浅析磁场对光电倍增管性能的影响

张少芹

摘要：光电倍增管（光电倍增管，Photo Multiplier Tube）是一种灵敏度非常高的光探测器件。文章中介绍了光电倍增管的基本工作原理、分类以及磁场对其性能的影响，并总结了磁场屏蔽的措施及注意事项。

关键词：光电倍增管;磁场;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

光电倍增管（Photo Multiplier Tube，简称PMT）是一种灵敏度极高且响应速度极快的真空光电器件。在极弱光信号及极快速脉冲信号探测方面，占据重要的地位，其可广泛应用于光学分析、环境监测、医疗和石油测井等领域。

在光电倍增管的实际应用中，周围环境中温度、湿度、电场及磁场等因素均会对其性能带来影响。本文重点围绕磁场对光电倍增管性能的影响进行分析讨论。

1  光电倍增管的工作原理

光电倍增管是一种把光信号转化成电信号的真空光电器件，主要由入射窗、光阴极面、电子光学系统、倍增系统和阳极等共同组成。

入射的光子穿过入射光窗到达PMT的光阴极面，光阴极面发生光电效应，产生光电子并将其发射到真空中。光电子经过聚焦极汇总至第一倍增级，然后再相继经过各倍增级，进行倍增，最后放大后的光电子通过阳极输出。光电倍增管的典型构造图如图1所示。

2  光电倍增管的分类

根据光束的进入方式，通常将光电倍增管分为端窗型和侧窗型两大类[2]，如图2所示。在端窗型光电倍增管中，光束是从管壳的顶部进入入射窗;在侧窗型光电倍增管中，光束是从管壳的侧面进入入射窗中。

3  磁场对光电倍增管性能的影响

3.1 磁场介绍

磁场是指传递实物间磁力作用的场，是一种看不见、摸不着的特殊物质;是由运动电荷或电场的变化而产生。通常把磁场分为电磁场和地磁场两大类。

电磁场是指有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体的总称。随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场可由带电粒子或电流引起。

地磁场是分布于地球周围空间的一种磁场。通常将地磁场分为静磁场和动磁场两个部分。其中静磁场来源于固体地球内部，是地磁场的主要部分，约占地球磁场的99%;动磁场来源于地球外部，包括地磁场的各种短期变化，相对比较微弱。本文中提及的地磁场是指静磁场，其磁场强度约为0.02～0.05mT。

3.2 磁场的影响

光电倍增管的光阴极面产生的光电子在真空中作长距离飞行时，环境中存在的磁场将改变电子轨迹，使得光电倍增管的第一倍增级只能接收到少量电子，甚至接收不到电子，从而降低了光电倍增管的灵敏度。

一般而言，从阴极到第一倍增级的距离越长，即电子在真空管中飞行的距离越长，就越容易受到磁场的影响。所以端窗型、特别是大口径的光电倍增管更容易受到影响[1];相对而言，侧窗型光电倍增管的光阴极和第一倍增级的距离较近，受到磁场的影响较小。

将端窗型和侧窗型的光电倍增管放置于不同强度的磁场中，光电倍增管与磁场方向的相对位置如图3[4]所示。由测试数据可知，侧窗型光电倍增管几乎不受磁场的影响，而磁场对端窗型光电倍增管的影响较大，即使磁场强度微弱的地磁场也会影响光电倍增管的光输出，磁场对光电倍增管性能的影响如图4[4]所示。

3.3 磁化

光电倍增管的倍增极基底通常由铁磁性材料制成。其引出线、电极等同样使用类似的铁磁性金属材料。一般情况下，在类似地磁场的磁场强度下使用，影响不大。如果磁场强度超过倍增级基底和电极材料允许的初始磁导率，这些材料容易进入磁化状态，即光电倍增管离开磁场后，磁场仍残存一部分，这时光电倍增管无法正常工作，性能大受影响。所以在使用光电倍增管时，需特别注意避免接近电源变压器和磁铁等物体。

4  磁场的屏蔽

在精密光学仪器或者强磁场中使用光电倍增管时，通常需要在光电倍增管的四周增加屏蔽筒，利用磁场在高磁导率物体内侧变弱的原理[3]，减弱磁场对光电倍增管性能的影响。在此，需要注意的是和电场屏蔽有所不同，对磁场不可能用所谓的导体将磁场完全屏蔽，只能 “减弱”。并且对于地磁场、强磁场和高频磁场等不同环境，我们需要选择合适的材料和方法，以达到最优的状态。

4.1 屏蔽度

屏蔽度是指使用高導磁率材料制成的屏蔽筒对光电倍增管进行屏蔽后，筒外与筒中磁场的比值S，计算方法如公式（1）[4]所示。

4.2 屏蔽效果

假设屏蔽筒的屏蔽度是10，当外部磁场强度为3mT时，理想状态下，屏蔽筒内的磁场强度为0.3mT。在实际的应用中，屏蔽效果比理想状态略低一些。在实际的组装制造中，屏蔽筒的长度只能比光电倍增管长数厘米，而屏蔽度10是指屏蔽筒的长度远远长于光电倍增管的长度而言，所以实测的结果为光电倍增管两端的屏蔽效果将有所下降，如图5[4]所示。

4.3 测试数据

常规使用的探测器外壳没有必要全用高磁导率材料来做，而只需将光电倍增管放入圆屏蔽筒即可。按照经验来看，作为屏蔽材料一般以坡莫合金为最好。我们选取了不同规格的坡莫合金（1J85）筒，进行了地磁场的屏蔽测试，测试数据如表1所示，磁场方向与屏蔽筒的相对位置如图6所示。

由实测数据可以看出，经过坡莫合金制成的屏蔽筒对地磁场进行屏蔽后，磁场强度明显减弱。随着屏蔽筒直径、长度及厚度相关尺寸的增加，屏蔽效果更加明显。

5  结束语

本文主要围绕光电倍增管的工作原理、分类以及磁场对光电倍增管性能的影响进行了介绍，并且针对磁场的屏蔽措施及产生的效果进行了深入的分析讨论。对于在实际应用中，如何降低磁场对光电倍增管性能的影响，具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]丁凯奇，等.地磁场对光电倍增管增益的影响[J].核电子学与探测技术，2011，31（4）：386-390.

[2]武兴建，等.光电倍增管原理、特性与应用[J].国外电子元器件，2001，8：13-17.

[3]吉朋松.核测井仪器中的磁屏蔽研究[J].测井技术，1998，22（4）：284-286.

[4]Photomultiplier Tubes. HAMAMATSU （2006）.