摘要：光電倍增管（光電倍增管，Photo Multiplier Tube）是一種靈敏度非常高的光探測器件。文章中介紹了光電倍增管的基本工作原理、分類以及磁場對(duì)其性能的影響，并總結(jié)了磁場屏蔽的措施及注意事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞：光電倍增管;磁場;屏蔽
《光學(xué)與光電技術(shù)》（雙月刊）2003年創(chuàng)刊，屬無線電電子學(xué)電信技術(shù)類學(xué)術(shù)型刊物，是民用與軍用相結(jié)合怕綜合性光電技術(shù)信息載體，由中國船舶重工集團(tuán)公司華中光電技術(shù)研究所與湖北省光學(xué)學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦。
0 引言
光電倍增管（Photo Multiplier Tube，簡稱PMT）是一種靈敏度極高且響應(yīng)速度極快的真空光電器件。在極弱光信號(hào)及極快速脈沖信號(hào)探測方面，占據(jù)重要的地位，其可廣泛應(yīng)用于光學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療和石油測井等領(lǐng)域。
在光電倍增管的實(shí)際應(yīng)用中，周圍環(huán)境中溫度、濕度、電場及磁場等因素均會(huì)對(duì)其性能帶來影響。本文重點(diǎn)圍繞磁場對(duì)光電倍增管性能的影響進(jìn)行分析討論。
1 光電倍增管的工作原理
光電倍增管是一種把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的真空光電器件，主要由入射窗、光陰極面、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增系統(tǒng)和陽極等共同組成。
入射的光子穿過入射光窗到達(dá)PMT的光陰極面，光陰極面發(fā)生光電效應(yīng)，產(chǎn)生光電子并將其發(fā)射到真空中。光電子經(jīng)過聚焦極匯總至第一倍增級(jí)，然后再相繼經(jīng)過各倍增級(jí)，進(jìn)行倍增，最后放大后的光電子通過陽極輸出。光電倍增管的典型構(gòu)造圖如圖1所示。
2 光電倍增管的分類
根據(jù)光束的進(jìn)入方式，通常將光電倍增管分為端窗型和側(cè)窗型兩大類[2]，如圖2所示。在端窗型光電倍增管中，光束是從管殼的頂部進(jìn)入入射窗;在側(cè)窗型光電倍增管中，光束是從管殼的側(cè)面進(jìn)入入射窗中。
3 磁場對(duì)光電倍增管性能的影響
3.1 磁場介紹
磁場是指傳遞實(shí)物間磁力作用的場，是一種看不見、摸不著的特殊物質(zhì);是由運(yùn)動(dòng)電荷或電場的變化而產(chǎn)生。通常把磁場分為電磁場和地磁場兩大類。
電磁場是指有內(nèi)在聯(lián)系、相互依存的電場和磁場的統(tǒng)一體的總稱。隨時(shí)間變化的電場產(chǎn)生磁場，隨時(shí)間變化的磁場產(chǎn)生電場，兩者互為因果，形成電磁場。電磁場可由帶電粒子或電流引起。
地磁場是分布于地球周圍空間的一種磁場。通常將地磁場分為靜磁場和動(dòng)磁場兩個(gè)部分。其中靜磁場來源于固體地球內(nèi)部，是地磁場的主要部分，約占地球磁場的99%;動(dòng)磁場來源于地球外部，包括地磁場的各種短期變化，相對(duì)比較微弱。本文中提及的地磁場是指靜磁場，其磁場強(qiáng)度約為0.02～0.05mT。
3.2 磁場的影響
光電倍增管的光陰極面產(chǎn)生的光電子在真空中作長距離飛行時(shí)，環(huán)境中存在的磁場將改變電子軌跡，使得光電倍增管的第一倍增級(jí)只能接收到少量電子，甚至接收不到電子，從而降低了光電倍增管的靈敏度。
一般而言，從陰極到第一倍增級(jí)的距離越長，即電子在真空管中飛行的距離越長，就越容易受到磁場的影響。所以端窗型、特別是大口徑的光電倍增管更容易受到影響[1];相對(duì)而言，側(cè)窗型光電倍增管的光陰極和第一倍增級(jí)的距離較近，受到磁場的影響較小。
將端窗型和側(cè)窗型的光電倍增管放置于不同強(qiáng)度的磁場中，光電倍增管與磁場方向的相對(duì)位置如圖3[4]所示。由測試數(shù)據(jù)可知，側(cè)窗型光電倍增管幾乎不受磁場的影響，而磁場對(duì)端窗型光電倍增管的影響較大，即使磁場強(qiáng)度微弱的地磁場也會(huì)影響光電倍增管的光輸出，磁場對(duì)光電倍增管性能的影響如圖4[4]所示。
3.3 磁化
光電倍增管的倍增極基底通常由鐵磁性材料制成。其引出線、電極等同樣使用類似的鐵磁性金屬材料。一般情況下，在類似地磁場的磁場強(qiáng)度下使用，影響不大。如果磁場強(qiáng)度超過倍增級(jí)基底和電極材料允許的初始磁導(dǎo)率，這些材料容易進(jìn)入磁化狀態(tài)，即光電倍增管離開磁場后，磁場仍殘存一部分，這時(shí)光電倍增管無法正常工作，性能大受影響。所以在使用光電倍增管時(shí)，需特別注意避免接近電源變壓器和磁鐵等物體。
4 磁場的屏蔽
在精密光學(xué)儀器或者強(qiáng)磁場中使用光電倍增管時(shí)，通常需要在光電倍增管的四周增加屏蔽筒，利用磁場在高磁導(dǎo)率物體內(nèi)側(cè)變?nèi)醯脑韀3]，減弱磁場對(duì)光電倍增管性能的影響。在此，需要注意的是和電場屏蔽有所不同，對(duì)磁場不可能用所謂的導(dǎo)體將磁場完全屏蔽，只能 “減弱”。并且對(duì)于地磁場、強(qiáng)磁場和高頻磁場等不同環(huán)境，我們需要選擇合適的材料和方法，以達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。
4.1 屏蔽度
屏蔽度是指使用高導(dǎo)磁率材料制成的屏蔽筒對(duì)光電倍增管進(jìn)行屏蔽后，筒外與筒中磁場的比值S，計(jì)算方法如公式（1）[4]所示。
4.2 屏蔽效果
假設(shè)屏蔽筒的屏蔽度是10，當(dāng)外部磁場強(qiáng)度為3mT時(shí)，理想狀態(tài)下，屏蔽筒內(nèi)的磁場強(qiáng)度為0.3mT。在實(shí)際的應(yīng)用中，屏蔽效果比理想狀態(tài)略低一些。在實(shí)際的組裝制造中，屏蔽筒的長度只能比光電倍增管長數(shù)厘米，而屏蔽度10是指屏蔽筒的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于光電倍增管的長度而言，所以實(shí)測的結(jié)果為光電倍增管兩端的屏蔽效果將有所下降，如圖5[4]所示。
4.3 測試數(shù)據(jù)
常規(guī)使用的探測器外殼沒有必要全用高磁導(dǎo)率材料來做，而只需將光電倍增管放入圓屏蔽筒即可。按照經(jīng)驗(yàn)來看，作為屏蔽材料一般以坡莫合金為最好。我們選取了不同規(guī)格的坡莫合金（1J85）筒，進(jìn)行了地磁場的屏蔽測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示，磁場方向與屏蔽筒的相對(duì)位置如圖6所示。
由實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過坡莫合金制成的屏蔽筒對(duì)地磁場進(jìn)行屏蔽后，磁場強(qiáng)度明顯減弱。隨著屏蔽筒直徑、長度及厚度相關(guān)尺寸的增加，屏蔽效果更加明顯。
5 結(jié)束語
本文主要圍繞光電倍增管的工作原理、分類以及磁場對(duì)光電倍增管性能的影響進(jìn)行了介紹，并且針對(duì)磁場的屏蔽措施及產(chǎn)生的效果進(jìn)行了深入的分析討論。對(duì)于在實(shí)際應(yīng)用中，如何降低磁場對(duì)光電倍增管性能的影響，具有一定的指導(dǎo)意義。
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文章名稱：淺析磁場對(duì)光電倍增管性能的影響
