光電倍增管的基本特性

1.靈敏度和工作光譜區(qū)
光電倍增管的靈敏度和工作光譜區(qū)主要取決于光電倍增管陰極和打拿極的光電發(fā)射材料。當(dāng)入射到陰極表面的光子能量足以使電子脫離該表面時(shí)才發(fā)生電子的光電發(fā)射，即1/2mv2=hn-ф,( hn為光子能量，ф為電子的表面功函數(shù)，1/2mv2為電子動(dòng)能)。當(dāng)hn<ф時(shí)，不會(huì)有表面光電發(fā)射，而當(dāng)hn=ф時(shí)，才有可能發(fā)生光電發(fā)射，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的光的波長λ=C/n稱為這種材料表面的閾波長。隨著入射光子波長的減小，產(chǎn)生光電子發(fā)射的效率將增大，但光電倍增管窗材料對(duì)光的吸收也隨之增大。顯然，光電倍增管的短波響應(yīng)的極限主要取決于窗材料，而長波響應(yīng)的極限主要取決于陰極和打拿極材料的性能。一般用于可見-紅外光譜區(qū)的光電倍增管用玻璃窗，而用于紫外光譜區(qū)的用石英窗。光陰極一般選用表面功函數(shù)低的堿金屬材料，如紅外譜區(qū)選用銀-氧-銫陰極，可見光譜區(qū)用銻-銫陰極或鉍-銀-氧-銫陰極，而紫外譜區(qū)則采用多堿光電陰極或梯-碲陰極。
光電倍增管的靈敏度S是指在1lm的光通量照射下所輸出的光電流強(qiáng)度，即S=i/F，單位為µA/lm。顯然，靈敏度隨入射光的波長而變化，這種靈敏度稱為光譜靈敏度，而描述光譜靈敏度隨波長而變化的曲線稱為光譜響應(yīng)曲線(見右圖)，由此可確定光電倍增管的工作光譜區(qū)和最靈敏波長。例如我們常用的R427光電倍增管，其曲線偏碼為250S，光譜響應(yīng)范圍為160-320nm，峰值波長200nm，光陰極材料Cs-Te，窗口材料為熔煉石英，典型電流放大率3.3×106。

2.暗電流與線性響應(yīng)范圍
光電倍增管在全暗條件下工作時(shí)，陽極所收集到的電流稱為暗電流。對(duì)某種波長的入射光，光電倍增管輸出的光電流為： i= KIi+i0 ，式中，Ii對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生光電流i的入射光強(qiáng)度，k為比例系數(shù)，i0為暗電流。由此可見，在一定的范圍內(nèi)，光電流與入射光強(qiáng)度呈線性關(guān)系，即為光電倍增管的線性響應(yīng)范圍。當(dāng)入射光強(qiáng)度過大時(shí)，輸出的光電流隨光強(qiáng)的增大而趨向于飽和（見右圖）。線性響應(yīng)范圍的大小與光陰極的材料有關(guān)。
暗電流的來源主要是由于極間的歐姆漏阻、陰極或其他部件的熱電子發(fā)射以及殘余氣體的離子發(fā)射、場致發(fā)射和玻璃閃爍等引起。
當(dāng)光電倍增管在很低電壓下工作時(shí)，玻璃芯柱和管座絕緣不良引起的歐姆漏阻是暗電流的主要成分，暗電流隨工作電壓的升高成正比增加；當(dāng)工作電壓較高時(shí)，暗電流主要來源于熱電子發(fā)射，由于光電陰極和倍增極材料的電子溢出功很低，甚至在室溫也可能有熱電子發(fā)射，這種熱電子發(fā)射隨電壓升高暗電流成指數(shù)倍增；當(dāng)工作電壓較高時(shí)，光電倍增管內(nèi)的殘余氣體可被光電離，產(chǎn)生帶正電荷的分子離子，當(dāng)與陰極或打拿極碰撞時(shí)可產(chǎn)生二次電子，引起很大的輸出噪聲脈沖，另外高壓時(shí)在強(qiáng)電場作用下也可產(chǎn)生場致發(fā)射電子引起噪聲，另外當(dāng)電子偏離正常軌跡打到玻殼上會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象引起暗電流脈沖，這一些暗電流均隨工作電壓升高而急劇增加，使光電倍增管工作不穩(wěn)定，因此為了減少暗電流，對(duì)光電倍增管的最高工作電壓均加以限制。

3.噪聲和信噪比
在入射光強(qiáng)度不變的情況下，暗電流和信號(hào)電流兩者的統(tǒng)計(jì)起伏叫做噪聲。這是由光子和電子的量子性質(zhì)而帶來的統(tǒng)計(jì)起伏以及負(fù)載電阻在光電流經(jīng)過時(shí)其電子的熱騷動(dòng)引起的。輸出光電流強(qiáng)度與噪聲電流強(qiáng)度之比值，稱為信噪比。顯然，降低噪聲，提高信噪比，將能檢測到更微弱的入射光強(qiáng)度，從而大大有利于降低相應(yīng)元素的檢出限。

4.工作電壓和工作溫度
光電倍增管的工作電壓對(duì)光電流的強(qiáng)度有很大的影響，尤其是光陰極與第一打拿極間的電壓差對(duì)增益（放大倍數(shù)）、噪聲的影響更大。因此，要求電壓的波動(dòng)不得超過0.05%，應(yīng)采用高性能的穩(wěn)壓電源供電，但工作電壓不許超過最大值（一般為-900v-1000v），否則會(huì)引起自發(fā)放電而損壞管子，工作環(huán)境要求恒溫和低溫，以減小噪聲。

5.疲勞和老化
在入射光強(qiáng)度過大或照射時(shí)間過長時(shí)，光電倍增管會(huì)出現(xiàn)光電流衰減、靈敏度驟降的疲勞現(xiàn)象，這是由于過大的光電流使電極升溫而使光電發(fā)射材料蒸發(fā)過多所引起。在停歇一段時(shí)間后還可全部或部分得到恢復(fù)。光電倍增管由于疲勞效應(yīng)而靈敏度逐步下降，稱為老化，最后不能工作而損壞。過強(qiáng)的入射光會(huì)加速光電倍增管的老化損壞，因此，不能在工作狀態(tài)下（光電倍增管加上高壓時(shí)）打開光電直讀光譜儀的外罩，在日光照射下，光電倍增管很快便損壞。