阳极暗电流也受阳极电压的影响，随着工作电压增加而增加，但增加率并非一样。 (6)电流放大（增益） 由一个具有初速能量E的一次电子，从倍增极发射出8个二次电子（称6为二次发射系 数)，在低噪声的条件下得到倍增，从而达到了电流放大的作用。 电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比值。在理想情况下，具有 个倍增极，每个倍增极的平均二次电子发射率为δ的光电倍增管的电流增益为6”。二次电子 发射率6由下式给出： 8=A-E (1) 这里的A为一常数，E为极间电压，ā为一由倍增极材料及其几何结构决定的系数，ā的 数值一般介于0.7和0.8之间。在具有n个倍增极的光电倍增管，其电流增益μ即可表示为： μ=Ia/Ik=Sa/Sk或μ=6 (2) 3。光电倍增管的使用及连接回路 (1)光电倍增管输出的电流、电压转换 ①负载电阻进行电流、电压转换 光电倍增管输出是一个电流信号，而与其相连的后续电路，一般是基于电压信号而设计的， 因此，常用一个负载电阻来完成电流-电压的转换。由于光电倍增管小电流输出时可看成一个具 有很高特性阻抗的理想恒流源，为此，理论上负载电阻可以选取任意大的阻值，实现从一个很 小的电流信号得到一个很大的电压信号。但实际上，较大的负载电阻会导致频率响应和输出线 性的恶化。 DY1 DY2 DY3 DY4 DY5 P 信号输出 Ip RL R2 R3 R4 R5 -HV 加 图5光电倍增管的输出回路 如图5中，考虑到上述因素，本测试仪采用温度系数小的金属膜无电感负载电阻，并选取 适当阻值的电阻来完成光电倍增管特性的测试。 ②运算放大器电流-电压转换 使用运算放大器进行电流-电压转换的电路，在和数字电压表组合起来用时，就不需要使用 昂贵的微小电流计，也可精确测试光电倍增管的输出电流。 Rf PMT DYn P Vo=-lp·Rf 图6用运算放大器的电流、电压变换回路 19
19 阳极暗电流也受阳极电压的影响，随着工作电压增加而增加，但增加率并非一样。 （6）电流放大（增益） 由一个具有初速能量 EP 的一次电子，从倍增极发射出δ个二次电子（称δ为二次发射系 数），在低噪声的条件下得到倍增，从而达到了电流放大的作用。 电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比值。在理想情况下，具有 n 个倍增极，每个倍增极的平均二次电子发射率为 δ 的光电倍增管的电流增益为 δ n 。二次电子 发射率 δ 由下式给出： δ=A·E α （1） 这里的 A 为一常数，E 为极间电压，α为一由倍增极材料及其几何结构决定的系数，α的 数值一般介于 0.7 和 0.8 之间。在具有 n 个倍增极的光电倍增管，其电流增益 μ 即可表示为： μ = Ia / Ik = Sa / Sk 或 μ = δ n （2） 3．光电倍增管的使用及连接回路 （1）光电倍增管输出的电流、电压转换 ①负载电阻进行电流、电压转换 光电倍增管输出是一个电流信号，而与其相连的后续电路，一般是基于电压信号而设计的， 因此，常用一个负载电阻来完成电流-电压的转换。由于光电倍增管小电流输出时可看成一个具 有很高特性阻抗的理想恒流源，为此，理论上负载电阻可以选取任意大的阻值，实现从一个很 小的电流信号得到一个很大的电压信号。但实际上，较大的负载电阻会导致频率响应和输出线 性的恶化。 图 5 光电倍增管的输出回路 如图 5 中，考虑到上述因素，本测试仪采用温度系数小的金属膜无电感负载电阻，并选取 适当阻值的电阻来完成光电倍增管特性的测试。 ②运算放大器电流-电压转换 使用运算放大器进行电流-电压转换的电路，在和数字电压表组合起来用时，就不需要使用 昂贵的微小电流计，也可精确测试光电倍增管的输出电流。 图 6 用运算放大器的电流、电压变换回路
用运算放大器进行电流-电压转换的基本电路如图6所示，因为运算放大器的输入阻抗非 常高，光电倍增管的输出电流不能在图6中的A点流入运算放大器的反相端子(-)。因此，绝 大部分的电流流经反馈电阻R:,然后流出前置放大器的输出端。一般运算放大器有非常高的放 大倍数为10°，通常保持在反相输入端子(A点)的电位与同相输入端子(B点)的电位（接地 电位)相同下工作（把这称作并接地或假接地）。所以运算放大器输出电压和R两端发生的电 压V。相同，理论上，可以得到开路放大倍数倒数大小的高精度，实现电流-电压变换。这种情 况下，输出电压V。可用下面的公式来计算： Vo=-IpXR (3) 限制输出电压V的因素主要有：光电倍增管的阳极电流I、反馈电阻R的大小以及运算放 大器的工作电压等。 ③光电倍增管的快速输出回路 在检测具有快速上升、下降时间的脉冲光时，通常使用具有50欧姆阻抗的同轴电缆连接光 电倍增管和后接回路。为了传送信号输出波形不失真，如图7那样，输出端子用和同轴电缆特 性阻抗相同的纯电阻作为终端。由此，从光电倍增管看的特性阻抗与电缆长度无关，观测波形 的失真可减轻。但是，特别在使用MCP内藏型光电倍增管等观测超高速现象的场合，电缆如果 过长，由于同轴电缆自身的信号损失，需要注意信号波形的失真。如在输出端阻抗特性不匹配 时，从光电倍增管看的阻抗特性因频率数而异的，并且该值还受同轴电缆长度的影响，因而可 能产生输出失真。这种不匹配，不仅因同轴电缆和终端电阻，而且由于使用的接线端子本身或 因同轴电缆的末端处理而引起的可能性也存在。所以必须特别注意选择接线端子和同轴电缆与 光电倍增管的连接。同轴电缆与接线端子的连接都不要有阻抗特性的不连续点。 PMT 50n连接器50n连接器 0输出 500n同轴 电缆 RL=500 PMT端的匹 配电阻(50n) 图7输出的阻抗匹配 四、实验仪器 本实验用PAT型光电倍增管特性及微弱光信号测试仪系统（如图8），它包括下列3部 分： ▣画O。O0 0000 0090 @ ① ③ 山u 图8实验仪器系统 20
20 用运算放大器进行电流-电压转换的基本电路如图 6 所示，因为运算放大器的输入阻抗非 常高，光电倍增管的输出电流不能在图 6 中的 A 点流入运算放大器的反相端子（-）。因此，绝 大部分的电流流经反馈电阻 Rf ，然后流出前置放大器的输出端。一般运算放大器有非常高的放 大倍数为 105 ， 通常保持在反相输入端子（A 点）的电位与同相输入端子（B 点）的电位（接地 电位）相同下工作（把这称作并接地或假接地）。所以运算放大器输出电压和 Rf 两端发生的电 压 V0 相同，理论上，可以得到开路放大倍数倒数大小的高精度，实现电流-电压变换。这种情 况下，输出电压 V0可用下面的公式来计算： V0= -IP×Rf （3） 限制输出电压 V0的因素主要有：光电倍增管的阳极电流 IP、反馈电阻 Rf的大小以及运算放 大器的工作电压等。 ③光电倍增管的快速输出回路 在检测具有快速上升、下降时间的脉冲光时，通常使用具有 50 欧姆阻抗的同轴电缆连接光 电倍增管和后接回路。为了传送信号输出波形不失真，如图 7 那样，输出端子用和同轴电缆特 性阻抗相同的纯电阻作为终端。由此，从光电倍增管看的特性阻抗与电缆长度无关，观测波形 的失真可减轻。但是，特别在使用 MCP 内藏型光电倍增管等观测超高速现象的场合，电缆如果 过长，由于同轴电缆自身的信号损失，需要注意信号波形的失真。如在输出端阻抗特性不匹配 时，从光电倍增管看的阻抗特性因频率数而异的，并且该值还受同轴电缆长度的影响，因而可 能产生输出失真。这种不匹配，不仅因同轴电缆和终端电阻，而且由于使用的接线端子本身或 因同轴电缆的末端处理而引起的可能性也存在。所以必须特别注意选择接线端子和同轴电缆与 光电倍增管的连接。同轴电缆与接线端子的连接都不要有阻抗特性的不连续点。 图 7 输出的阻抗匹配 四、实验仪器 本实验用 PAT 型光电倍增管特性及微弱光信号测试仪系统（如图 8），它包括下列 3 部 分： 图 8 实验仪器系统
①主机控制箱：高压调节驱动模块、各种负载电阻、电流/电压变化模块、光源光强调节装 置、信号频率调节装置等： ②屏蔽暗室：侧窗式光电倍增管、功率可调光源部件等： ③检流计 1、主控箱面板介绍 (1)电流表(uA):显示光电倍增管输出的阳极电流： (2)电压表(V):第一个电压表显示负载电阻上的电压，第二个电压表显示高压模块的输 出高压。 (3)检流计：外接pA级检流计，测量暗电流： (4)输出(Q9):外接示波器，观察输出电压波形： (5)按钮开关K1:“仪器总电源开关”： (6)按钮开关K2:“高压电源开关” (7)2波段开关K3:“连续/调制”转换开关，改变光源在连续或脉冲光下的工作方式： (8)2波段开关K4:“微电流/暗电流”转换开关，切换光电倍增管阳极电流输出方式： (9)2波段开关K5:“特性测试/输出测试”转换开关，切换阳极微弱电流在后接电路的工 作方式： (10)3波段开关K6:“负载调节/I-V调节”转换开关，切换阳极微弱电流在输出测试中 选择的电流-电压转换方式： (11)多波段开关K7:“负载调节”选择开关，在阳极微弱电流输出电流-电压转换时，选 择不同负载阻值： (12)多波段开关K8:“I/N调节”选择开关，在阳极微弱电流输出电流-电压转换时，选 择不同反馈电阻阻值： (13)旋钮S1:“频率调节”，在光源工作于调制状态时，连续调节脉冲的频率： (14)旋钮S2:“光强调节”，连续调节光源的发光强度：顺时针调节LED光强增强。 (15)旋钮S3:“高压调节”，连续调节光电倍增管高压电源的输出电压。 五、实验内容 1、验证光电倍增管的光照灵敏度： 2、测量光电倍增管在无光照射情况下的暗电流： 3、作出光电倍增管工作的光电特性曲线： 4、作出光电倍增管工作的伏安特性曲线： 六、实验步骤 (一)灵敏度和光电特性测量测量 1.连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关K1(POWER)接通电源： 2.按下高压电源开关K2接通高压电源： 3.顺时针调节旋钮S3至700： 4.将波段开关K3置于连续档： 5. 将波段开关K4置于微电流档： 6. 将波段开关K5置于特性测试档： 7.调节旋钮S2,使光源光强发生连续变化：顺时针调节S2,使光源强度发生连续线性变 化。具体方法是每隔0.2DV逐点测量阳极电流值，由此可求出光电倍增管的光通量与 21
21 ①主机控制箱：高压调节驱动模块、各种负载电阻、电流/电压变化模块、光源光强调节装 置、信号频率调节装置等； ②屏蔽暗室：侧窗式光电倍增管、功率可调光源部件等； ③检流计 1、主控箱面板介绍 （1）电流表（uA）：显示光电倍增管输出的阳极电流； （2）电压表（V）：第一个电压表显示负载电阻上的电压，第二个电压表显示高压模块的输 出高压。 （3）检流计：外接 pA 级检流计，测量暗电流； （4）输出（Q9）：外接示波器，观察输出电压波形； （5）按钮开关 K1：“仪器总电源开关”； （6）按钮开关 K2：“高压电源开关” （7）2 波段开关 K3：“连续/调制”转换开关，改变光源在连续或脉冲光下的工作方式； （8）2 波段开关 K4：“微电流/暗电流”转换开关，切换光电倍增管阳极电流输出方式； （9）2 波段开关 K5：“特性测试/输出测试”转换开关，切换阳极微弱电流在后接电路的工 作方式； （10）3 波段开关 K6：“负载调节/I-V 调节”转换开关，切换阳极微弱电流在输出测试中 选择的电流-电压转换方式； （11）多波段开关 K7：“负载调节”选择开关，在阳极微弱电流输出电流-电压转换时，选 择不同负载阻值； （12）多波段开关 K8：“I/V 调节”选择开关，在阳极微弱电流输出电流-电压转换时，选 择不同反馈电阻阻值； （13）旋钮 S1：“频率调节”，在光源工作于调制状态时，连续调节脉冲的频率； （14）旋钮 S2：“光强调节”，连续调节光源的发光强度；顺时针调节 LED 光强增强。 （15）旋钮 S3：“高压调节”，连续调节光电倍增管高压电源的输出电压。 五、实验内容 1、验证光电倍增管的光照灵敏度； 2、测量光电倍增管在无光照射情况下的暗电流； 3、作出光电倍增管工作的光电特性曲线； 4、作出光电倍增管工作的伏安特性曲线； 六、实验步骤 (一) 灵敏度和光电特性测量测量 1. 连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关 K1（POWER）接通电源； 2. 按下高压电源开关 K2 接通高压电源； 3. 顺时针调节旋钮 S3 至 700V； 4. 将波段开关 K3 置于连续档； 5. 将波段开关 K4 置于微电流档； 6. 将波段开关 K5 置于特性测试档； 7. 调节旋钮 S2，使光源光强发生连续变化；顺时针调节 S2，使光源强度发生连续线性变 化。具体方法是每隔 0.2DIV 逐点测量阳极电流值，由此可求出光电倍增管的光通量与
阳极电流之间的关系曲线，由此可得到该光电倍增管的阳极灵敏度。 8.做出光源光强变化与光电倍增管阳极电流的关系曲线。 (二)伏安特性曲线测量 1.连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关K1(POWER),接通电源： 2.将旋钮S3逆时针旋到底，再按下高压开关K1: 3. 将波段开关K3置于连续档： 4. 将波段开关K4置于微电流档： 5. 将波段开关K5置于特性测试档： 6. 调节旋钮S2,使光源光强为一定值不变（由实验一得出线性工作点）： 7. 调节高压旋钮S3,使高压电源电压连续变化： 8. 记录电流表的实时读数和高压的实时读数： 9.再调节旋钮S2,使光强为另一定值不变（处于光强线性变化区间内），重复第7步共 测3组曲线： 10.作出改变高压电源的控制电压与光电倍增管阳极电流的关系曲线（伏安特性曲线）。 (三)线性测量 a.直接负载变换 1.连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关K1(POWER),接通电源： 2.按下高压电源开关K2,并调节高压旋钮S3至高压700V左右（参考电压）。 3. 将波段开关K3置于连续档： 4. 调节旋钮S2,使光源光强为一定值不变（处于光强线性变化区间内）： 5.将波段开关K4置于微电流档： 6.将波段开关K5置于输出测试档： 7.将波段开关K6置于负载档： 8. 调节多波段开关K7,记录此时电流表和电压表的读数： 9.作出光电倍增管在某一定光照时，不同负载条件下的关系曲线。 b.运算放大器N变换 1.连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关K1(POWER),接通电源： 2. 按下高压电源开关K2,并调节高压旋钮S3至高压700V左右（参考电压）： 3. 将波段开关K3置于连续档： 4.调节旋钮S2,使光源光强为一定值不变（处于光强线性变化区间内）： 5. 将波段开关K4置于微电流档： 6.将波段开关K5置于输出测试档 7.将波段开关K6置于N变换档： 8.调节多波段开关K8,记录此时电流表和电压表的读数： 9.作出光电倍增管在某一定光照时，运用前置放大器不同反馈电阻条件下的关系曲线。 (四)脉冲光作用下的输出电流演示 1.连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关K1(POWER),接通电源： 2.按下高压电源开关K2,并调节高压旋钮S3至高压700V左右（参考电压）： 3.将波段开关K3置于调制档： 4.将波段开关K4置于微电流档： 之
22 阳极电流之间的关系曲线，由此可得到该光电倍增管的阳极灵敏度。 8. 做出光源光强变化与光电倍增管阳极电流的关系曲线。 (二) 伏安特性曲线测量 1. 连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关 K1（POWER），接通电源； 2. 将旋钮 S3 逆时针旋到底，再按下高压开关 K1； 3. 将波段开关 K3 置于连续档； 4. 将波段开关 K4 置于微电流档； 5. 将波段开关 K5 置于特性测试档； 6. 调节旋钮 S2，使光源光强为一定值不变（由实验一得出线性工作点）； 7. 调节高压旋钮 S3，使高压电源电压连续变化； 8. 记录电流表的实时读数和高压的实时读数； 9. 再调节旋钮 S2，使光强为另一定值不变（处于光强线性变化区间内），重复第 7 步共 测 3 组曲线； 10. 作出改变高压电源的控制电压与光电倍增管阳极电流的关系曲线（伏安特性曲线）。 (三) 线性测量 a.直接负载变换 1. 连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关 K1（POWER），接通电源； 2. 按下高压电源开关 K2，并调节高压旋钮 S3 至高压 700V 左右(参考电压)。 3. 将波段开关 K3 置于连续档； 4. 调节旋钮 S2，使光源光强为一定值不变（处于光强线性变化区间内）； 5. 将波段开关 K4 置于微电流档； 6. 将波段开关 K5 置于输出测试档； 7. 将波段开关 K6 置于负载档； 8. 调节多波段开关 K7，记录此时电流表和电压表的读数； 9. 作出光电倍增管在某一定光照时，不同负载条件下的关系曲线。 b.运算放大器 I/V 变换 1. 连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关 K1（POWER），接通电源； 2. 按下高压电源开关 K2，并调节高压旋钮 S3 至高压 700V 左右（参考电压）； 3. 将波段开关 K3 置于连续档； 4. 调节旋钮 S2，使光源光强为一定值不变（处于光强线性变化区间内）； 5. 将波段开关 K4 置于微电流档； 6. 将波段开关 K5 置于输出测试档； 7. 将波段开关 K6 置于 I/V 变换档； 8. 调节多波段开关 K8，记录此时电流表和电压表的读数； 9. 作出光电倍增管在某一定光照时，运用前置放大器不同反馈电阻条件下的关系曲线。 (四) 脉冲光作用下的输出电流演示 1. 连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关 K1（POWER），接通电源； 2. 按下高压电源开关 K2，并调节高压旋钮 S3 至高压 700V 左右（参考电压）； 3. 将波段开关 K3 置于调制档； 4. 将波段开关 K4 置于微电流档；
5.将波段开关K5置于输出测试档： 6.将波段开关K6置于N变换档： 7.将示波器探头连接到前面板上的输出(Q9)端子： 8.保持多波段开关K8不变，调节旋钮S2,使光源光强发生连续变化： 9.保持旋钮S2不变，调节多波段开关K8,观察两种情况下示波器显示曲线的变化： (五)暗电流测量 1.连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关K1(POWER)接通电源： 2.按下高压电源开关K2接通高压电源： 3.调节高压旋钮S3,使输出高压700V左右（参考电压）： 4.将光强调节旋钮S2逆时针旋到底，关闭光源，保证此时光电倍增管工作于无光照条件 下： 5.将K3置于连续档或调制档位置： 6.将K4置于暗电流档位置： 7.接入检流计，测量此时输出的暗电流值： 8.在光电倍增管工作电压规定的前提下，可适当调节S3,即改变高压的输出来观测暗电 流随高压变化的曲线关系。 七、实验报告与要求 1.做出阳极电压一定条件下输出阳极电流与光强之间的关系曲线（光电特性）： 2.做出光强一定条件下输出阳极电流与阳极电压之间的关系曲线（伏安特性）： 3.做出负载电阻大小和输出电压的关系曲线，并分析负载电阻的大小对信号探测的影响： 4.分析相同条件下运用运算放大器输出的曲线关系： 5.测量光电倍增管的暗电流（选做）。 八、注意事项 1.光电倍增管对光的响应度很高，因此在没有完全隔离外界干扰光的情况下切勿对光电 倍增管施加工作电压，否则会导致管内倍增极的损坏： 2.即使光电倍增管处在非工作状态，也要尽可能减少光阴极和倍增极的不必要的曝光， 以免对光电倍增管造成不良影响： 3.光电阴极的端面是一块很光亮的玻璃片，要妥善保护： 4.使用时必须预先在暗处避光一段时间，要保持清洁干燥，同时要满足规定的环境条件， 切勿超过规定的电压最大值： 5.在有磁场影响的环境，应该用高导磁金属进行磁屏蔽。 6.光电倍增管工作时，严禁打开暗盒观察窗。 23
23 5. 将波段开关 K5 置于输出测试档； 6. 将波段开关 K6 置于 I/V 变换档； 7. 将示波器探头连接到前面板上的输出（Q9）端子； 8. 保持多波段开关 K8 不变，调节旋钮 S2，使光源光强发生连续变化； 9. 保持旋钮 S2 不变，调节多波段开关 K8，观察两种情况下示波器显示曲线的变化； (五) 暗电流测量 1. 连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关 K1（POWER）接通电源； 2. 按下高压电源开关 K2 接通高压电源； 3. 调节高压旋钮 S3，使输出高压 700V 左右（参考电压）； 4. 将光强调节旋钮 S2 逆时针旋到底，关闭光源，保证此时光电倍增管工作于无光照条件 下； 5. 将 K3 置于连续档或调制档位置； 6. 将 K4 置于暗电流档位置； 7. 接入检流计，测量此时输出的暗电流值； 8. 在光电倍增管工作电压规定的前提下，可适当调节 S3，即改变高压的输出来观测暗电 流随高压变化的曲线关系。 七、实验报告与要求 1. 做出阳极电压一定条件下输出阳极电流与光强之间的关系曲线（光电特性）； 2. 做出光强一定条件下输出阳极电流与阳极电压之间的关系曲线（伏安特性）； 3. 做出负载电阻大小和输出电压的关系曲线，并分析负载电阻的大小对信号探测的影响； 4. 分析相同条件下运用运算放大器输出的曲线关系； 5. 测量光电倍增管的暗电流（选做）。 八、注意事项 1. 光电倍增管对光的响应度很高，因此在没有完全隔离外界干扰光的情况下切勿对光电 倍增管施加工作电压，否则会导致管内倍增极的损坏； 2. 即使光电倍增管处在非工作状态，也要尽可能减少光阴极和倍增极的不必要的曝光， 以免对光电倍增管造成不良影响； 3. 光电阴极的端面是一块很光亮的玻璃片，要妥善保护； 4. 使用时必须预先在暗处避光一段时间，要保持清洁干燥，同时要满足规定的环境条件， 切勿超过规定的电压最大值； 5. 在有磁场影响的环境，应该用高导磁金属进行磁屏蔽。 6. 光电倍增管工作时，严禁打开暗盒观察窗