电子管

比晶体管更快、更耐用、更抗辐射　　由于晶体管的发明，电子管在上世纪60年代一蹶不振，但新的研究却可能让这项技术咸鱼翻身。　　如果你曾拆开过一部老式的收音机，便会看到一些像是小灯泡的东西。它们便是电子管(又称真空管)——今天的硅晶体管的前身。电子管在上世纪60年代重蹈了恐龙的覆辙，但是研究人员如今又让它们起死回生，研制出了比晶体管更快、更耐用的纳米级电子管。这种新器件甚至能够在外层空间强烈的辐射下安全使用。　　在上世纪早期研制出的电子管提供了放大电信号的第一种简便方式。就像电灯泡那样，它们由含有一个加热丝的玻璃灯泡构成。电子管利用电场对真空中的控制栅极注入电子调制信号，并在阳极获得对信号放大或反馈振荡后的不同参数信号数据。　　然而由于晶体管的发明，特别是用化学方法蚀刻硅件从而大量生产晶体管技术的问世，电子管在上世纪五六十年代逐渐走向消亡。晶体管更小、更便宜并且更耐用。它们同时能够被塞进微芯片中，并根据不同的复杂输入信号被开启和闭合，从而为更小、更强大的计算机的研制铺平了道路。　　但是晶体管并非在所有方面都更出色。与真空环境相比，电子在固体中运动得更为缓慢，这也就意味着晶体管通常要慢于电子管 也就是说，计算速度并没有理论上快。此外，半导体更容易受到强辐射的影响，后者能够破坏硅的原子结构，从而使电荷无法正确地运动。这对于军队和航天机构而言可是一个大问题，它们都需要自己的设备能够在辐射强烈的环境中——例如外层空间——正常地工作。　　美国宇航局(NASA)埃姆斯研究中心的工程师Meyya Meyyappan表示：“你我买的电脑与NASA买的电脑是一样的，但用途却大相径庭。NASA花了很长时间使其能够经受强辐射的考验，否则那些安装在航天飞机或空间站中的电脑基本上将被摧毁进而无法运行。”　　新设备是今天的晶体管与古老的电子管的一个杂合体。它既小又容易制造，同时速度快且抗辐射。参与开发“纳米电子管”的Meyyappan指出，它是通过在掺杂着磷的硅上蚀刻小腔洞制造而成。这个腔洞连接着3个电极——一个源极，一个栅极，还有一个漏极。其中源极与漏极仅仅相距150纳米，而栅极则位于顶部。电子由施加的电压从源极释放，而栅极则控制电子穿过腔洞。在5月23日发表于《应用物理学快报》上的这篇论文中，Meyyappan和同事估计，他们的纳米电子管的工作频率高达0.46兆赫——约比现今最好的硅晶体管快10倍。　　这个新产品并非科学家首次尝试将电子管小型化。然而，与之前的工作不同的是，研究人员并不需要追求完全的真空——源极与漏极的距离是如此之小，以至于电子与空气中的原子发生碰撞的几率随之变得极低。Meyyappan说，这便有一个巨大的好处——它为大批量生产打开了一扇大门。　　英国伦敦帝国理工学院的电子工程师Kristel Fobelets对此表示赞同。她说：“真空技术在半导体生产线上的应用将使制造成本变得非常高昂。”但她同时警告说，纳米电子管更像是对“概念的证明”，而不是一个工作装置，这是因为它的操作要求并不符合现代晶体管的要求。例如，打开这一装置需要10伏的电压，而现代晶体管的运行只需要约1伏特的电压 在这一方面，纳米电子管与现代电路并不匹配。　　尽管如此，Meyyappan认为纳米电子管的潜力依然是巨大的。新的电子管固有的对辐射的免疫能力能够为军方和NASA节省许多时间和金钱，而其更快的运行速度使得它成为所谓的兆赫技术的罕有候选者。作为介于微波和红外区域之间的电磁波谱，在兆赫区域能够发现某些分子的“指纹”。例如，这项技术能够用在机场对违禁药物的安检中。　　那么，电子管真能东山再起吗?Meyyappan正是这样想的。他说：“我们正在结合最好的真空技术，以及在过去50年的集成电路制造中获得的最佳经验。”

随着科技的突飞猛进，我们逐渐揭开了光子的神秘面纱。由于光子的微弱特性，直接观测和探测它是一项巨大的挑战。因此，研发出能够探测单个光子的探测器成为了科学家们追求的重要目标。市面上已经有多种单光子探测器，比如光电倍增管、光子计数探头、MPPC和SPAD等。它们各有千秋，但要说到单光子探测的顶尖高手，那非光电倍增管莫属。那么，这些单光子探测器是如何工作的呢？接下来，让我们一一揭开它们的神秘面纱！01 光电倍增管光电倍增管的工作原理如下图所示：当单个光子到达阴极面的时候，由于光电效应会产生光电子，产生的光电子在聚焦电场的作用下进入倍增级实现连续的倍增，从而实现电信号的连续放大，最后通过阳极输出，这个过程就实现了单光子信号的探测。图1 端窗型光电倍增管结构02 光子计数探头除了光电倍增管裸管，也有光电倍增管模块能做到单光子探测，也被称之为光子计数探头。光子计数探头是在能够做单光子探测的光电倍增管的基础上增加了如下的信号处理电路，可以将单光子的输出信号转换为TTL 信号输出，通过对TTL信号进行计数，就可以得到光子数量，方便实际测试。图2 光子信号处理电路03 多像素光子计数器（MPPC）除了上面的真空电子管类型的光子计数探测器之外，目前半导体器件也能够进行光子计数，常见的就是多像素光子计数器，滨松也称之为MPPC，硅光电倍增管。其中，MPPC是一种由多个工作在盖革模式的APD组成的光子计数型器件，其中APD（雪崩光电二极管）是一种具有高速度、高灵敏度的光电二极管，当加有一定的反向偏压后，它就能够对光电流进行雪崩放大。而当APD的反向偏压高于击穿电压时，内部电场就会变强，光电流则会获得105～106的增益，这种工作模式就叫APD的“盖革模式”。在盖革模式下，光生载流子通过倍增就会产生一个大的光脉冲，而通过对这个脉冲的检测，就可以检测到单光子，实现单光子探测！图3 MPPC输出示意图04 单光子雪崩光电二极管（SPAD）除了MPPC之外，半导体探测器中单光子雪崩光电二极管也能进行单光子探测，我们称之为SPAD。SPAD可以理解为它是由单个MPPC像素形成的探测器，它只有一个像素点，也就是只有一个能工作在盖革模式下的APD，所以它无法反映光强度的变化，只能是对光的有无做出反应。而MPPC由于是多个像素的阵列，我们可以根据输出信号的幅度来判断光信号的强度。但是SPAD也能做到单光子的探测。05 光电倍增管单光子探测优势通过以上介绍我们可以看到，目前单光子探测器主要分为真空电子管和半导体探测器两个类型，他们都能实现单光子的探测，那么光电倍增管的优势在哪呢？光敏面积光敏面积是单光子探测中比较关键的一点。相对来说，面积越大，能够探测到的光子数也就越多，同时前端的光路也会相对比较简单，不需要复杂的聚焦系统。由于光电倍增管是真空电子管，我们是可以通过控制阴极面积的大小来决定探测器的光敏区域。目前滨松最大的光电倍增管阴极面直径能做到20英寸，光子计数探头模块阴极面积最大的直径在25毫米，能够满足不同光斑大小的探测需求。但是对于MPPC来讲，由于面积大小与其性能有直接联系，比如，暗计数率同光敏面积成正比，面积的增加会导致暗计数率的增加。由于半导体的固有热噪声较大，暗计数会随着面积的增加进一步导致波形堆叠，难以对单光子信号进行分析。此外，面积越大，寄生电容越大，影响MPPC的响应速度。暗计数暗计数是指探测器在没有光子进入的时候，探测器本身的信号输出。其中光电倍增管是真空电子管器件，噪声的主要来源是阴极面的热电子发射，暗计数的值大概在百个级别，常见的光子计数探测器H10682-110，典型的暗计数在50 cps，最大值在100 cps。而MPPC和SPAD是半导体探测器，不仅光子可以产生载流子，热电子也会产生载流子，热电子生成的载流子也具有单光子水平的信号电平，并且暗计数的水平明显高于光电倍增管的暗计数，暗计数的值大概上千，常见的MPPC光子计数模块C13366-1350GD，典型的暗计数在2.5 kcps，最大值在7 kcps。弱光信噪比不管是真空电子管还是半导体探测器，他们都能实现单光子探测，但是由于噪声的存在，相同信号的输入，会导致不同的信噪比。相对来说，信噪比越大，说明其中的噪声比较小，能够有效地反映信号的情况。通过对比目前滨松常见的光子计数探头和半导体光子探测器型号在同样光强环境下的信噪比，可以看到，在弱光环境中，光电倍增管具有一个很好的信噪比。图4 不同类型探测器弱光信噪比对比（光子计数探头&MPPC&SPAD）通过以上对比我们可以看到，光电倍增管在单光子探测中，具有面积大、噪声小、信噪比高的特点，所以在弱光探测环境中，我们还是推荐使用光电倍增管！以上就是本期的讲解，如果还有其他问题，欢迎评论区留言或者直接联系相关工程师获取技术支持。相关阅读喏，你要的光电倍增管全解析在这里~想了解光电倍增管原理及应用，这一场报告就够了关于光电倍增管（PMT）模块的选型与使用光电倍增管：光照灵敏度&辐射灵敏度“差别”在哪？光电倍增管动态范围的定义不是？而是？光电倍增管（PMT）分压器设计原理

下一代光电倍增管(μPMT)问世 PMT技术发展何去何从?　　——“2010(第19届)北京 HAMAMATSU技术交流会”在长沙举行　　仪器信息网讯 2010年10月31日-11月2日，日本滨松光子学株式会社(以下简称“日本滨松”)与北京滨松光子技术股份有限公司(以下简称“北京滨松”)在长沙和一国际大酒店共同举办“2010(第19届)北京HAMAMATSU技术交流会”。本次技术交流会以“光电倍增管、光源的相关技术与应用”为主题，来自日本滨松电子管事业部和北京滨松的专家做了现场报告并解答用户提问。　　120余名来自核电、分析仪器、医疗、环境等领域的滨松用户参加了本次交流会。日本滨松常务取缔役、北京滨松董事长竹内纯一先生，北京滨松总经理席与霖先生，总经理助理兼第一事业部部长段鸿滨先生等滨松集团高层出席。仪器信息网作为特邀媒体也参加了本次交流会。　　交流会现场　　日本滨松常务取缔役、北京滨松董事长 竹内纯一先生　　报告题目：日本滨松光子学株式会社整体公司介绍　　北京滨松光子股份有限公司总经理席与霖先生出席技术交流会　　竹内纯一先生首先对日本滨松的发展历程、公司宗旨以及公司各个事业部的发展情况做了整体介绍，他在报告中说到：日本滨松成立于1953年，至今已有57年的历史。“Photon is Our Business”，公司长期致力于光子相关技术的探索。目前，公司下设电子管事业部、固体事业部、系统事业部、激光部大部门，分别生产不同产品(详细见表1)。除产品研发部门外，公司另设有中央研究院，专门从事跟光子相关的、具有开拓性的研究，这些研究立足于未来，非常具有前瞻性。　　表1 日本滨松四大部门所生产的产品部门产品电子管事业部光电倍增管（PMT）、各种光源（灯）、微聚焦X线源、像增强器等产品。固体事业部光电二极管、光IC、图像传感器（CCD、CMOS、NMOS等）、发光器件等产品。系统事业部应用在生物、医疗、半导体芯片领域的各种测量仪器，如超高灵敏度、超高速数码相机，图像处理，条纹相机等产品。激光部大功率半导体激光器等产品。　　(备注：本表根据竹内纯一先生的介绍内容整理而成。)　　日本滨松研发出的微光电倍增管(micro μPMT)　　电子管事业部近期研发出了全球首款采用MEMS技术的微光电倍增管(即micro μPMT)，该产品只有大拇指大小，长7mm，宽5mm，厚2mm，其制作工艺是通过MEMS技术在硅底板上形成光电面及电子倍增部(倍增电极)，用两张玻璃底板将其夹住形成，这种构造的最大特点是可轻松进行批量生产。μPMT的工作原理与原来的PMT相同，性能方面也毫不逊色。预计该产品将从2011年1月开始样品供货，主要面向利用μPMT进行研究开发用途的用户。　　日本滨松电子管事业部营业推进部部长 袴田敏一先生　　报告题目：光电倍增管新产品的动向、应用及其他常识　　袴田敏一先生的报告内容主要分为两部分，即滨松光电倍增管产品的研究动向及其在使用中的注意事项。袴田敏一先生认为，日本滨松的光电倍增管产品正往五个方向发展：(1)其量子化效率提高，感应波长向长波方向延伸；(2)其响应速度提高；(3)其外壳采用金属封装，并实现多通道；(4)其暗电流与本身材料本底降低；(5)倍增极放大倍数提高。针对以上五个方面，日本滨松均推出了相应的产品，供不同需求的用户选择。　　北京滨松的光电倍增管模块产品　　此外，袴田敏一先生还指出了光电倍增管的技术方向：未来真空管技术将与半导体技术相融合，光电倍增管将向模块化、集成化、通用化发展。日本滨松将向光电倍增管技术的极限挑战——力争使光电倍增管的量子效率增至100%，而噪声降至0。　　袴田敏一先生最后提醒广大用户在使用光电倍增管的过程中要注意高压电源、分压器、磁场等光电倍增管周边器件对其性能的影响，同时不能忽视温度、湿度、气压、振动等环境因素的作用。　　北京滨松光子技术股份有限公司新产品开发部 李妙堂先生　　报告题目：PMT在放射测量(闪烁计数)中的应用　　李妙堂先生的报告主要涉及三方面内容：(1)闪烁探测器的组成、工作原理、特点与应用；(2)闪烁探测器的性能与特性；(3)闪烁探测器的设计技术。　　李妙堂先生在报告中指出：闪烁探测器是由闪烁体和光电倍增管组合而成，是目前常用的核测量探测器之一。可以从能量分辨率、坪特性、探测效率、本底、计数速率、灵敏度、稳定性等多个方面去衡量闪烁探测器的性能。设计闪烁探测器涉及闪烁体的选择、光电倍增管的选择、光收集系统、分压器的设计、输出回路、前置放大器的设计、闪烁计数的稳定电路等方面，设计者要综合考虑各方面因素。　　日本滨松光子学株式会社电子管事业部第4制造部制造部长 松下孝二先生　　报告题目：日本滨松光子学株式会社的光源产品　　松下孝二先生介绍到：日本滨松的光源产品涵盖氘灯、氙灯、汞氙灯、空心阴极灯等种类，广泛应用于半导体、医疗、分析仪器、环境检测、信息等领域。光源的性能可从波长范围、光能输出量、稳定性、寿命等方面来判断。　　他详细介绍了滨松的氘灯系列产品。L2D2系列氘灯是专门为分析仪器开发的产品，具有高稳定性、长使用寿命、高光能输出等特点，可应用于高效液相色谱、紫外可见分光光度计、原子吸收分光光度计等仪器。X2D2系列氘灯在L2D2的基础上，性能又有所提升，其亮度是传统氘灯的两倍，适用于高分辨率、高通量分析仪器。而新近研发的S2D2系列小氘灯性能稳定、形状小巧，非常适用于便携式分析仪器。　　日本滨松光子学株式会社电子管事业部第四制造部 上野和夫先生　　报告题目：光源产品的使用方法　　上野和夫先生针对滨松的汞氙灯、脉冲氙灯、氘灯三大类光源产品介绍了使用过程中所出现问题的原因以及如何应对。光源在使用过程中，可能会遇到诸如灯无法点亮、输出不稳定、输出衰减、灯破损等问题，不同种类的光源产生上述问题的原因是不一样的。用户要仔细分析，有针对性的排除不利因素。　　技术交流会现场，日本滨松公司在会场还设立了产品展区。用户们仔细地观看所展出的产品，并在报告提问环节反应热烈，提问踊跃。　　用户踊跃提问用户仔细观看滨松产品　　技术交流会举办地：长沙和一国际大酒店　　附录1：北京滨松光子技术股份有限公司　　http://www.bhphoton.com/ 　　附录2：日本滨松光子学株式会社　　http://www.hamamatsu.com/