光电倍增管：光照灵敏度&辐射灵敏度“差别”在哪？

滨松中国

2023.3.31

作者滨松中国

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光电倍增管，作为探测领域的“扛把子”一直深受广大客户的追捧。作为滨松的明星产品，我们也推出过系列文章（点击此处，了解详情）来解析光电倍增管各种参数之间的关系。今天应广大小伙伴的需求，我们又出一期专题来讲解一下光电倍增管阴极（阳极）光照灵敏度和阴极（阳极）辐射灵敏度之间的差异。

要想了解一下光照灵敏度与辐射灵敏度之间的差异，首先需要了解辐射度量和光度量这两个参数。

辐射度量

辐射度量的引入是为了定量描述光辐射。辐射功率是辐射度单位系统中的基本量，仅与辐射物体有关，并且辐射度量系统可以应用于整个电磁波段。基本单位是瓦特（W）或焦耳（J）。在日常应用中，我们经常听到的是辐射通量，它是指光源在单位时间内向各个方向辐射的能量，我们可以表示为：

其中，d是在dt时间内转移的单元能量。辐射通量的单位为瓦特（W）或焦耳/秒（J/S）。

光度量

针对不同频率的辐射，不同的人眼视觉细胞有不同的反应，因此用辐射度量的单位来描述光辐射不能准确反映明暗变化。为了定量的描述人眼对各种频率辐射能的相对灵敏度，引入了视见函数，国际照明委员会从很多人的大量观察结果中取得平均值，得出了视见函数和波长的曲线（参考下图1）。其中虚线是暗视觉视见函数，实线是明视觉视见函数。从图1中我们可以看到人眼对于波长555 nm的绿光最敏感，取视见函数值为1。基本单位是坎德拉（cd），光度量学只适用于可见光波段。我们常听到的光通量，是从数量上描述电磁辐射对视觉的刺激强度引入的新物理量，称为光通量φ_V，也称之为光功率，表达式：

其中φ_V为光通量，单位为lm。C为最大光视效能，数值为683 m/W，为辐通量，单位为W。即辐通量为1 W时，波长等于555 nm的绿光的光通量为683 lm，即1 lm光通量相当的瓦数为1/683（对波长为555 nm而言），其他的波长，1 lm光通量相当的瓦数均大于1/683。

图1 不同波长下的光谱光视效率

所以，辐射灵敏度是绝对的针对全部电磁波段能量的定量描述，而光度量是仅仅针对可见光波段，利用人眼作为探测器的描述，他们之间可以通过视见函数进行转换。

光照灵敏度

阴极（阳极）光照灵敏度是指在特定的光源下，一般选用色温为2856 K的钨丝灯作为标准光源，对应1 lm光的输出电流称之为光照灵敏度。阴极光照灵敏度是指用色温2856 K的钨丝灯，当1 lm的光入射在阴极上，然后在阴极和阳极之间加一定的电压所测试的数据，单位为uA/lm。

对应的，阳极光照灵敏度是指在阴极光照灵敏度的基础上，在倍增级间施加一定的增益电压得到的电流值。一般阴极光照灵敏度乘以倍增电压的增益值，就是阳极的光照灵敏度。

以R928光电倍增管为例。R928为侧窗型光电倍增管，直径为28 mm，光阴极面为多碱。

图2 光电倍增管R928展示

R928的阴极光照灵敏度典型值为250 uA/lm，然后阳极光照灵敏度的典型值为2500 A/lm，他们之间的比值为10⁷，与我们给出的在电压1000 V的增益为10⁷相匹配。

图3 R928电压&增益曲线图

辐射灵敏度

辐射灵敏度也是我们最关注的参数，是指在特定波长下，阴极面发射电流与入射光辐射功率之间的比值，单位为A/W。也可以使用量子效率来表示，他们之间的关系如下式：

其中，h 是普朗克常数，λ是入射光波长(nm)， c是真空中光的速度，e 是电子的电荷量，量子效率用百分比表示。

阴极辐射灵敏度是指用特定波长和特定功率光源照射光电倍增管时的输出，阳极光照灵敏度则是在加了倍增电压下的阳极输出值。阴极辐射灵敏度乘以倍增电压的增益值就是阳极的辐射灵敏度。

以R928光电倍增管为例，波长为400 nm时，阴极的辐射灵敏度典型值为7.4*10⁵ mA/W，阳极的辐射灵敏度为A/W，他们之间的比值为10⁷，与我们给出的在电压1000 V的增益为10⁷相匹配。我们根据阴极辐射灵敏度换算出其量子效率约为23%，与我们给出的量子效率曲线图是一致的，其余波长的量子效率和辐射灵敏度均可以用该方法计算。

图4 R928阴极辐射灵敏度&量子效率曲线

光照灵敏度参数能够有效反映光电倍增管在可见光波段范围内的灵敏度，而辐射灵敏度能够精确到特定波长下的辐射灵敏度，更适合我们来评判光电倍增管的灵敏度参数。所以，我们可以根据使用的场景和或者光源来选择不同参数下的光电倍增管，来满足我们的使用需求。

蓝光灵敏度&红白光灵敏度

为什么要测试蓝光灵敏度呢？在闪烁探测器中使用的闪烁体一般是碘化钠等发光波长为420 nm的闪烁体，闪烁体发出的波长与该滤光片的透过率是非常一致的。所以针对有闪烁体应用的场合中，蓝光灵敏度能够很好地反应光电倍增管的灵敏度情况。

蓝光灵敏度是在光照灵敏度测试时，在光电倍增管的前面加入蓝色滤光片后测其阴极输出的电流。其中使用的滤光片是CS-5-58(康宁公司制)的滤光片，需要把CS-5-58标准样品磨成一半的厚度后，再进行测试。

红白光灵敏度是用来评价光电倍增管在近红外区域的灵敏度特性，测试方法和蓝光灵敏度基本一致。在测试光照灵敏度的条件下，插入红外光滤片后测得光电流除以没有滤光片时入射到光阴极的光电流得出红光灵敏度，此值与阴极光照灵敏度比值，称为红白光灵敏度比。其中所使用的滤光片为IR-D80A(东芝公司制)，除此以外，也用R-68(东芝公司制)。随滤光片的种类不同，红光灵敏度的值也有变化。