光電倍增管家族的多領(lǐng)域應(yīng)用

科學(xué)新發(fā)現(xiàn)、理解大自然的根本動(dòng)力是好奇心，人們又通過對(duì)自然的仔細(xì)思考和實(shí)驗(yàn)推動(dòng)了科學(xué)的發(fā)展。在追尋未知未涉的過程中，最簡(jiǎn)單的探測(cè)和記錄裝置就是我們?nèi)祟愖陨淼母杏X器官，但是對(duì)于現(xiàn)代科學(xué)，這種“自然”的探測(cè)器要么靈敏度不夠，要么適用范圍不廣。就拿我們?nèi)搜蹫槔�，要產(chǎn)生視覺影像至少得幾十個(gè)光子，而一個(gè)光電倍增管可以很容易地探測(cè)到單光子；人眼觀察的光譜也只是集中在可見光（400-800nm），而自然界的電磁波頻譜從廣播電波到微波、紅外輻射、可見光、紫外光、X射線、伽馬射線，足足跨越了23個(gè)量級(jí)。

我們的眼睛了解世界是有限的，而好奇心賦予了人類對(duì)未知未涉世界的渴望，也推動(dòng)了光探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展。濱松公司的研發(fā)一直是從與光的對(duì)話開始的，從最初的光電管、攝像管的研發(fā)生產(chǎn)開始，逐步發(fā)展到擁有光探測(cè)器及光源、半導(dǎo)體光電產(chǎn)品、圖像分析與計(jì)測(cè)裝置、激光以及相關(guān)技術(shù)等全系列光電產(chǎn)品的公司。在濱松公司發(fā)展過程中光電倍增管技術(shù)起到了不可磨滅的作用，也一次又一次地把濱松公司的探測(cè)器產(chǎn)品推向了世界的舞臺(tái)。

光電倍增管是一類用于極微弱光探測(cè)的真空電子管，第一只光電倍增管（PMT）于80多年前由美國(guó)國(guó)家輻射公司（Radio Corporation of America）發(fā)明，并于1936年首次成為商用產(chǎn)品。濱松公司從1955年開始了對(duì)光電倍增管技術(shù)的研發(fā)，經(jīng)過了無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)和磨練以后生產(chǎn)出了性能優(yōu)于其他廠家的光電倍增管，并且在1959年側(cè)窗型光電倍增管投放市場(chǎng)。經(jīng)過50多年的發(fā)展，濱松公司已經(jīng)成為了世界上技術(shù)最先進(jìn)、產(chǎn)品種類最全、市場(chǎng)占有率最高的光電倍增管生產(chǎn)廠家。

光電倍增管由光陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增級(jí)、陽極、真空保護(hù)殼組成，其中光陰極是由逸出功較小的堿金屬化合物鍍膜形成，光陰極在一定能量的光子照射下發(fā)生外光電效應(yīng)，將光子轉(zhuǎn)化成電子，電子在電場(chǎng)約束下通過電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入倍增級(jí)，電子通過電場(chǎng)加速后轟擊倍增級(jí)表面的二次電子材料實(shí)現(xiàn)電子的倍增，電子信號(hào)經(jīng)過多級(jí)倍增以后可以達(dá)到105-109倍的放大，最后放大后的信號(hào)被陽極收集輸出。由于光電倍增管優(yōu)秀的倍增特性，到目前為止光電倍增管仍然在很多極微弱光探測(cè)領(lǐng)域有著不可取代的地位。

從結(jié)構(gòu)上光電倍增管可以分為側(cè)窗型光電倍增管和端窗型光電倍增管，不過這樣很難充分體現(xiàn)光電倍增管的本身特性。下面我們就從功能和應(yīng)用上對(duì)光電倍增管進(jìn)行一下簡(jiǎn)單介紹。

常規(guī)光電倍增管

光電倍增管用在光學(xué)測(cè)量?jī)x器和光譜分析儀器中,它能在低光量光度學(xué)和光譜學(xué)方面測(cè)量波長(zhǎng)115-1700nm的極微弱輻射功率。閃爍計(jì)數(shù)器的出現(xiàn)，進(jìn)一步擴(kuò)大了光電倍增管的應(yīng)用范圍，激光檢測(cè)儀器的發(fā)展與采用光電倍增管作為有效接收器密切相關(guān)，我們的日常生活和健康也離不開光電倍增管。目前光電倍增管被廣泛地應(yīng)用在冶金、電子、機(jī)械、化工、地質(zhì)、醫(yī)療、核工業(yè)、天文和宇宙空間研究等領(lǐng)域，也和我們的日常生活息息相關(guān)。

濱松光電倍增管大家族，從Macro到Micro

     圖中的20寸光電倍增管為世界最大的光電倍增管，并于2014年獲“IEEE”里程碑認(rèn)證

超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)中的濱松20英寸光電倍增管（共11200個(gè)）

高溫光電倍增管

常規(guī)的光電倍增管一般的使用溫度是-30℃-50℃，如果常規(guī)的光電倍增管超過50℃工作，首先噪聲會(huì)變的非常大；其次高溫也會(huì)加速光電倍增管陰極和倍增級(jí)材料的性能退化，降低光電倍增管壽命。在我國(guó)一般的石油勘探都要達(dá)到3500m左右的地層，而在這個(gè)地層下溫度高達(dá)175℃，常規(guī)的光電倍增管就無法滿足要求了，為了這樣的應(yīng)用環(huán)境，我們開發(fā)了耐高溫、耐振動(dòng)的高溫光電倍增管產(chǎn)品。

低溫光電倍增管

低溫作用下光電倍增管的陰極面電阻會(huì)變的非常大，面電阻增大會(huì)阻礙陰極電流的流出，所以常規(guī)的光電倍增管在低溫下工作時(shí)候，陰極線性電流會(huì)變的非常小，極大限制了光電倍增管的應(yīng)用，尤其是在一些類似液氙、液氬環(huán)境中進(jìn)行的直接暗物質(zhì)探測(cè)的試驗(yàn)中。濱松公司通過低溫堿源技術(shù)，以及在陰極面內(nèi)部鑲嵌金屬輻條技術(shù)，大大的降低了低溫下陰極面的面電阻，使光電倍增管低溫下使用成為了可能。

低本底輻射光電倍增管

低輻射光電倍增管是隨著宇宙射線探測(cè)、暗物質(zhì)探測(cè)應(yīng)用而生的，在我們自然界中存在著大量的天然放射性物質(zhì)，鈾系、釷系、鉀等物質(zhì)是自然輻射的主要來源，當(dāng)然在我們常規(guī)的玻璃管殼中也存在較高的自然輻射本底，然而由于輻射與光陰極面反應(yīng)截面很小，自然輻射對(duì)于我們常規(guī)的光探測(cè)幾乎是沒有影響的，但是對(duì)于閃爍測(cè)量，尤其是對(duì)本底要求很高的暗物質(zhì)檢測(cè)的試驗(yàn)中，這些本底輻射可能就是致命的，會(huì)對(duì)有效信號(hào)造成干擾，從而影響實(shí)驗(yàn)的效果。濱松公司一方面采用無鉀玻璃作為光電倍增管管殼來降低本底，另一方面為了進(jìn)一步降低本底，濱松公司采用金屬作為光電倍增管外殼、用陶瓷作為基板，通過這樣的措施可以將本底降到常規(guī)光電倍增管的１／１０以下。

位置檢出型光電倍增管

光電倍增管大多數(shù)情況下是作為點(diǎn)探測(cè)器使用的，然而像ＰＥＴ、伽馬相機(jī)等既要判斷入射光電強(qiáng)度，又要判斷光斑位置的應(yīng)用，我們可以采用在閃爍體技術(shù)以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理等方法，用常規(guī)光電倍增管實(shí)現(xiàn)應(yīng)用；如果我們要達(dá)到更好的位置分辨效果，就需要位置檢測(cè)型光電倍增管了。位置檢測(cè)型光電倍增管一般采用通道式的打拿極結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)可以有效地把電子倍增過程約束到一個(gè)很小的空間內(nèi)，這樣可以降低通道間的串?dāng)_，根據(jù)陽極結(jié)構(gòu)的不同我們也把位置檢測(cè)型的光電倍增管分為多陽極光電倍增管和位敏型的光電倍增管，多陽極光電倍增管采用多個(gè)獨(dú)立的陽極作為輸出，而位敏型的光電倍增管則采用十字金屬板的陽極，通過Ｘ、Ｙ軸信號(hào)的大小來判斷光的位置和強(qiáng)度。

ＭＣＰ型光電倍增管

時(shí)間響應(yīng)特性和時(shí)間分辨能力是光電倍增管非常重要的參數(shù)，尤其是用在一些熒光壽命檢測(cè)或者是快速時(shí)間響應(yīng)的應(yīng)用中，例如系統(tǒng)事業(yè)部生產(chǎn)的Ｑ－τ（熒光壽命分析儀），就利用了ＭＣＰ－ＰＭＴ的高時(shí)間分辨能力。ＭＣＰ（微通道板）是一種通道式的電子倍增系統(tǒng)，能夠?qū)�帶點(diǎn)粒子、X射線、極紫外等射線進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)作為電子倍增系統(tǒng)具有極高的時(shí)間分辨率，可以達(dá)到Ps級(jí)別，利用MCP作為倍增系統(tǒng)的光電倍增管，不僅可以探測(cè)光，同時(shí)也具有時(shí)間分辨率高的特點(diǎn)。

混合型光電倍增管

混合型光電倍增管在我們銷售過程中不太常見，不過由于其能量分辨率高、時(shí)間響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在高能物理研究領(lǐng)域有著非常重要的地位。從結(jié)構(gòu)上看混合型光電倍增管由前級(jí)的光電陰極、電子加速系統(tǒng)、半導(dǎo)體雪崩系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)構(gòu)成�；旌闲凸怆姳对龉荜帢O接收光子產(chǎn)生光電子，電子在高壓加速系統(tǒng)中加速，高能量的電子轟擊半導(dǎo)體，利用雪崩效應(yīng)產(chǎn)生大的增益，最后電子由輸出系統(tǒng)輸出。

μ-PMT是ＭＥＭＳ技術(shù)和真空電子管技術(shù)的完美結(jié)合，他利用ＭＥＭＳ技術(shù)在硅晶片上加工打拿極，利用真空電子管技術(shù)形成光陰極以及倍增級(jí)。雖然他僅僅手指大的體積，但是他可以實(shí)現(xiàn)１０６倍的增益。μ－ＰＭＴ為光電倍增管的發(fā)展開辟了一條新的道路，使我們看到光電倍增管微小化、集成化、柔軟化成為了可能，也使我們看到了光電倍增管更廣的發(fā)展和未來。

濱松微光電倍增管（μ-PMT）為世界上最小的光電倍增管

在半導(dǎo)體探測(cè)器蓬勃發(fā)展的今天,有人說光電倍增管快過時(shí)了。不過我們看到的是濱松更高量子效率、更低噪聲、更耐環(huán)境的光電倍增管技術(shù)研發(fā)，以及新型的μ－ＰＭＴ的技術(shù)研發(fā)。我們可以相信光電倍增管技術(shù)永無止境，而且必定還會(huì)在我們未來的生活和科學(xué)研究中發(fā)揮更大的作用