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物电学院综合与设计性实验方案(学生)姓名潘虹吉学号1430140518 2016 年12 月日实验课程名称电子与光电子材料学院专业材料科学与工程实验项目名称光敏二、三极管的光电性能研究和光电倍增管特性实验实验班级2014级1班实验项目类型探究型实验方案编写人潘虹吉项目合作人员罗刚实验地点实训楼实验时间2016.12.指导教师审阅范强老师实验员曹进老师一、目的与要求综述：光敏二、三极管的光电性能研究目的：1．掌握光敏二、三极管的原理和特性2．利用DH-CGOP1光电传感器设计实验仪、万用表等测试光敏二、三极管的伏安特性曲线；3.利用DH-CGOP1光电传感器设计实验仪、万用表等测试光敏二、三极管的光照特性曲线；光电倍增管特性实验目的：1.了解光电倍增管的基本特性，学习光电倍增管基本参数的测量方法。
2.掌握暗电流的测量方法；3.光电倍增管放大倍数的计算；4.掌握光电倍增管光电特性测量；二、主要实验原理、内容与步骤：1.光敏二极管工作原理光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。
它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。
光敏二极管是在反向电压作用之下工作的。
没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。
当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。
它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也。
光电倍增管特性实验【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、掌握光电倍增管高压电源模块的使用方法；3、学习光电倍增管输出信号的检测和变换处理方法。
【基本原理】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。
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500～3000V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1是流过分压器回路的电流，被叫做分压器电流，它和后面图1中回路电流Ib叙述的输出线性有很大的关系。
I可近似用工作电压V除以分压电阻之和的值来b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。
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。
光电倍增管特性实验【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、掌握光电倍增管高压电源模块的使用方法；3、学习光电倍增管输出信号的检测和变换处理方法。
【基本原理】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。
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500～3000V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1是流过分压器回路的电流，被叫做分压器电流，它和后面图1中回路电流Ib叙述的输出线性有很大的关系。
I可近似用工作电压V除以分压电阻之和的值来b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。
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。
光电倍增管的原理及特性测量作者：陈鑫念聪王巧来源：《中小企业管理与科技·中旬刊》2019年第04期【摘要】西藏得天独厚的地理位置为宇宙线观测提供了一个天然的平台，20世纪80年以来建立的羊八井宇宙线观测站也已经取得一系列重大成果。
而随着宇宙线研究的不断深入，对实验仪器的要求也更加精准。
电磁粒子探测器正是这种高精度实验器材，而光电倍增管可谓是探测器中最敏感的部件。
基于此，论文对滨松R5912型光电倍增管的主要技术特性开展了测量与特性实践应用研究，为这一技术推广提供了技术理论保障。
【Abstract】Tibet's unique geographical location provides a natural platform for cosmic ray observations. The Yangbajing Cosmic Ray Observatory， which was established in the 1980s， has also achieved a series of major achievements. With the deepening of cosmic ray research， the requirements for experimental instruments are more precise. The electromagnetic particle detector is precisely this kind of high precision experimental equipment， and the photomultiplier tube is the most sensitive components in detectors. Based on this， the main technical characteristics of Hamamatsu R5912 photomultiplier tube are measured and applied in practice， which can provide technical and theoretical guarantee for the popularization of this technology.【关键词】滨松R5912型光电倍增管;原理;测试系统;高压响应特性【Keywords】 Hamamatsu R5912 photomultiplier tube; principle; test system; high-voltage response characteristics【中图分类号】TN152; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;【文献标志码】A; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 【文章编号】1673-1069（2019）04-0155-021 光电倍增管技术原理及滨松R5912型光电倍增管1.1 光电倍增管技术原理光电倍增管技术的应用是建立在外光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上一种光电感应原件。
《光电倍增管特性参数及其测量》实验报告《光电倍增管特性参数及其测量》实验报告实验名称：光电倍增管特性参数及其测量姓名：学号：专业：班级：实验时间：2022 年月日厦门理工学院光电工程实验教学中心实验日期： 5.13室温：气压：同组实验者：实验目的与要求通过本实验，了解掌握光电倍增管的暗电流、信噪比、灵敏度和增益等特性及其测量方法，为应用光电倍增管对微辐弱射的探测奠定基础。
实验器材① MXY8101 光电倍增管综合实验仪 1 台② 耐高压连接线10只实验内容（包括实验原理、光路图、操作方法与步骤、数据记录及处理、实验结果分析与讨论等）实验原理、光路图：（1）光电倍增管工作原理光电倍增管属于真空光电传感器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子聚焦系统、倍增电极和阳极5 部分构成，光电倍增管有多种结构类型，典型光电倍增管如图 1.40-1 所示，为侧窗圆形鼠笼式光电倍增管。
其工作原理分下面 5 部分：① 光子透过入射窗口玻璃入射到玻璃内层光电阴极上，窗口玻璃的透过率满足光电倍增管的光谱响应特性；② 进入到光电阴极上的光子使光电阴极材料产生外光电效应，激发出电子，并飞离表面到真空中，称其为光电子；③ 光电子通过电场加速，并在电子聚焦系统的作用下射入到第一倍增极D1 上，D1 发射出的光电子数目是入射光电子数目的δ倍，这些二次光电子又在电场作用下射入到下一倍增极；④ 入射光电子经 N 级倍增后，电子数就被放大δN 倍，图1.40‐1 所示的倍增管共有 8 级，即N=8；⑤ 经过倍增后的电子由阳极收集起来，形成阳极电流，在负载上产生压降，输出电压信号Uo。
（2）光电倍增管的基本特性参数光电倍增管的特性参数如下。
①光电灵敏度光电灵敏度是光电倍增管探测光信号能力的一个重要标志，通常分为阴极灵敏度Sk 与阳极灵敏度 Sa。
它们又可分为光谱灵敏度与积分灵敏度。
光电倍增管的阳极光谱灵敏度常用Sa，λ表示，阳极积分灵敏度常用Sa表示，其量纲为 A/lm。
大恒实验产品-3光电器件与检测系列实验3-1 GCS-GDTC 光电探测器特性测量实验光电探测器是光电系统的核心组成部分，其性能直接影响着光电系统的性能。
因此，无论是设计还是使用光电系统，深入了解光电探测器的性能参数都是很重要的。
本实验研究光电二极管、热释电探测器、光敏电阻三种常用探测器的频率响应与时间响应特性。
主要实验内容如下:(1) 深入理解光电探测器的响应度、光谱响应等概念(2) 光电二极管光谱响应测量实验(3) 了解热释电探测器和硅光电二极管的原理和使用方法。
(4) 了解光电探测器的响应度与信号光的调制频率的关系。
(5) 脉冲响应法测量光电二极管的响应时间。
(6) 幅频响应法测量光敏电阻的响应时间。
(7) 偏置电压与负载电阻对光电二极管响应时间的影响。
3-2 GCS-LD/LED-I/II LD/LED 参数测量综合实验实验通过从LD/LED的光学特性（发射光谱、发射角、发散角）、电学特性（P-I特性和V-I 特性）、热学特性（温度对阈值电流和输出照度的影响）和色度学特性（发光体的单色性及颜色分布）5大特性进行描述，并通过对其工作原理的讲解，让学生对LD/LED有一个清晰认识。
主要实验内容如下：1.发光二极管光谱特性的研2.发光二极管响应时间的测试3.发光二极管发光亮度与电流关系4.LED发光法向光强及其角分布5.LED/LD光谱分析和色坐标测试实验（GCS-LED/LD-II可完成）3-3 GCS- BZG 光电倍增管特性及微弱光信号探测实验光电倍增管是基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。
它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，可以测量微弱的光信号。
主要实验内容如下：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3.验证光电倍增管的光照灵敏度4.测量光电倍增管在无光照射情况下的暗电流5.作出光电倍增管工作的光电特性曲线6.作出光电倍增管工作的伏安特性曲线7.作出光电倍增管在不同直接负载和I/V变换下的关系曲线8.了解光电倍增管在脉冲光时，经过运算放大器输出的电压波形变化3-4 GCS- RTC 热探测器参数测量实验热探测器是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。
实验3 光电倍增管特性参数的测试
实验目的
1、了解光电倍增管的基本特性。
2、学习光电倍增管基本参数的测量方法。
3、学会正确使用光电倍增管。
实验内容
1、暗电流的测量
2、阴极灵敏度的测量
3、阳极灵敏度的测量
4、光电倍增管放大倍数的测量
实验仪器
光电倍增管实验仪1台
实验原理
1、工作原理
光电倍增管是一种真空光电器件(如图3-1)，它主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极组成。
其工作原理为：(1) 光子透过入射窗入射到光电阴极上；(2) 光电阴极上的电子受光子的激发，离开表面发射到真空中；(3) 光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次光电子;(4)入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次；(5)经过倍增后的二次电子由阳极收集起来，形成阳极光电流，在负载上产生信号电压。
2、供电分压器和输出电路
从光电阴极到阳极的所有电极用串联的电阻分压供电，使管内各极间能形成所需的电场。
光电倍增管的极间电压的分配一般由图3-2所示的串联电阻分压器执行的，最佳的极间电压分配取决于三个因素：阳极峰值电流，允许的电压波动以及允许的非线性偏离。
光电倍增管的极间电压可按前极区，中间区和末极区加以考虑。
前极区的收集电压必须足够高，以使第一倍增极有高的收集率和大的次极发射系数，中间级
区的各级间通常具有均匀分布的极间电压，以使管子给出最佳的增益。
由于末极区各极，特别是末极区取较大的电流，所以末极区各极间电压不能过低，以免形成空间电荷效应而使管子失去应有的直线性。
当阳极电流增大到能与分压器电流相比拟时，将会导致末极区间电压的大幅度下降，从而使光电倍增管出现严重的非线性。
为防止极间电压的再分配以保证增益稳定，分压器电流至少为最大阳极电流的10倍。
对于直线性要求很高的应用场合，分压器电流至少为最大阳极平均电流的100倍。
确定了分压器的电流，就可以根据光电倍增管的最大阳极电压算出分压器的总电阻。
再按适当的极电压分配。
由总电阻计算出分压电阻的阻值。
光电倍增管输出的是电荷，且其阳极可以看成是一个理想的电流发生器来考虑。
因此，输出电流与负载阻抗无关。
但实际上，对负载的输入阻抗却存在着一个上限。
因为负载电阻上的电压降明显地降低了末极倍增管与阳极之间的电压。
对于直流信号，光电倍增管的阳极能产生达数十伏的电压输出。
因此可以使用大的负载电阻。
3、 电倍增管的特性和参数
光电倍增管的特性参数包括灵敏度、电流增益、光电特性、阳极特性、暗电流等。
下面介绍本实验涉及到的特性和参数。
1）灵敏度
灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数，一般是指积分灵敏度，其单位为uA/Lm 。
光电倍增管的灵敏度一般包括阴极灵敏度、阳极灵敏度。
2）阴极光照灵敏度S K
阴极光照灵敏度S K 是指光电阴极本身的积分灵敏度。
定义为光电阴极的光电流I k 除以入射光通量Φ所得的商
)/(Lm A I S K k μΦ
=
光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图所示。
入射到阴极K 的光照度为E ，光电阴极的面积为A ，则光电倍增管接受到的光通量为
A E ⋅=Φ
由式可以计算出阴极灵敏度。
入射到光电光电阴极的光通量不太大，否则由于光电阴极层的电阻损耗会引起测量误差。
光通量也不能太小，否则由于欧姆漏电流影响光电流的测量精度，
通常采用的光通量的范围为10-5～10-2
Lm 。
3） 阳极光照灵敏度S p
阳极光照灵敏度S p 定义是指光电倍增管在一定工作电压下阳级输出电流与照射阴极上光通量的比值
)/(Lm A I S p p Φ
=
4） 放大倍数(电流增益)G
放大倍数G(电流增益)定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流I p 与阴极电流I K 间的比值。
K
p I I G =
由于阳级灵敏度包含了放大倍数的贡献，于是放大倍数也可以由在一定工作电压下阳极灵敏度和阴极灵敏度的比值来确定，即
K
p S S G =
放大倍数G 取决于系统的倍增能力，因此它是工作电压的函数。
5） 暗电流I d
当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，在阳极电路里仍然会出现输出电路，称为暗电流，暗电流与阳极电压有关，通常是在与指定阳极光照灵敏度相应的阳极电压下测定的。
引起暗电流的因素有：热电子发射，场致发射、放射性同位素的核辐射，光反馈、离子反馈、极间漏电等。
4、 高压供电与信号输出
为了使光电倍增管能正常工作，通常在阴极和阳级间加上近千伏的高压。
同时，还需在阴极、倍增极和阳极间分配一定的电压，保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增系统得到增大。
光电倍增管的供电方式有两种，即负高压接法(阴极接电源负高压，电源正端接地)和正高压接法(阳极接电源正高压、而电源负端接地)。
正高压接法的特点是可使屏蔽光、磁、电的屏蔽罩直接于管子外壳相连，甚至可以制成一体，因而屏蔽效果好，暗电流小，噪声水平低。
但这时阳极处于正高压，会导致寄生电容增大。
如果是直流输出，则不仅要求传输电缆能耐高压，而且后级的直流放大器也处于高电压，会产生一系列的不便；如果是交流输出，则通过耐高压、噪声小的隔直电容。
负高压的优点是便于与后面的放大器连接，且即可以直流输出，又可以交流输出，操作安全方便。
缺点是玻壳的电位与阴极电位接近，屏蔽罩应至少离开玻壳1～2cm 。
否则，由于静电屏蔽的寄生影响，暗电流与噪声都会增大。
实验内容
1、暗电流测量
1）将电压调节逆时针调到最小，光源开关断开，阴极(阳极)开关断开到阳极位置，光源开关断开，然后打开实验箱电源开关。
2）缓慢调节电压调节开关，当电压分别为100V 、200V 、…、1000V 时记下电流表的电流值。
3）画出I d ~V 关系曲线。
2、阳极灵敏度测量
1）将电压调节逆时针调到最小，阴极(阳极)开关断开到阳极位置，光源开关合，调节光照度至1 lx （光电阴极有效面积A =8mm ×24mm)。
2）缓慢调节电压调节开关，当电压分别为100V 、200V 、300V 、400V 、500V 、600V 、700V 、800V 、900V 、1000V 时记下电流表的电流值。
3）调节光照度至10 lx （光电阴极有效面积A =8mm ×24mm)，重复2)的实验内容。
4）分别画出两个光照下光电倍增管阳极电流I p 与光电倍增管电压关系曲线。
5）分别计算200V 、400V 、600V 、800V 、1000V 电压下阳极光照灵敏度。
3、阴极灵敏度测量
1）将电压调节逆时针调到最小，阴极(阳极)开关合上到阴极位置，光源开关合，调节光照度至120lx （光电阴极有效面积A =8mm ×24mm)。
2）缓慢调节电压旋钮(0～200V )，比较电流表读数的增幅，直到电流表的值增幅基本不变为止，记下刚进入这个区间时的读数。
3）计算阴极灵敏度)/(Lm A I S K k μΦ
=。
4、光电倍增管增益(放大倍数)的计算
1）计算光照度为1 lx 时，不同电压下的放大倍数； 2）计算光照度为10 lx 时，不同电压下的放大倍数； 3）画出不同光强的G~V 曲线，并对曲线进行分析。
实验数据：（在实验报告后面） 数据处理：
1.画出阳极灵敏度I d ~V 关系曲线：
2.画出光照度为1Lx 时，光电倍增管阳极电流I p 与光电倍增管电压关系曲线：
画出光照度为10Lx 时，光电倍增管阳极电流I p 与光电倍增管电压关系曲线：
3.阴极灵敏度的测量
当光照度调至最大值14.51 lx 时，每隔5 V 比较电流表读数，当电压增至45V 之后，电流表的值增幅值基本不变，此时电流表读数为9.33 uA ()Lm A E 361079.21019251.14--⨯=⨯⨯=⋅=Φ
计算阴极灵敏度()Lm A Lm A I S K k /10
34.310
79.233
.9)/(3
3
μμ⨯=⨯=Φ
=
-
心得体会：
通过该实验基本了解了光电倍增管的基本特性；掌握了光电倍增管基本参数的测量方法；学会了正确使用光电倍增管。
