光电倍增管技术工艺发展趋势分析
第一节 产品技术发展现状
一、基础工艺不断改进、基础设施不断完善
在光电倍增管的研制过程中，基础工艺不断改进，基础设施也不断完善，取得了如下进展：
1）在电子光学结构设计中，采用专用电子计算机进行电子轨迹的模拟和计算，由于考虑到电子初速与方向，因而比以往任何方法都更精确、更省时。
2）针对光电倍增管制造工艺复杂、批量小、品种多、手工操作多的特点，目前国外许多工序已采用微机控制，实现半自动化生产，大大提高了生产效率和产品质量。
3）对真空卫生和环境条件给予特别的重视，采用超净间、超净台，并采用调温、调湿和保护性气体(干燥氮气)等措施，使零部件在整个加工过程中免除污染。
4）真空系统无油化方面取得较大进展，已普遍采用钦泵、分子泵、冷凝泵。
5）对零部件进行科学的表面处理，通常根据零部件的大小和复杂程度，采用各种规格的专用磨料和清洁剂进行长时间的滚磨，达到去毛刺和抛光去油的目的。
二、光电倍增管的性能参数不断提高
1、高灵敏度侧窗式光电倍增管
Hamamatus的侧窗管由RCA引进，经消化吸收，对这一经典圆笼式的倍增管进行了一系列的结构和工艺改进工作，使产品性能参数超过原始型号931A、931B、1P21、1928等系列管。特别是近年来所开发的具有不透明多碱光电阴极的侧窗管R1477其光照灵敏度已经高达375μA/lm,堪称目前世界上不透明多碱光电阴极的最高水平。
2、高灵敏度、高分辨率端窗式光电倍增管
EMI在生产端窗式高灵敏度光电倍增管中独树一帜。9558B和9659B的阴极光照灵敏度分别是235μA/lm和280μA/lm，特别值得一提的是具有棱镜光窗的9658R的阴极光照灵敏度已高达320μA/lm,是当今光电倍增管界半透明多碱光电阴极的最高水平。
Philips利用快速管工作电压高、具有较高阳极灵敏度的特点，生产出增益高达6×107、相当于阳极光照灵敏度5000A/lm的XP2020。
近年来，由于核医学和其它低能射线能谱
分析的迅速发展、需要高分辨率的光电倍增管。Hamamatus推出的R1306、R1307以及philips生产的3422等高分辨率的光电倍增管，它们对Cs137十Nal(T1)的组合分辨率可达5.4%。
三、特殊功能、特殊结构的光电倍增管
1、耐离温的光电倍增管
在石油和煤炭测井中，大量使用耐高温的光电倍增管，特别是随着超深油井开发技术的发展，更要求光电倍增管在150℃或更高的温度下稳定地工作，为此RCA,开发了一系列锑钾钠光电阴极配以合金材料倍增极的耐高温的光电倍增管，如C31081G、C31059A、C31000AG等。Hamamatus生产的R1044、R1281、R1591-01等为耐175℃的高温管，最近EMI研制出在200℃的温度下能稳定地工作的光电倍增管。
2、高压光电倍增管
近年来，为解决高能物理在深水下检测μ介子和中微子的需要，Hamamatus研制出一种耐高压的光电倍增管。该管阴极直径48mm，倍增系统为盒栅结构，能在600个大气压下稳定地工作，其增益和幅度分辨率不会变化。
3、耐磁光电倍增管
早期的耐磁光电倍增管一般采用非聚焦型百叶窗倍增系统的管型，近年来Hamamatus采用平面近贴栅网倍增系统的新机制，推出了R2063系列4个品种的耐磁光电倍增管，该管能在高达5000高斯的强磁场中稳定地工作。
4、耐震光电倍增管
航天技术的发展对光电倍增管提出了耐震的要求。早期的耐震管其外壳采用金属-陶瓷盘封结构，倍增系统采用百叶窗式倍增系统，因此能承受150g的冲击和60g、48~3000hz的扫频震动。但由于上述管型制造难度大、成本高等原因，近年来Hamamatus在常规光电倍增管的基础生，对管内弹簧片缓冲结构和管外以硅橡胶充填物进行改进，从而派生出现代耐震光电倍增管。前者有18种管型，后者也有6种管型面市。
5、宽光谱的光电倍增管
一般宽光谱光电倍增管的关键主要决定于能适应透紫需要的光窗材料。常用的是透紫玻璃、石英等光窗材料。近年来Hamamatus采用在多碱阴极、银氧艳阴极或Ⅱ-Ⅴ族化合物阴极的光电倍增管上换透紫玻璃、石英或LiF,、MgF2光窗，开发了一系列宽光谱的光电倍增管。
6、超小型光电倍增管
从70年代中期开始，随着便携式仪器及大型光量计的发展Hamamatus先后推出了直径14mm侧窗式光电倍增管R300、R500和直径14 mm端窗式光电倍增管R1468-01近年来该公司又开发了直径仅10mm的超小型端窗式光电倍增管R1893、R1635-02、R2055、R1084等系列管，是世界上最小的光电倍增管。
7、日盲紫外光电倍增管
宇航技术的发展，促使日盲光电倍增管的迅速发展。所谓日盲光电倍增管，实际上就是对太阳光的可见光不灵敏的光电倍增管，它与一般紫外光电倍增管的不同点在于，不仅要有透紫的光窗，而且还要有对太阳可见光区不灵敏的光电阴极。常用的日育紫外光电阴极有碲碱化合物Rb2Te或Cs2Te;卤碱化合物KBr或Csl。近年来EMI采用碲碱化合物阴极开发出光谱响应为190~350mm的G-26、G26H315、G-26H型等日盲光电倍增管;并采用MgF2光窗、卤碱化合物光电阴极而推出了光谱响应为115~190mm的G26E315，G26L314LF等10多个品种的日盲紫外光电倍增管。Hamamatus不仅研制了上述类似的系列管，而且最近又开发了蓝宝石光窗的日盲光电倍增管。
8、负电子亲和势阴极红外光电倍增管
自70年代始至现在，负电子亲和势光电阴极的研制取得了明显的进展，不透明GaAs（Cs）阴极的光照灵敏度已高达1700μA/m，半透明GaAsP（Cs）、GaInAs（Cs）三大系列阴极红外光电倍增管由RCA相继推向市场。但由于工艺难度大，造价昂贵，加上采用该类阴极管型使角赘的局限性，上述三大系列产品的发展势头减缓。吕前只生产G31034、C31034A等8个品种；Hamamatus仅生产GaAs（Cs）阴极系列的R,666等5个品种负电子亲和势红外光电倍增管。其他厂家如EMI、Philips等公司至目前尚未生产该类光电倍增管。
9、量子光电倍增管
所谓量子光电倍增管，实际上就是采用Ⅱ-Ⅴ族化合物作为第一倍增极或全部倍增极次级发射材料的光电倍增管。其光电阴极可以使用Ⅱ-Ⅴ族化合物光电阴极，也可以是双碱、多碱光电阴极。由于这种管型的D1的次级发射系数特别高，以至于能够作为单光子计数，故称为量子光电倍增管，目前RCA推出8850,C31000等4个系列13个品种; Hamamatus也推比了GaAsP作为第一倍增极次级发射材料的R1333型量子光电倍增管。
10、快速光电倍增管
1）经典离散型快速管
由于核物理和空间及时迅速发展的需要，这类管型是目前世界上研制光电倍增管厂家开放的重点产品。衡量快速倍增管想能的技术指标很多，但最有代表性的首推脉冲上升时间。近年来，离散倍增极的快速管性能指标在不断提高，如Philips的XP2020、RCA的C31024，其脉冲上升时间均达1.5ns;Hamamatus的R444、R1413系列（小型侧窗式），其脉冲上升时间已达1.4ns的高水平。
2）缩小阴极面增设漂移区的离散倍增极的袂速光电倍增管
众所周知，漂移区的作用不仅在于保持电子行进的方向和速度不变，而且能减弱电子初速的影响，同时这种管型的阴极使用面积小，因此兼有低噪声和快速的双重特点，如EMI9863、9893B/100等。尽管这类管型有14个倍增极，但由子增设了漂移区，仍可获得脉冲上升时间2.5ns的时间特性。
3）静态及动态正交场快速光电倍增管
静态正交场管由于磁场控制电子运动，从而使电子初速的影响减小，故此管型的脉冲上升时间不超过150 ps。动态正交场管由于偏置倍增极和加强横向磁场的作用，使得阴极在射频场的某一周期中只有半周期内有电子发射，故其脉冲上升时何短于100ps。但遗憾的是上述两种管型虽有快速的优点，但由于磁场的笨重和射频场的麻烦，使用很不方便，故前景并不看好。
11、特殊外壳的光电倍增管
1）大面积光电倍增管
近年来随着核辐射广角探测应用方面的发展，大面积光电倍增管也在继续发展。目前Hamamatus推出18种7.6~51cm的大面积光电倍增管。当前就平面阴极而言，最大直径仍为EMI19.1 cm的9623B;而球面阴极则以Hamamatus51cm的R1499为当今大面积光电倍增管的世界之最。
2)六角形、矩形、槽形、正方形光窗的光电倍堵管
为适应照相机层析x射线摄影机(CT)的需要，近年来六角形、矩形、槽形、正方形光窗的光电倍增管得到了新的发展。RCA和RTC分别推出了六角形光窗的S83022F和PM2422型光电倍增管;Hamamatus开发了矩形光窗R1612、槽形光窗的R 1770、正方形光窗的R2102及六角形光窗的R 1.538-01等光电倍增管。
3）双矩形光窗的光电倍增管
双矩形光窗的光电倍增管是在同一个玻壳丙设置两个同样的倍增系统，光窗呈矩形，而光电阴极一分为二，分别作为各自倍增系统独立的电子源。该管具有3ns的脉冲上升时间，因此可替代5 ns量级的小型光电倍增管在CT中应用。Hamamatus开发的R1548就是该类管型的典型代表。
12、微通道板光电倍增管
从70年代初至今，微通道板作为光电倍增管的倍增系统显示了它的增益高、空间分辨率高、稳定性好、渡越时间和渡越时间分散均很小的诸多优点而特别受到人们的青睐。因此Hamamatus近年来先后开发了静电聚焦型、近贴聚焦型和选通静电聚焦型三个系统5个品种，其中以近贴聚焦型的R1563U、R1564U、R2287U等管型为最佳。由于在光电阴极、微通道板和阳极三者之间均采用近贴聚焦，在不超过3 kV的工作电压下，其电子渡越时间不超过0.85 ns，上升时间不超过0.2ns；且在强磁场下也能稳定地工作。此外上述三种管型都采用了微通道板作为倍增系统，因此在高增益工作状态下，由于空间电荷的影响，电流饱和使其输出脉冲幅度分布将从负指数转为布里渊分布，故有较好的信噪比。
13、多阳极位敏光电倍增管
80年代初，Philips首次将微通道板和多阳极技术相结合制成了世界上第一只多阳极位敏光电倍增管。尔后Hamamatus，在这一技术的基础上进一步发展，形成目前3个系列12个品种。
1）静电聚焦多阳极位敏光电倍增管
该管是在光电阴极和微通道板之间采取静电聚焦，以静电场控制电子轨迹。由于这种多阳极位敏管的阳极收集电子流的方位与阴极受照方位一一对应，呈现出对位置敏感的性能，在CT中获得应用。目前 Hamamatus推出的静电聚焦多阳极位敏管已有R1224,R1820等2个系列6个品种。该管两级微通道板在4.8 kV的工作电压下能给出5×103增益，暗电流小于5 nA电子渡越时间为7ns，脉冲上升时间仅0.5ns。
2）近贴聚焦式多阳极位教光电倍增管
由于该管在光电阴极与微通道板和阳极三者之间均采用近贴聚焦，电子轨迹不受管内静电场的控制，电子轨迹差异更小，因此其分辨率更高。目前Hamamatus推出的近贴聚焦多阳极位敏光电倍增管已形成R1712系列共6个品种。该型管的两级微通道板在3 kV的工作电压下能给出5×103增益，暗电流不超过10n.A，电子渡越时间0.13 ns,脉冲上升时间仅0.2 ns。
第二节 产品工艺特点或流程
一、PMT的重要性能参数
1、暗电流
PMT在全暗条件下工作，阳极上也会有电流输出，这种电流称为暗电流。暗电流决定了PMT所能检测的最小光信号。由于电流的一个重要来源是光阴极和第一倍增极的热电子发射，所以管子冷却会显著降低暗电流。
典型参数是从零点几到几纳安(测试条件:25℃，工作30分后)。
2、响应速度
描述PMT响应快慢的参数是响应时间，定义为当光阴极由光脉冲(脉宽<5OPs)照射时，PMT的输出峰值从10%上升到%需要的时间。PMT的设计和电极间的场强是影响响应时间的主要因素，通常PMT的响应时间为1-20ns，微通道板PMT的响应时间为0.1一0.3ns。在许多应用中，PMT的响应速度是一个优先考虑的选择因素，如荧光寿命测量，高能物理中的飞行时间计数器及激光雷达等。
二、光电倍增管构造参数对应用性能的影响
光子、光电子经过的每一个路径、物理过程都会对输出信号产生影响。下面分几方面阐述各构造单元对其性能的影响。
1、窗材料对性能的影响
窗材料的光学性能主要影响到达光阴极的光谱，当测量紫外光时，窗材料的选择显得更加重要，在低通量计数时，要求窗材料的放射性物质含量极低。窗材料主要有以下几种：
硼硅酸盐玻璃( Borosililate )，这种窗材料适用于入射光波长大于300nm的情况，在大部分情况下低本底的硼硅酸盐玻璃都可适用。
紫外玻璃(LJV glass )，侧窗倍增管大都选用这种材料，其紫外截止波长为18Snmo石英(Quartz )，这种材料截止波长为160nm，并具有低辐射本底的优点。
氟化镁(Magnesium Fluoride )，这种材料截止波长为11 Snm，并具有不含辐射本底的特点。
Al2O3，这种窗材料用在陶瓷壳倍增管中，具有良好的紫外传输性能和低的本底。
2、光阴极类型对性能的影响
光阴极可以由各种化合物组成。每种都有特定的谱响应。最好根据所感兴趣的波长范围来选择，还需考虑工作温度、热离子发射等。常用的光阴极材料主要有以下几种。
Solar Blind (KBr，CsI，RbTe，CsTe),这些材料仅对紫外和紫外光响应，KBr, CsI的长波截止波长为200nm,RbTe.、CsTe的长波截止波长为350 nm。
高温双碱性(Na-K-Sb )，由于这种材料热离子发射低，所以可用于高温管，同时可以用于低通量的光探测。
S 11(SbCs)，早期使用的光阴极材料之一，光谱响应覆盖紫外到可见光区域。
双碱性(Sb-K-Cs } Sb-Rb-Cs )，这种材料正在取代S11型，可提供更好的蓝光响应和低的热离子发射。
S20 Trialkali (Na-K-Sb-Cs)，多碱性的光阴极材料的光谱响应覆盖紫外到红外区域，并可适用于高通量的光探测，可通过冷却的方法降低暗电流。
3、电子倍增系统对性能的影响
电子倍增系统具有低噪声、高增益、宽带等优势。它的输出能满足现有电子设备的输入要求。电子倍增系统包括光电子输入系统和倍增系统。在光电子输入系统中，光电子被电场加速，聚焦于第一倍增极的激活区域。
通过优化设计光电子输入系统，使得对整个光阴极区域的光电子收集最大化，在某些型号的光电倍增管中，采用分离式的聚焦电极，这样就能保证光电倍增管对杂散光源的输出最大化。
4、倍增极的结构对性能的影响
常用的倍增管极结构形式有几种:百叶窗型、环型聚焦型、盒栅型、直线聚焦型等。
百叶窗型具有较为紧凑的结构尺寸、增益高，时间特性、线性、抗磁性均较好。
环型聚焦型最为紧凑，抗磁性好，增益较高，时间特性、线性均好，但增益最小。
盒栅结构紧凑、抗磁性好、增益较高，但时间特性和线性均较差。线性聚焦型的增益最高，时间特性和线性均最好，但结构尺寸最大，抗磁性也最差。
实际上每一种结构形式都是结构尺寸和电性能综合考虑的结果。我们所采用的某种结构形式对其电性能有决定性的影响。要根据实际需要选择合适的结构形式。
5、倍增极表面涂层对性能的影响
倍增极表面涂层影响倍增管的动态线性、温度性能、增益性能(放大倍数)等。
目前使用的表面涂层(二次发射表面)主要有两种。一种是BeCu极，该种倍增极在动态范围内具有较好的线性，工作温度高。另一种是SbCs极，该种倍增极易于激活，较高的增益比，增益的稳定性也很好。
要根据具体的使用条件、性能要求来选择满足要求的倍增极。
6、倍增极数对性能的影响
倍增极数主要影响光电管的增益(放大倍数)性能。倍增管的增益指的是倍增管的电流放大能力，是阳极电流与阴极电流之比：Ik
Ia=GIk
Ia、Ik分别是阳极电流和光阴极电流。
G是光电倍增管的增益。
每个倍增极都对入射于它的电流进行放大。总增益就是这各个倍增极贡献的结果。假如第一倍增极的增益为61，第二倍增极为δ1，第n倍增极为δ2，则有:
Ia=δ1δ2δ3 ．．．．．．δn Ik=G Ik
G=δ1δ2δ3 ．．．．．．δn
每一倍增极的增益(二次发射电子的比率)与入射电子的能量有关，因此与所加的极间电压有关。一般情况来说，每种倍增管都有一个经过特定考虑的(满足测量要求)分压网络，高压电源通过这个分压网络为各倍增极提供一定电位，保证各倍增极之间的电压。总的增益不但与总电压有关，还与分压网络、倍增极极数有关。总电压一定时，倍增极数越多，增益越大。
7、阳极分布参数对性能的影响
阳极的等效电路如图所示：
其等效电路相当于一个理想电流源与输出电阻Ro(>1012Ω )和输出电容Co(<10pF)的并联，测量输出值还受负载电阻RL、负载电容CL的影响。
在脉冲光源时，输出信号还受输入光源的时间特性影响，在大多数情况下输入光源符合指数衰减，下面就以这种光源来
分析输出信号。
面等效电路的时间常数τ=RC，其中
假设按指数衰减的光源的时间常数为τS，那么这种光源所对应的输出信号有下式:
其中N是光脉冲所产生的光电子数。
e是电子电荷
G是倍增管增益
从上面可以看出，阳极的输出电阻、输出电容，测量电路的输入电阻、输入电容，光源的时间参数都影响倍增管的输出信号。
总之，光电倍增管各构造单元对相关性能有着决定性影响，在挑选和使用倍增管时，要根据具体的测量条件如光谱、光强、工作环境条件(温度、冲击、振动)、测量的工作内容等因素挑选试用。并根据测量结果，调整相应参数，重新选用，直至满足使用的要求。
一、金属封装多通道PMT技术
近些年得到广泛应用的MCP-PMT(Microchannel Plate Photomultiplier)金属封装多通道PMT代表了光电倍增管的最新
研究进展。
1、高量子效率，高灵敏度，高响应速度，探测波长向红外延伸，某些型号PMT光谱响应范围可延伸至1200nm。
2、采用金属封装，多通道结构，提高有效光电面积，已有的平板型PMT，其有效光电面积可达89%。
3、采用平板化、多阳极技术，可以小型化，具有二维高分辨率，已有的10×10道阳极，F44的MCP-PMT厚度仅为14.8mm。
4、努力降低暗电流和自身噪声，暗电流最小可达0.5nA，自身噪声可减至5个暗计数/cm2s。
5、将电子管真空技术与半导体技术、微细加工技术、电子轨道技术和周边电路技术相结合。HPD(Hybrid Photo Detector)就是一种结合了电子管真空技术与半导体技术的复合器件。光电转换后的电子经过电场加速，直接照射在CCD或APD上，引起“电子入射倍增效应”。
二、光电倍增管技术发展趋势
1、合金倍增极材料
进一步加强我国在铜敏、铜铝镁、银镁、镍被等合金的攻关工作，早日生产出上述高质量的合金倍增极材料，并提高相应的敏化激活工艺。
2、油蒸汽污染将得到控制
在试制生产光电倍增管的企业，对真空卫生和环境条件给与特别的关注。采用各种超净间、超净台，并采用调温、调湿等措施。真空系统实行无油化，采用钦泵、冷凝泵，尽最大可能免除在生产环节上油蒸汽的污染。
3、零部件的洁挣度得到提高
根据零部件的大小和表面的复杂程度，采用各种规格的专用磨料、清洁剂进行长时间的滚磨以达到去毛刺和抛光去油的目的。
4、工序采用微机控制
由于光电倍增管制造工艺复杂、手工操作多、品种多、批量小、自动化程度低等特点。目前，国外许多工序已采用微机控制，实现半自动化生产而大大提高生产效率和产品的质量。
5、采用电子计算机计算电场和电子轨迹
由于光电倍增管自阴极发出的初始电子其初速度和方向对管子的电场和电子轨迹的影响很大，所以零部件的质量和倍增系统的装配质量对整管的质量起着举足轻重的作用。因而国外厂家对倍增管实行电子光学的结构设计，采用电子计算机计算电场和电子轨迹(考虑光电子的初速和方向)。这样比以往的电介槽法，橡皮膜法更省时、更精确。因而，国外生产厂家在零部件制造和工装模具上不惜投入重金，以使倍增管的零部件、工装模具达到较高的精度。而在国内这方面的差距较大，可以说是制约我国生产光电倍增管的关键，为此我们应在这方面加大力度，迎头赶上。
免责申明：本文仅为中经纵横
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