光電倍增管是一種真空管，由光入射窗、光陰極、倍增級和陽極組成。光子通過光窗照射到光陰極上，光陰極發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子，然后被加速和聚集，進入倍增系統(tǒng)，在倍增極電子通過二次發(fā)射發(fā)生倍增，二次發(fā)射在每個倍增極上重復(fù)，導(dǎo)致陽極接收到的電子團倍增106到107倍，甚至更多。

堿性光陰極

與其他光探測器相比，光電倍增管由于有低噪聲電子倍增器，所有在信噪比方面具有優(yōu)異的特性。為了進一步提高信噪比，獲得更高的靈敏度，光陰極的量子效率也要進一步提高。圖2顯示了量子效率和目前使用的典型光陰極的波長之間的關(guān)系。

光陰極能帶模型

因為光陰極是一種半導(dǎo)體，因此其工作原理可以用能帶理論來描述，能帶理論中有能量帶隙（Εg）、電子親和勢（Εa）、費米能級（Εf）、功函數(shù)（φ）等術(shù)語。圖4顯示了一種堿陰極能帶模型。當(dāng)一個光子擊打光陰極，價帶中的電子吸收光子能量（hv），被激發(fā)到導(dǎo)帶，往光陰極表面擴散。如果這些電子的能量超過了真空勢壘，那么他們就被發(fā)射到真空中。該電子發(fā)射過程被W.E. Spicer 用下式表達。

這叫做Spicer的三步模型，用三步解釋了光電子發(fā)射過程：光吸收過程、電子擴散過程、逸出過程。應(yīng)用這個表達式，可以通過增加擴散長度L來增強光陰極的晶體性質(zhì)，還可以通過增加Ps來降低電子親和勢，來提高量子效率。

高靈敏度堿金屬光陰極

改進光陰極的活化過程，成功地增強了堿陰極的量子效率。該光陰極中，光電面在峰值波長處，平均量子效率可以達到43%，并被命名為頂級雙堿（ultra bialkali），簡稱UBA。除了頂級雙堿，我們還研發(fā)了另一種靈敏度適中的光陰極，名為"超級雙堿"，簡稱SBA，其在350nm波長處的平均量子效率為35%。圖5顯示了UBA、SBA和普通雙堿光陰極的典型光譜響應(yīng)特性。

半導(dǎo)體光陰極的發(fā)展

除了在堿銻化物光陰極上的提升，研究人員亦非常熱衷如GaAs等的半導(dǎo)體光陰極的研發(fā)。這項研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)Cs-O活化處理的半導(dǎo)體晶體表面形成電雙層銫氧化物，會引起表面能帶曲線向下彎曲，因此電子親和勢有一個負(fù)值。這種光陰極被稱為NEA（negative electron affinity，負(fù)電子親和勢）光陰極。圖6顯示了一種被Cs-O活化后的單晶體GaAS的能帶模型。由于NEA允許在導(dǎo)帶底部的電子逸出，它的靈敏度可擴展到電子帶隙對應(yīng)的900nm。

由能帶模型推斷，能量帶隙較高的半導(dǎo)體會有較大的NEA。所以隨著GaAs光陰極的研究，對GaAsP光陰極也開始了研究。圖7顯示了GaAsP 的能帶模型。目前，GaAsP光陰極的峰值量子效率在實際應(yīng)用中可以超過50%。

近紅外光陰極

為了在波長超過1.1um的波段獲得足夠的靈敏度，濱松研發(fā)了InP/InGaAs光陰極。這種光陰極通過在半導(dǎo)體表面蒸鍍一層金屬膜（比如銀）（大概50埃厚度），來形成一個肖特基結(jié)。在肖特基電極和半導(dǎo)體晶體背面加偏置電壓，這樣在光陰極中形成一個電場，大大地降低了表面勢壘，使光電子加速，并把光電子發(fā)射到真空中。

圖8（a）和（b）顯示了異質(zhì)結(jié)場聯(lián)合光陰極的光電子發(fā)射能帶模型。當(dāng)不加偏置電壓時，由于InGaAs 光子吸收層和InP電子發(fā)射層間導(dǎo)帶勢壘ΔEc的存在，吸收層被激發(fā)的光電子不能夠到達發(fā)射表面，如圖8（a）所示。然而，當(dāng)施加某個偏置電壓時，在銀肖特基電極和光陰極內(nèi)部形成耗盡層，耗盡層最終到達InGaAs光吸收層和InP電子發(fā)射層之間的界面，因此在吸收層被激發(fā)的電子可以跨越勢壘到達InP電子發(fā)射層。此外，光電子在InP電子發(fā)射層內(nèi)被加速，使得其從導(dǎo)帶底部Γ到更高能級帶L，并且在維持高能級的情況下從發(fā)射表面被發(fā)射到真空中。

這種光陰極涵蓋了很寬的光譜范圍，從紫外的300nm到近紅外的1600nm，與InGaAs的帶隙相對應(yīng)。整個光譜響應(yīng)范圍內(nèi)幾乎可以獲得平滑的2%的量子效率。

適用于低溫下操作的光陰極

"暗物質(zhì)"在天體物理學(xué)研究中是一個熱門話題。有人曾建議利用光電倍增管來捕獲微弱的紫外光子來探測暗物質(zhì)。這些光子是由于偶然的暗物質(zhì)和閃爍體原子碰撞而發(fā)射出來的。液態(tài)氙（-108℃）或者液態(tài)氬（－186℃）被用作閃爍體。在如此低溫下，光陰極的表面電阻變得很大，導(dǎo)致光陰極電流受限。由于面電阻增大造成的輸出線性特性變差，這對于很多測試是非常致命的。濱松研發(fā)的適用于低溫下操作的光陰極，則可解決這一難題。

傳統(tǒng)的在低溫下運行的光陰極在陰極底部有一層鋁。圖9顯示了傳統(tǒng)帶鋁的光陰極和新型低溫光陰極的典型光譜響應(yīng)特性。新型光陰極在420nm的量子效率大概為28%，雖然比SBA光陰極略低，但是比傳統(tǒng)光陰極高1.5倍。圖10顯示了傳統(tǒng)帶鋁的光陰極和新型低溫光陰極的線性度的比較。當(dāng)在-100°C下工作時，傳統(tǒng)光陰極的輸出線性度在大概0.5nA時開始急速下降，而低溫光陰極在1uA時依然保持線性度，這里，線性度定義為輸出電流偏離初始值-5%時的電流。

適用于高溫操作的光陰極

在油井勘探記錄過程中，為了定位油或者天然氣存儲的位置，探測器需要進入鉆孔深達地下2000米（70°C）到3000米（105°C）。這就需要開發(fā)能夠抵御更高溫度的探測器，研究新的堿源技術(shù)不僅僅是因為鉆井過程中更換新探測器比較困難，也是因為隨著鉆井深度越來越大，對PMT耐高溫的要求也越來越高了。PMT的光陰極在油井勘探的高溫下會逐漸溶解，然而，利用Sb-K-Na混合制造的光陰極可以抵御這樣的高溫。濱松亦開發(fā)了可以在200°C下工作超過1000小時的光陰極。該光陰極在室溫下也有很低的暗電流，是低光量探測和其他需要低噪聲應(yīng)用的理想選擇。

圖11比較了傳統(tǒng)高溫光陰極和新型高溫光陰極的輸出壽命特性?？梢钥闯觯滦凸怅帢O在高溫下的工作壽命是傳統(tǒng)光陰極的大約8倍。

紫外光陰極

運用GaN半導(dǎo)體，我公司成功生產(chǎn)了世界上首只透射式紫外光陰極。GaN通常是通過在藍寶石基底上外延生長形成的。而后來開發(fā)的運用硅基底的GaN生長技術(shù)，使得高質(zhì)量外延薄膜在硅基底上生長成為了可能。

利用該項技術(shù)，硅基底上經(jīng)緩沖層外延生長形成氮化鎵的技術(shù)獲得突破。該技術(shù)使GaN晶體外延生長附著于玻璃窗，后經(jīng)處理只留下氮化鎵薄膜加以使用。我們還使用一種光學(xué)清理方法，利用光來清理晶體表面。該技術(shù)在波長為280nm處獲得了令人滿意的21.5%的量子效率。圖12顯示了GaN光陰極和傳統(tǒng)Cs-Te光陰極的典型光譜響應(yīng)特性。

GaN光陰極目前被用于紫外圖像增強器，可以進行低光量探測和包括半導(dǎo)體晶片檢測、雷曼光譜儀、高壓輸電線電量放電檢測等技術(shù)在內(nèi)的快速多通道（二維）測量。

現(xiàn)在，盡管PMT的部分工作被半導(dǎo)體探測器取代，但隨著PMT光陰極創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，PMT具有了更復(fù)雜的功能和更多的應(yīng)用可能。未來PMT還會被廣泛在高能物理實驗的低光量探測、醫(yī)學(xué)設(shè)備、生物技術(shù)相關(guān)設(shè)備、油井探測設(shè)備以及天文觀察設(shè)備等之中。這些應(yīng)用需要更高的量子效率、更寬的光譜響應(yīng)范圍（延伸到紅外區(qū)域）以及紫外區(qū)域更高的靈敏度。濱松將會繼續(xù)研發(fā)更寬光譜響應(yīng)范圍、更高靈敏度的PMT（QE=100%），以滿足這些特殊應(yīng)用需求。