光電倍增管（Photo Multiplier Tube, PMT)是--種把微弱光信號轉換成電信號輸出，並能獲得很高電子倍增能力的光電探測器件。它是E_T探測器中的一個最關 鍵的重要部件。1934年，庫別茨基(Kubetsky, 1906-1959)提出了光電倍增管雛形；1939年』茲沃雷金（v. K. Zworykin, 1889—1982)製成了實用的光電倍增
管。1942年，Zworykin等人最先提出把光電倍增管應用到電鏡上來；1956年，史 密斯首先採用光電倍增管的組合來探測二次電子，這為改善掃描電鏡圖像的信噪比和分辨力做出了貢獻，並對加速掃描電鏡的實用化和商品化起到了促進作用。我國 在20世紀50年代研製成功實用的光電倍增管。光電倍增管的外形有側面窗和端面 窗兩種結構，二次電子探測器中釆用的是端面窗。光電倍增管主要由光電陰極、電 子光學輸入裝置、電子倍增裝置和陽極四個小部分組成。
光電倍增管是一種高靈敏度的光電轉換器件，管子內部除了光電陰極和陽極 外，在這兩電極之間還設置了多個倍增電極（也稱為打拿極），使用時相鄰的兩倍 增電極之間均加有不同的梯度電位用來加速電子。光電陰極受光照射後釋放出光電 子，光電子在電場的作用下射向第一倍增電極，引起電子的二次發射，產生倍增， 激發出更多的二次電子，然後在電場的作用下這些二次電子飛向下一個倍增電極， 再次產生倍增，激發出比之前更多的二次電子，逐級如此接連不斷地加倍轉換、激發，使每個倍增極上產生的電子數不斷地得到倍增，到達陽極的總增益通常可增加 104〜107倍。這使光電倍增管的靈敏度和增益都比普通光電管要高很多，它常用來 檢測微弱的光信號。光電倍增管這種高靈敏度的特點使它非常適用於掃描電鏡中二 次電子的光電轉換。圖1中的K是光電陰極，D1、D2、D3…是由二次發射體做成的倍增極（打拿極），每個倍增極都做成瓦形曲面狀，以便於能高效地接收從上一級發射出來的電子，經倍增後加速再打到下一級。A是收集電子的陽極——收集極。這些電極的電位是由一路直流高壓經電阻分壓後供給，從陰極到陽極之間的電 位逐步升高，形成梯度遞增電位，每極相差1〜2百伏。在閃爍體發出的微弱輻射 光的照射下，從陰極K上發出的光電子會被加速匯聚到Di、D2、D3…倍增極上依 次逐級倍增，每級的倍增率一般在2〜5倍之間，最高可達6倍。倍增管的總增益 為G=KSn，其中為第一倍增極的接收效率，約0.9; 為倍增極的二次發射比率，估算時一般常取3〜4; n為倍增極的級數減去1,最後的倍增結果由陽極收集後再被放大輸出。
光電倍增管的性能與次級發射體的特性關係很大，它要求次級發射體^發射系 數必須均衡、穩定，而且增益儘可能高，暗電流儘可能小，壽命要長。目前用於光 電倍增管次級發射體的主要材料有K2CsSb. Sb-Cs、Ag-O-Cs、MgO、Cu-Be合金等。
對光電倍增管的要求是：
（1）穩定性要好，光電倍增管的穩定性是由器件本身的特性、工作狀態和環境條件等因素決定的；
（2）使用時不要超過該管子的極限工作電壓，這是指管子所允許施加的電壓上限，若高於此電壓，管子可能會產生放電，甚至有可能打火、擊穿；
(3) 整管的總增益可高達10的7次方倍或以上；
(4) 陰極對藍光的接收靈敏度要高；
(5) 光的反饋要小，有利於提髙信號利用率並降低噪聲;，
(6) 當陰極靈敏度為2000A/lm時，所產生的暗電流及其統計噪聲可忽略。
暗電流指的是倍增管在無輻射時的陽極輸出電流。在正吊情況下，其暗電流是 很小的，一般在在10 -16〜10 -10A之間，影響光電倍增管暗電流的因數很多，其中主要有：
(1) 倍增管電極間的玻璃絕緣體受汙染而造成漏電；
(2) 光電陰極材料的發射閾值較低，在室溫下也會有少量熱電子自由發射，並被倍增放大輸出；
(3) 倍增管中的殘餘氣體被電離，產生正離子和光子，被吸收後也會自動倍
增；
(4) 由於倍增管中個別電極的稜角比較尖銳，形成局部高電場，易產生局部的 場致發射電流；
(5) 潮溼的環境會造成引腳之間漏電，弓丨起暗電流增大或導致輸出不穩定；
(6) 放射性的影響，即在強電場下玻璃殼有時可能會產生放電現象或出現額外玻璃螢光，還有雲母陶瓷絕緣子中可能會含有40K等，這些也有可能引起噪聲和暗電流的增大。
國產GDB-53L倍增管的主要特點和參數如下：
（1）有13級百葉窗式的倍增極，總增益最高可達107倍或以上』 13級的總增 益為G=Kdn。其中K為第一倍增極的接收效率』約0 9; s為二次發射比率，這裡 取3〜4; n為倍增極級數減去1,即13-1=12,從而總增益G也就是在4.8M05〜 1.5M07倍之間，與探測器的要求相符。
（2）陰極材料為銻銫鉀(K2CsSb)，光譜響應頻段在300〜650nm之間，響應主峰值為420nm，藍光靈敏度高，有利於降低統計噪聲。
（3）陽極靈敏度達到2000A/ml時的高壓要求較低，高壓低的管子工作時內部發光較弱，可降低暗電流，提高信噪比。
（4）當陽極靈敏度達到2000A/lm時，暗電流約為1*10 -9A，但陽極輸出電流已大於10uA，所以該管子的暗電流可忽略不計。
（5）上升響應時間快，約為2.5ns
(6) 典型的工作電壓為1.2kV。
(7) 外形幾何尺寸：外徑為51mm、長度為140mm、光敏面直徑為10mm。
圖2 XL-30 型掃描電鏡的PMT具體連接線路
（1）PMT的陰極電位在-400〜-1800V之間連續可調。
（2）改變陰極電位就可以引起圖像襯度（反差）的變化。
（3）到前置放大器的總電流大小取決於倍增極的總級數和各級的轉換倍增效率 (各倍增極的倍增係數與陰極電位有關)。例如，若每級的平均倍增率是4，則10級 的總增益1.02*10 5倍。
光電倍增管的穩定性是由器件本身的特性、工作狀態和環境條件等多種因素決 定的。有些光電倍增管在工作過程中有時會出現輸出不穩定的情況，除了暗電流增 大之外，主要原因還有：
（1）管子內個別電極焊接不良、結構鬆動或個別陰極彈片接觸不良、極間尖端 放電、跳火等引起的跳躍性不穩定現象都會造成信號忽大忽小，使輸出不穩定。
（2）陽極輸出電流太大或因強光照射及照射時間過長而引起輸出降低，停止照 射後又會部分地恢復，對這種現象稱為「疲乏」，當出現這種疲乏現象時會產生連 續性和疲勞性的不穩定現象。
（3）環境條件對穩定性的影響，如環境溫度升高或管子自身的靈敏度下降。
（4）環境中電磁場的幹擾，也會引起工作不穩定。
（5）光陰極表面各點靈敏度不均勻。
（6）若施加的工作電壓超出管子的允許電壓，則有可能會使管子產生放電、打 火，甚至擊穿。
（7）為了提高PMT的信噪比，應防止接地迴路的出現，PMT的外殼不能與樣 品倉外殼直接相連』以免構成接地迴路，增大噪聲，從而影響圖像的信噪比。
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