 度很快，因此其时间特性描述和测量都与其它光电器件有所不同。此外，光电倍增管的光电线 性好，动态范围大，因而被广泛用于各种精密测量仪器和装备中。由于光电发射需要一定的光 子能量，所以大多数光电倍增管工作于紫外和可见光波段，目前在近红外波段也有应用。 1．光电倍增管结构及工作原理 光电倍增管是一种真空管，它由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五 个主要部分组成。如图 1 所示。 图 1 光电倍增管示意图 （1）光窗 光窗分端窗型（Head-on）和侧窗型（Side-on）两种。本实验系统采用的侧窗型光电倍增 管，在分光光度计和光度测定方面有广泛的使用。 （2）光电阴极 光电倍增管的阴极一般是具有低逸出功的碱金属材料形成的光电发射面。一般分为半透明 光电面（入射光和光电子运动同一方向）和不透明光电面（入射光的方向与光电子运动方向相 反）。 光电阴极的材料多用低溢出功的碱金属为主的半导体化合物。这种特定的材料溢出功很低， 当透过光窗的入射光光波长λ小于该材料的长波限λ0，并且光子能量大于该材料的溢出功时， 入射光子就和阴极材料当中的电子相互作用，使电子从阴极飞出，这种现象称为外光电效应
由此可知，入射光越强激发出的光电子数量就越多。 (3)电子倍增系统 为使光电倍增管正常工作，光电倍增管中阴极(K)和阳极(A)之间分布有多个电子倍增 极Dn。如图2所示，在管外的阴极(K)和各个倍增极及阳极(A)引脚之间串联多个电阻R, 由R形成的分压电阻使各个倍增极相对阴极而言加上了逐步升高的正电压，要在阴极(K)和 阳极(A)之间加上0-负1500V左右的高电压，目的是吸引并加速从阴极飞出的光电子，并使 他们飞向阳极。 前级 中间级 末级 K门F D2 D D Dn-2 Dn-1 Rn-3 Rn-2 Rn-1 R HHHH Cn-3 Cn-2 Cn-I Co HV 图2光电倍增管电路示意图 图2中回路电流I。是流过分压器回路的电流，被叫做分压器电流，它和后面叙述的输出线 性有很大的关系。工可近似用工作电压V除以分压电阻之和的值来表示。 光电倍增管的输出电流主要是来自于最后几级，为了在探测脉冲光时，不使阳极脉动电流 引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容。图中和电阻并联的电容C 3、Cm-2、C1、Cn就是因此而设计的。 本实验系统使用的电子倍增系统为环形聚焦型（如图1）。由光阴极发射出来的光电子被第 一倍增极电压加速撞击到第一倍增极，以致发生二次电子发射，产生多于入射光电子数目的电 子流。这些二次电子发射的电子流又被下一个倍增极电压加速撞击到下一个倍增极，结果产生 又一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集， 光电子经过从第1极到最多19极的倍增电极系统，可获得10倍到103倍的电流倍增之后到达 阳极。这时可以观测到，光电倍增管的阴极产生的很小的光电子电流，已经被放大成较大的阳 极输出电流。通常在阳极回路要接入测量阳极电流的仪表，为了安全起见，一般使阳极通过R 接地，阴极接负高压。 总之，当入射光经过下述过程后，光电倍增管才能输出电流。 (1)入射光透过玻璃光窗： (2)激励光电阴极的电子向真空中放出光电子（外光电效应）： (3)光电子经聚焦极汇集到第一倍增极上，进行二次电子倍增后，相继经各倍增极发射二 次电子： (4)由末级倍增极发射的二次电子经阳极输出。 2.光电倍增管的主要参量与特性 (1)光谱响应 16
16 由此可知，入射光越强激发出的光电子数量就越多。 （3）电子倍增系统 为使光电倍增管正常工作，光电倍增管中阴极（K）和阳极（A）之间分布有多个电子倍增 极 Dn。如图 2 所示，在管外的阴极（K）和各个倍增极及阳极（A）引脚之间串联多个电阻 Rn, 由 Rn 形成的分压电阻使各个倍增极相对阴极而言加上了逐步升高的正电压，要在阴极（K）和 阳极（A）之间加上 0-负 1500V 左右的高电压，目的是吸引并加速从阴极飞出的光电子，并使 他们飞向阳极。 图 2 光电倍增管电路示意图 图 2 中回路电流 Ib是流过分压器回路的电流，被叫做分压器电流，它和后面叙述的输出线 性有很大的关系。Ib可近似用工作电压 V 除以分压电阻之和的值来表示。 光电倍增管的输出电流主要是来自于最后几级，为了在探测脉冲光时，不使阳极脉动电流 引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容。图中和电阻并联的电容 Cn- 3、Cn-2、Cn-1、Cn就是因此而设计的。 本实验系统使用的电子倍增系统为环形聚焦型（如图 1）。由光阴极发射出来的光电子被第 一倍增极电压加速撞击到第一倍增极，以致发生二次电子发射，产生多于入射光电子数目的电 子流。这些二次电子发射的电子流又被下一个倍增极电压加速撞击到下一个倍增极，结果产生 又一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集， 光电子经过从第 1 极到最多 19 极的倍增电极系统，可获得 10 倍到 108 倍的电流倍增之后到达 阳极。这时可以观测到，光电倍增管的阴极产生的很小的光电子电流，已经被放大成较大的阳 极输出电流。通常在阳极回路要接入测量阳极电流的仪表，为了安全起见，一般使阳极通过 RL 接地，阴极接负高压。 总之，当入射光经过下述过程后，光电倍增管才能输出电流。 （1）入射光透过玻璃光窗； （2）激励光电阴极的电子向真空中放出光电子（外光电效应）； （3）光电子经聚焦极汇集到第一倍增极上，进行二次电子倍增后，相继经各倍增极发射二 次电子； （4）由末级倍增极发射的二次电子经阳极输出。 2．光电倍增管的主要参量与特性 （1）光谱响应
光电倍增管的阴极将入射光的能量转换为光电子。其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的 波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。图3给出了双碱光 电倍增管的典型光谱响应曲线。光谱响应特性的长波端取决于光阴极材料，短波端则取决于入 射窗材料。对应于该光谱响应曲线，本实验系统采用中心波长在425m的蓝光LED发光二极管 做光源。根据不同型号的光电倍增管的光谱响应特性，其中长波端的截止波长，对于双碱阴极 和Ag-O-Cs阴极的光电倍增管定义为其灵敏度降至峰值灵敏度的1%点，多碱阴极则定义为峰值 灵敏度的0.1%。对于每一支光电倍增管来讲，真实的数据可能会略有差异。 典型光谱响应曲线 10 阴极 辐射灵敢度】 量子效率尸 玉 0.1 0.0 200 400 600 波长(nm) 图3光电倍增管的典型光谱响应曲线 (2)灵敏度 由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要精密测试系统和很长的时间，且提供每一支光电 倍增管的光谱响应特性不现实，所以一般用光照灵敏度来评价光电倍增管的灵敏度。阳极光照 灵敏度表示的是对光电面上入射一定光束时，阳极输出电流的大小。即对应于1流明光的输出 电流称之为光照灵敏度，用SA表示：单位为A/LM(安培/流明)。光照灵敏度有表示阴极特性 的阴极灵敏度和表示光电倍增管整体特性阳极灵敏度两种。 本测试仪系统如图4所示，光源用标定的蓝色发光LD管，并且加上减光片装置（有时在 光源和光电倍增管之间使用视觉灵敏度补正滤光片，但是通常不用)，电流计接在阳极回路，给 各电极加上典型的电压分配，以使光通量保持在10一105流明。如果测量SA越大，表明光电 倍增管探测微弱光信号本领越强。 公
17 光电倍增管的阴极将入射光的能量转换为光电子。其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的 波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。图 3 给出了双碱光 电倍增管的典型光谱响应曲线。光谱响应特性的长波端取决于光阴极材料，短波端则取决于入 射窗材料。对应于该光谱响应曲线，本实验系统采用中心波长在 425nm 的蓝光 LED 发光二极管 做光源。根据不同型号的光电倍增管的光谱响应特性，其中长波端的截止波长，对于双碱阴极 和 Ag-O-Cs 阴极的光电倍增管定义为其灵敏度降至峰值灵敏度的 1%点，多碱阴极则定义为峰值 灵敏度的 0.1%。对于每一支光电倍增管来讲，真实的数据可能会略有差异。 图 3 光电倍增管的典型光谱响应曲线 （2）灵敏度 由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要精密测试系统和很长的时间，且提供每一支光电 倍增管的光谱响应特性不现实，所以一般用光照灵敏度来评价光电倍增管的灵敏度。阳极光照 灵敏度表示的是对光电面上入射一定光束时，阳极输出电流的大小。即对应于 1 流明光的输出 电流称之为光照灵敏度，用 SA 表示；单位为 A/LM（安培/流明）。光照灵敏度有表示阴极特性 的阴极灵敏度和表示光电倍增管整体特性阳极灵敏度两种。 本测试仪系统如图 4 所示，光源用标定的蓝色发光 LED 管，并且加上减光片装置（有时在 光源和光电倍增管之间使用视觉灵敏度补正滤光片，但是通常不用），电流计接在阳极回路，给 各电极加上典型的电压分配，以使光通量保持在 10-10—10-5流明。如果测量 SA 越大，表明光电 倍增管探测微弱光信号本领越强
1000~2000V 减光滤光片 标准灯泡 挡板 缝隙 d 图4灵敏度测试系统 (3)光电特性 光电倍增管的阳极输出电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的光 电特性。一般光电倍增管的光电特性曲线线性（直线性）是很好的。也就是说具有宽的动态范 围。但是在接收较强的光入射时，会产生偏离理想线性的情况。其主要原因是阳极的线性特性 影响。具有透过型的光电阴极的光电倍增管，工作在低电压、大电流场合，也可能出现阴极线 性特性的影响。阴极、阳极两者的线性特性在工作电压一定时，与入射光波长无关，而取决于 电流值大小。因此对于模拟量测量，必须选取能保证阳极电流与光照在大范围内保持线性关系 的那些型号的光电倍增管（工程上一般取特性偏离于直线3%作为线性区的界限）。 (4)伏安特性 光电倍增管的伏安特性是指在改变阳极一阴极间的工作电压时，从而引起阳极输出电流的 变化。光电倍增管的输出电流对工作电压非常敏感，因此必须使用高稳定性的高压电源。本测 试仪采用的高压电源的漂移、纹波、温度变化、输出变化、负载变化等的综合稳定度优于该光 电倍增管稳定度1个数量级，并连续可调。 (5)阳极暗电流 光电倍增管在完全黑暗的环境中仍会有微小的电流输出，这个微小的电流叫做阳极暗电流。 作为微小电流、微弱光使用的光电倍增管，希望暗电流尽可能小。 阳极暗电流是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素，其产生的主要原因有 以下几种： ①由光电表面及倍增极表面的热电子发射引起的电流： ②管内阳极和其它电极之间，以及芯柱阳极管脚和其它管脚之间的漏电电流： ③因玻璃及电极支持材料发光产生的光电流： ④场致发射电流： ⑤因残留气体电离产生的电流（离子反射）： ⑥因宇宙射线、玻璃中的放射性同位素发出放射线、环境Y射线等导致玻璃发光引起的 噪声电流。 18
18 图 4 灵敏度测试系统 （3）光电特性 光电倍增管的阳极输出电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的光 电特性。一般光电倍增管的光电特性曲线线性（直线性）是很好的。也就是说具有宽的动态范 围。但是在接收较强的光入射时，会产生偏离理想线性的情况。其主要原因是阳极的线性特性 影响。具有透过型的光电阴极的光电倍增管，工作在低电压、大电流场合，也可能出现阴极线 性特性的影响。阴极、阳极两者的线性特性在工作电压一定时，与入射光波长无关，而取决于 电流值大小。因此对于模拟量测量，必须选取能保证阳极电流与光照在大范围内保持线性关系 的那些型号的光电倍增管（工程上一般取特性偏离于直线 3%作为线性区的界限）。 （4）伏安特性 光电倍增管的伏安特性是指在改变阳极—阴极间的工作电压时，从而引起阳极输出电流的 变化。光电倍增管的输出电流对工作电压非常敏感，因此必须使用高稳定性的高压电源。本测 试仪采用的高压电源的漂移、纹波、温度变化、输出变化、负载变化等的综合稳定度优于该光 电倍增管稳定度 1 个数量级，并连续可调。 （5）阳极暗电流 光电倍增管在完全黑暗的环境中仍会有微小的电流输出，这个微小的电流叫做阳极暗电流。 作为微小电流、微弱光使用的光电倍增管，希望暗电流尽可能小。 阳极暗电流是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素，其产生的主要原因有 以下几种： ① 由光电表面及倍增极表面的热电子发射引起的电流； ② 管内阳极和其它电极之间，以及芯柱阳极管脚和其它管脚之间的漏电电流； ③ 因玻璃及电极支持材料发光产生的光电流； ④ 场致发射电流； ⑤ 因残留气体电离产生的电流（离子反射）； ⑥ 因宇宙射线、玻璃中的放射性同位素发出放射线、环境γ射线等导致玻璃发光引起的 噪声电流