【文章內(nèi)容簡介】 Ω為保護(hù)電阻。 ②陽極靈敏度 陽極靈敏度 SP 是指光電倍增管在一定工作電壓下陽極輸出電流與照在陰極面上光通量的比值，即 SP=IP/Ф（ A/lm），它是一個(gè)整管參數(shù)。在測量時(shí)為保證光電倍增管處于正常的線性工作狀態(tài)，光通量要取得比測量陰極靈敏度時(shí)小一些，因?yàn)楸对鰳O材料的二次發(fā)射系數(shù)σ值是所加電壓的函數(shù)，所以光電倍增管的陽極靈敏度與整管工作電壓有關(guān)。 放大倍數(shù)（電流增益） 在一定 的工作電壓下，光電倍增管的陽極信號電流和陰極信號電流之比稱為該管的放大倍數(shù)或電流增益，以符號 M 表示，則 M = IP/IK 式中， IP為陽極信號電流； IK 為陰極信號電流，放大倍數(shù) M 主要取決于系統(tǒng)的電子倍增能力，因此它也是工作電壓的函數(shù)，由于陽極靈敏度包含了放大倍數(shù)，也可以在一定工作電壓下測試出陽極靈敏度 SP和陰極靈敏度 SK的數(shù)值，然后求其比值即可得放大倍數(shù)，即 M = SP/SK 以上是理論定義，真正測試時(shí)，由于增益數(shù)值很大，一步測定 M 值比較困難，通常所采用的方法之一是： 首先在足夠弱的光通量下測定與某一 工作電壓相應(yīng)的陽極電流 IP（注意陽極電流應(yīng)在線性范圍內(nèi)），然后，使光通量增強(qiáng) m 倍（注意不能改變光譜分布），測定陰極電流 IK，這時(shí)只有光電倍增管的第一級和前幾級倍增才施加正常電壓，以免光電倍增管輸出過載，這時(shí)電流增益可按下式求得： M = SP/SK m 式中： IP— 弱光通量下測定的陽極電流； IK— 強(qiáng)光通量下測定的陰極電流； m— 光通量的增加倍數(shù)。 15 暗電流 光電倍增管 在 完全沒有一點(diǎn)光照的情況下，在規(guī)定的工作電壓下，測得的陽極輸出電流。光電倍增管的暗電流與工作電壓及環(huán)境溫度有密切關(guān)系。暗電流決定 光電倍增管能測定的最小光通量（即該管的極限靈敏度）。 暗電流是由熱電子發(fā)射、極間漏電流，管內(nèi)殘余氣體的離子發(fā)射，場致發(fā)射，管內(nèi)熒光等引起的。 供電電路 （ 1）高壓的連接方式 光電倍增管的供電方式有兩種，即負(fù)高壓接法，（陰極接電源負(fù)高壓，電源正端接地）和正高壓接法（陽極接電源正高壓，電源負(fù)端接地）。 負(fù)高壓接法的優(yōu)點(diǎn)是便于與后面的放大器連接，并且可以直流輸出信號，也可以交流輸出信號，操作安全方便，缺點(diǎn)在于因玻殼的電位與陰極電位接近，屏蔽罩應(yīng)至少離開管子玻殼 1~2mm，使系統(tǒng)的外形尺寸增大，否則由于靜電屏蔽的寄 生影響，暗電流與噪聲都會(huì)增大。實(shí)驗(yàn)采用負(fù)高壓接法。 （ 2）分壓器 光電倍增管極間電壓的分配最常用的方案是如圖 1 所示的電阻鏈分壓器，最佳的極間電壓分配取決于三個(gè)因素：即陽極峰值電流、允許的電壓波動(dòng)、允許的非線性偏離。 光電倍增管極間的分配可按前級區(qū)、中間級區(qū)和末級區(qū)加以考慮，前級區(qū)的收集電壓必須足夠高，以便第一倍增極有高的收集效率和大的二次電子發(fā)射系數(shù)，中間級區(qū)的各級間通常具有均勻發(fā)布 的級間電壓，以便管子獲得最佳增益，由于末級區(qū)各級特別是末級需支取較大電流，所以末級區(qū)各級間電壓不能過低，以免形成空間電荷效應(yīng)而使管子失去應(yīng)有的直線性。 當(dāng)陽級電流增大到與分壓器電流相比擬時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致末級區(qū)各級間電壓的大幅度下降，從而使光電倍增管出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性，為防止級間電壓的再分配以保證增益的穩(wěn)定，分壓器電流至少為最大陽極電流的 20 倍，對于直線性要求很高的使用場合，如精密的光幅射測量中，為了保證測量信號的線性度優(yōu)于 1%，一般要求分壓器上的電流是陽極最大光電流的 100倍以上。 當(dāng)確定了分壓器電流后，就可以根 據(jù)光電倍增管的最大陽極電壓算出分壓器的總電阻，再按照適當(dāng)?shù)募夐g分壓分配，由總電阻求出各分壓電阻的阻值。 16 （ 3）輸出電路 光電倍增管輸出的是電流信號，輸出阻抗很高，可作為一個(gè)理想的恒流源來考慮，因此輸出電流與負(fù)載電阻無關(guān)。實(shí)際上，對負(fù)載阻抗也存在一個(gè)上限，因?yàn)樨?fù)載電阻上的電壓降明顯地降低末級倍增極與陽極之間的電壓，因而會(huì)降低放大倍數(shù)，致使光電特性偏離線性。 當(dāng)光電倍增管用在低頻光信號測量中時(shí)，陽極輸出的光電流可采用電流 /電壓放大器，此時(shí)光電倍增管應(yīng)采用負(fù)高壓供電，如圖 2 所示，輸出信號 V0=Ip Rf 此時(shí)運(yùn)算放大器的同、反相端為同電位，陽極與末級倍增極間的電壓不受光電流信號的影響。 四、實(shí)驗(yàn)裝置 光電倍增管測試裝置及暗箱前面板接線柱分布如圖 3 所示。測試暗箱分上下兩層。50W/12V 鹵鎢燈發(fā)射光 經(jīng) 過中性小孔減光盤后，由漫透射板出射均勻的漫透射光。反光 減 光 盤 漫 透 射 板 反 光 鏡 漫 反 射 板 光 電 倍 增 管 放 光 電 器 件 位 置6 7擋 屏 2擋 屏 398擋 屏 1擋 屏 4 125341 3 0 K K D 1 D 2 D 3D 9A1 M1 3 0 K 1 3 0 K 1 3 0 K 光 源（ 鹵 鎢 燈 ）信 號輸 出 端電 源輸 入 端圖 3 光電倍增管測試裝置 Rf V0=Ip Rf HV Ip AMP _ + Cf A K 圖 2 陽極電流測量電路 17 鏡 將光束從暗箱的上層轉(zhuǎn)折到下層，再經(jīng)過漫反射板散射后，光信號再一次衰減，最后相對微弱的光信號照到光電倍增管上。 實(shí)驗(yàn)用光電倍增管（ 931A）直徑 1－ 1/8 英寸、鼠籠形、九級 倍增、側(cè)窗型、硼硅玻殼、銻銫光陰極、 300～ 650nm、最大響應(yīng)波長 400nm。各光電倍增管陰極靈敏度如下表 編號 7996 8121 8699 8756 9064 9232 9277 9284 9653 9669 Sk( uA/ｌ m ) 五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 暗電流測量 （ 注意：鹵鎢燈不開 ） （１）電流 /電壓放大器 連電源（ +12v/12v 、 GND， +5v、地） 連 out 至 1000k、連 Vo1 至 Vi連 +5V/Ｂ至Ｂ（放大 10０倍）。記下此時(shí)的 V’（ Vo2） 。 （ 注意：此步 驟 時(shí)不連信號線 ） （２）將暗箱前面板接線柱接線柱①②短接，③連接到高壓輸出負(fù)端 (HV)，④接正端（地）。 （３）陰極輸出信號④⑤用信號線連接到電流 /電壓放大器。④接地、⑤接屏蔽線的芯線。 （４）調(diào)節(jié)光電倍增管電源上的電位器至最?。鏁r(shí)針到底），開電源開關(guān)， 調(diào)高壓從 –400V 到 1000Ｖ，記下相應(yīng)的 Vo2 值，高壓調(diào) 小后關(guān)電源。 處理后得 暗電流與所加的電壓之間的關(guān)系 。 測試條件： 第一級反饋電阻 Rf= ，第二級放大倍數(shù) A= ,零點(diǎn)偏差電壓 V’ = 負(fù)高壓 (V) 400V 450V 500V 550V 600V 650V 700V 輸出電壓 Vo2 Vo =Vo2V’ 陰極電流 Io=Vo/(A*Rf) 負(fù)高壓 (V) 750V 800V 850V 900V 950V 1000V 輸出電壓 Vo2 Vo =Vo2V’ 陰極電流 Io=Vo/(A*Rf) 18 光電倍增管增益和陽極靈敏度測量 （ 1）連接線路參照暗電流測量線路 （ 2）開 鹵鎢燈電源 （ 4A） ， 調(diào)節(jié)減光盤，選擇兩種入射光照（ 減光盤刻度 1 處 ）下，測量光電倍增管在不同高壓（ 400 伏至 1000 伏）時(shí)的陽極光電流。 測試條件： 第一級反饋電阻 Rf= ，第二級放大倍數(shù) A= ,零點(diǎn)偏差電壓 V’ = 負(fù)高壓 (V) 400V 450V 500V 550V 600V 650V 700V 輸出電壓 Vo2 E1= 陽極電流 Io=Vo/(A*Rf) E2= 陽極電流 Io=Vo/(A*Rf) 負(fù)高壓 (V) 750V 800V 850V 900V 950V 1000V E1= 陽極電流 Io=Vo/(A*Rf) E2= 陽極電流 Io=Vo/(A*Rf) ３、光電陰極面上的入射光通量測量 （ 1）將接線柱①②連接到電流 /電壓放大器，③④分別接到高壓電源的負(fù)（地）、正輸出端。 （ 2）將高壓電源的輸出調(diào)至 450V~500V。 （ 3） 打開 鹵鎢燈 電源（ 4A），測量 入射光 最大（減光盤刻度３）時(shí) 相應(yīng)的 Vo2 值 ，計(jì)算光電陰極面上的入射光通量。 測試條件：實(shí)驗(yàn)用光電倍增管陰極靈敏度 Sk( uA/ｌ m )＝ ，負(fù)高壓 (V)＝ ， 第一級反饋電阻 Rf= ，第二級放大倍數(shù) A= ,零點(diǎn)偏差電壓 V’ = 記錄 輸出電壓 Vo2＝ 計(jì)算得到光通量＝ ４、根據(jù)２、３的結(jié)果及陰極靈敏度表，計(jì)算光電倍增管在不同高壓時(shí)的陽極靈敏度和增益，并畫出相應(yīng)的特性曲線。 《注意事項(xiàng)》 在開啟 高壓 開關(guān) 、鹵鎢燈電源開關(guān) 前，首先要檢查連接線 是 否正確 ， 檢查 各輸出旋鈕是否 處于 最小位置。 關(guān) 高壓電源 前 ，首先要把旋鈕旋到最小位置，然后關(guān)斷。 19 光電倍增管對光的響應(yīng)極為靈敏，因此在沒有完全隔絕外界光的情況下，切勿對管子施加工作電壓，絕不允許在強(qiáng)光下開啟光電倍增管電源，否則會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)倍增極的損壞。 不準(zhǔn)在超過規(guī)定工作電壓最大值時(shí)使用。 六、預(yù)習(xí)要求 復(fù)習(xí)教科書中的相關(guān)內(nèi)容； 預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容，編制實(shí)驗(yàn)操作步驟。 七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 畫出實(shí)驗(yàn)所用管子的接線圖，并注上所用參數(shù)。 做出暗電流與陽極電壓之間的關(guān)系曲線。 計(jì)算減光盤處 于各檔時(shí)，陰極面上入射的光通量。 計(jì)算不同高壓時(shí)，光電倍增管的陽極靈敏度及放大倍數(shù)。 對以上計(jì)算結(jié)果和曲線作相應(yīng)分析，并說明原因。 通過本實(shí)驗(yàn)對加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量有哪些改進(jìn)措施。 八、思考題 光電倍增管是依據(jù)哪兩個(gè)原理工作的？本實(shí)驗(yàn)所采用的光電倍增管光電陰極采用什么材料？響應(yīng)波長范圍多少？峰值波長多少？ 光電倍增管的倍增級結(jié)構(gòu)有幾種形式？各有什么特性？本實(shí)驗(yàn)采用的又是哪種結(jié)構(gòu)？進(jìn)光形式在端面還是在側(cè)面？ 光電倍增管的供電電路有幾種形式，本實(shí)驗(yàn)采用哪種形式 ?有什么特點(diǎn)？ 本實(shí)驗(yàn)測試中應(yīng)注意哪些問題？為什么？ 20 實(shí)驗(yàn)四 位置靈敏探測器（ PSD） 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握位置靈敏探測器 PSD 的工作原理及特點(diǎn)。 掌握位置靈敏探測器 PSD 的直流工作電路。 掌握利用位置靈敏探測器 PSD 進(jìn)行光點(diǎn)的位置檢測。 二、實(shí)驗(yàn)原理 位置靈敏探測器（ Position Sensitive Detectors）是一種對入射到光敏面上的光點(diǎn)位置敏感的光電探測器件，其輸出信號與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。光電位置傳感器被廣泛地應(yīng)用于激光束的監(jiān)控（對準(zhǔn)、位移和振動(dòng)）、平面度檢測、二維位置檢測系統(tǒng) 等。 PSD 的工作原理 圖 1 是一個(gè) PSD 的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，在一個(gè)平面硅基片上制作了一個(gè) PIN 三層結(jié)構(gòu)，上面為 p 層，下面為 n 層，中間為 I 層， p 層是有均勻電阻率的光敏層。 當(dāng)入射光照射到 PSD 的光敏層上，在入射位置上就產(chǎn)生了與光能成比例的電荷，此電荷通過電阻層為電極所吸收而形成光電流 .由于 p 層的電阻是均勻的，所以電極①和電極②輸出的電流分別與入射位置和電極之間的距離成反比。設(shè)電極①和電極②間的距離為 2L，電極①和電極②輸出的光電流分別為 I1和 I2，兩者之和為 I0，則 I0=I1+I2 圖 1 PSD 結(jié)構(gòu)示意圖 若以 PSD 的中心點(diǎn)位置作為原點(diǎn)時(shí)，光點(diǎn)離中心點(diǎn)的距離為 xA，如圖 1 所示，于是 ????????????????1212AA02A01IIIIxL2xLIIL2xLII （ 1） I1 ③ I0 I2 L L P 層 i 層 n 層 ① ② xA 21 利用式 1 即可確定光入射點(diǎn)對于器件中心的位置 xA，它只與 I I2電流的和、差及比值有關(guān) . 位置傳感器分類 PSD 分為兩類：一維 PSD 和二維 PSD。一維 PSD 主要用來測量光點(diǎn)在一維（ x 坐標(biāo)）方向上的運(yùn)動(dòng)位置。二維 PSD 主要用來測量光點(diǎn)在平面上地二維（ x， y）坐標(biāo)，它地受光面是方形的，比一維 PSD 多一對電極。按其結(jié)