這種現象可以通過將光理解為粒子來解釋：在1900年，馬克斯·普朗克引入了“作用量子”的概念，以描述溫度和輻射能量之間的正確關系^[6]之后，愛因斯坦將這種量子化概念應用于光能量本身。因此，光被劃分為大小為E=h*c/λ的能量包，其中h是普朗克常數。如果一個具有特定能量E的光粒子撞擊金屬表面，該能量可以被吸收，并可以將一個電子從陰極材料的結構中釋放出來。然而，要發生這種情況，光子必須至少具有與將電子束縛在材料中的能量相同的能量。這就是上述由功函數WA描述的最小能量。能量較低的光粒子無法釋放任何電子，無論單位時間內有多少光粒子撞擊表面（即強度）。由于c和h是物理常數，光子能量僅取決于波長λ，實際上與波長成反比。當波長超過某個值λmin時，光子的能量E=c/λmin將小于功函數，此時測量儀器將不會顯示任何電流。

波長較短的光子能夠釋放電子，并且我們發現這些電子的動能與波長呈線性關系，其表達式為：Ekin = h*c/λ – WA，但與輻射強度（光子密度）無關。在較高輻射強度下，最初的變化僅是產生更多的自由電子。

圖2展示了鋅的這一關系。從圖中可以看出，要檢測到光電效應，光的波長至少要短于約280納米。因此，鋅陰極不適用于可見光。所用材料的功函數應盡可能低。從元素周期表可以看出，堿金屬尤其適用，因為它們的最外層電子與原子核的結合非常弱。因此，光電陰極的有效成分通常是堿金屬或其混合物（例如Cs、Rb、K、Na）。為了在可見光范圍內獲得良好的效果，現在也經常在光電陰極材料中使用半導體晶體（例如GaAsP）。更多細節可在濱松光電倍增管手冊^[7]中找到。這也適用于以下所有章節，尤其是關于光電倍增管特性的部分。

選擇檢測器的關鍵參數是光電陰極的量子效率，即入射光子數與產生的光電子數之比。堿金屬光電陰極在300納米至600納米波長范圍內表現良好，在光譜的藍色區域可達到接近30%的效率。半導體變體的效率可高達50%，可在400納米至700納米（GaAsP）或900納米（GaAs）波長范圍內使用。因此，半導體光電陰極越來越多地用于需要較長波長的生命科學應用，因為光學散射是厚樣品的主要問題，且散射程度隨波長的四次方遞減。

由于應用的多樣性，存在大量在光譜靈敏度、量子效率和時間分辨率方面各不相同的光電陰極類型。

在經典PMT中，這種增益分布在多個級之間。在光電陰極后面是一個帶有正電壓的電極，其典型電壓介于50伏和100伏之間。釋放的光電子被該正電位吸引，并沿該方向加速，直到最終撞擊該電極。在此，動能被轉換為釋放更多電子（“次級電子”）——這與光電陰極吸收光子后發生的過程非常相似。典型值為每個入射電子產生2-4個次級電子。

為了產生可測量的電荷，該過程需要在級聯結構中重復多次，例如，如果每個電極（此處稱為倍增極）產生3個次級電子，則總共會釋放3k個電子，其中k代表倍增極的數量。典型的PMT大約有10個倍增極，這相當于3^10 = 59,049個電子——一個可測量的電荷約為10 fC。

光電倍增管的整體增益可以通過總高壓進行控制，該高壓通常通過分壓器在各個倍增極之間進行均勻分配。電壓越高，增益越大。每個倍增極釋放的電子數是一個平均值，可以通過電壓進行連續調節。這就是為什么會出現諸如“2.7個釋放電子”這樣看似奇怪的數值。

圖4展示了以2.7個電子為例的頻率分布，描述了到達倍增極的電子實際釋放的電子數量。大多數情況下，會釋放1個、2個、3個或4個電子，偶爾甚至更多。在“后期”倍增極，每次前一級倍增極的電子倍增到達時，這些事件都會被平均化，每個脈沖獲得約2.7倍的增益。然而，由于只有一個電子到達第一個倍增極，因此無法在第一個倍增極上取平均值。因此，圖4中的分布是PMT末端脈沖高度分布的近似值，表明該值波動范圍為4到5倍。因此，每個光子的增益量變化很大。這是積分測量方法中噪聲的重要來源（見下文）。這些不同的脈沖高度也會導致光子計數時的分辨問題。

電子也可能無法擊中目標（下一個電極）。發生這種情況的階段不同，總電荷的精度會降低，效率也會下降。因此，通常使用“探測效率”一詞，而不是光電陰極的“量子效率”，因為它考慮了整個電子倍增鏈中的損耗。

為了描述脈沖形狀，通常使用半峰全寬（FWHM）。對于PMT，FWHM大致在5到25納秒之間。當然，脈沖在陽極的有效時間比FWHM要長，對于10%上升沿到90%下降沿之間的時間，我們可以粗略地估計為FWHM的兩倍。然而，脈沖形狀是不對稱的；上升時間比下降時間快兩到三倍。可以通俗地將其比作狗洗澡后甩掉身上的水滴：水滴數量先迅速增加，然后逐漸減少——因為剩下的水滴越來越少。

光子到達陰極與輸出脈沖峰值之間的時間稱為渡越時間（TT），其值約為15到70納秒，具體取決于光電管的設計。這是信號在管內傳輸的時間。渡越時間也在一個平均值附近隨機分布，渡越時間擴展（TTS）為1–10納秒。這是熒光壽命應用的重要參數，因為它限制了測量的準確性。

即使沒有光子照射到陰極，陽極仍然會以一定的頻率檢測到事件。這些事件大多由陰極發射的熱電子觸發。來自倍增極的熱電子也可能導致一些較小的事件。這些事件被歸類為“暗噪聲”，會降低圖像對比度，對于微弱信號而言，這是一個尤其嚴重的問題，因為這些信號可能無法與背景區分開來。在PMT中，光電陰極和早期倍增極的噪聲會被后續的倍增級放大。而單級系統中則不存在這種情況。因此，雙級混合探測器（見“混合探測器”一章）產生的倍增噪聲要小得多。

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