淺析磁場對光電倍增管性能的影響

張少芹

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、分類以及磁場對其性能的影響，并總結了磁場屏蔽的措施及注意事項。

關鍵詞：光電倍增管;磁場;屏蔽

Abstract： Photo Multiplier Tube is a photodetector with very high sensitivity. The article introduces the basic working principle and classification of the Photo Multiplier Tube and the influence of the magnetic field on its performance， and summarizes the measures and precautions for magnetic field shielding.

Key words： Photo Multiplier Tube;magnetic field;shielding

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速度極快的真空光電器件。在極弱光信號及極快速脈沖信號探測方面，占據重要的地位，其可廣泛應用于光學分析、環境監測、醫療和石油測井等領域。

在光電倍增管的實際應用中，周圍環境中溫度、濕度、電場及磁場等因素均會對其性能帶來影響。本文重點圍繞磁場對光電倍增管性能的影響進行分析討論。

1? 光電倍增管的工作原理

光電倍增管是一種把光信號轉化成電信號的真空光電器件，主要由入射窗、光陰極面、電子光學系統、倍增系統和陽極等共同組成。

入射的光子穿過入射光窗到達PMT的光陰極面，光陰極面發生光電效應，產生光電子并將其發射到真空中。光電子經過聚焦極匯總至第一倍增級，然后再相繼經過各倍增級，進行倍增，最后放大后的光電子通過陽極輸出。光電倍增管的典型構造圖如圖1所示。

2? 光電倍增管的分類

根據光束的進入方式，通常將光電倍增管分為端窗型和側窗型兩大類[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入入射窗;在側窗型光電倍增管中，光束是從管殼的側面進入入射窗中。

3? 磁場對光電倍增管性能的影響

3.1 磁場介紹

磁場是指傳遞實物間磁力作用的場，是一種看不見、摸不著的特殊物質;是由運動電荷或電場的變化而產生。通常把磁場分為電磁場和地磁場兩大類。

電磁場是指有內在聯系、相互依存的電場和磁場的統一體的總稱。隨時間變化的電場產生磁場，隨時間變化的磁場產生電場，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磁場兩個部分。其中靜磁場來源于固體地球內部，是地磁場的主要部分，約占地球磁場的99%;動磁場來源于地球外部，包括地磁場的各種短期變化，相對比較微弱。本文中提及的地磁場是指靜磁場，其磁場強度約為0.02～0.05mT。

3.2 磁場的影響

光電倍增管的光陰極面產生的光電子在真空中作長距離飛行時，環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];相對而言，側窗型光電倍增管的光陰極和第一倍增級的距離較近，受到磁場的影響較小。

將端窗型和側窗型的光電倍增管放置于不同強度的磁場中，光電倍增管與磁場方向的相對位置如圖3[4]所示。由測試數據可知，側窗型光電倍增管幾乎不受磁場的影響，而磁場對端窗型光電倍增管的影響較大，即使磁場強度微弱的地磁場也會影響光電倍增管的光輸出，磁場對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度下使用，影響不大。如果磁場強度超過倍增級基底和電極材料允許的初始磁導率，這些材料容易進入磁化狀態，即光電倍增管離開磁場后，磁場仍殘存一部分，這時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，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

在精密光學儀器或者強磁場中使用光電倍增管時，通常需要在光電倍增管的四周增加屏蔽筒，利用磁場在高磁導率物體內側變弱的原理[3]，減弱磁場對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，對磁場不可能用所謂的導體將磁場完全屏蔽，只能 “減弱”。并且對于地磁場、強磁場和高頻磁場等不同環境，我們需要選擇合適的材料和方法，以達到最優的狀態。

4.1 屏蔽度

屏蔽度是指使用高導磁率材料制成的屏蔽筒對光電倍增管進行屏蔽后，筒外與筒中磁場的比值S，計算方法如公式（1）[4]所示。

4.2 屏蔽效果

假設屏蔽筒的屏蔽度是10，當外部磁場強度為3mT時，理想狀態下，屏蔽筒內的磁場強度為0.3mT。在實際的應用中，屏蔽效果比理想狀態略低一些。在實際的組裝制造中，屏蔽筒的長度只能比光電倍增管長數厘米，而屏蔽度10是指屏蔽筒的長度遠遠長于光電倍增管的長度而言，所以實測的結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 測試數據

常規使用的探測器外殼沒有必要全用高磁導率材料來做，而只需將光電倍增管放入圓屏蔽筒即可。按照經驗來看，作為屏蔽材料一般以坡莫合金為最好。我們選取了不同規格的坡莫合金（1J85）筒，進行了地磁場的屏蔽測試，測試數據如表1所示，磁場方向與屏蔽筒的相對位置如圖6所示。

由實測數據可以看出，經過坡莫合金制成的屏蔽筒對地磁場進行屏蔽后，磁場強度明顯減弱。隨著屏蔽筒直徑、長度及厚度相關尺寸的增加，屏蔽效果更加明顯。

5? 結束語

本文主要圍繞光電倍增管的工作原理、分類以及磁場對光電倍增管性能的影響進行了介紹，并且針對磁場的屏蔽措施及產生的效果進行了深入的分析討論。對于在實際應用中，如何降低磁場對光電倍增管性能的影響，具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]丁凱奇，等.地磁場對光電倍增管增益的影響[J].核電子學與探測技術，2011，31（4）：386-390.

[2]武興建，等.光電倍增管原理、特性與應用[J].國外電子元器件，2001，8：13-17.

[3]吉朋松.核測井儀器中的磁屏蔽研究[J].測井技術，1998，22（4）：284-286.

[4]Photomultiplier Tubes. HAMAMATSU （2006）.