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PMT能夠将光信号轉換為電信号，并将電信号加以放大。其主要性能名額包括幾個方面：光陰極靈敏度和光譜響應、陽極光照靈敏度和增益、噪聲和暗電流、能量分辨率特性、時間特性、穩定性和環境影響。
一，光陰極靈敏度和光譜響應
光陰極靈敏度SK：通常用光照靈敏度（标準白光源—具有色溫2854K的鎢絲燈）或藍光靈敏度（在标準白光光源前加藍色濾光片）表示。其定義為用标準白光或藍光照射光陰極時，光陰極産生的光電流IK與入射光通量F之比，即SK=IK/F，機關是uA/lm。
光陰極靈敏度也可以用量子效率來表示，其定義為在一定的輻射波長下，發射光電子數與入射光子數之比。量子效率與波長有關，波長不同，量子效率不同，反映的是光陰極的光電轉換效率。
對于不同的閃爍體，應該根據它的發射光譜，選擇合适的PMT與之配合，以保證在該波段内有最大的量子效率和好的光譜響應。
二，陽極光照靈敏度和增益
光電倍增管的增益M定義為陽極輸出電流IA和光陰極電流IK之比，它與各倍增極的二次電子發射系數δ有關。而δ是極間電圧V的函數：δ=a*VK，其中a為常數，k是由倍增級構造和材料決定。
陽極電流IA和光陰極電流IK的關系可以表示為：IA=Ik *g1δ1*g2δ2……*gnδn，這裡g為各個倍增級的電子傳遞效率。對于設計良好的聚焦型管子，g≈1，對于非聚焦型管子，g<1。
光電倍增管使用的高壓電源的穩定性、紋波、溫度變化、輸出與輸出負載的變化等都會對光電倍增管的電流增益有很大影響。
但是PMT說明書往往不給出M，而是給出陽極光照靈敏度SA，它是用标準白光光源照射光陰極時，陽極電流IA與入射光通量F之比，即SA=M*SK。為了能夠測量入射粒子的能量，要求PMT陽極電流和入射粒子能量即閃爍光的光輸出F成正比，也就是說陽極光照靈敏度SA為常數。實驗表明，當工作電壓恒定時，F在10-13~10-4lm時，SA基本上是常數。
三，噪聲和暗電流
暗電流定義為PMT加上工作電壓後，在完全沒有光照的情況下的陽極輸出電流，大約是10-7~10-11A量級，而暗電流的起伏形成了暗電流噪聲。引起暗電流的主要原因包括以下幾點：
1，熱發射：光陰極材料具有較低的功函數，在室溫下也有一定的熱電子發射，它同樣會被倍增。冷卻PMT是降低暗電流最有效的方法。
2，歐姆漏電：管内有一定的堿金屬蒸汽凝結在極間絕緣支架上，在電壓作用下産生管内漏電。是以，保持管子的清潔和幹燥是很重要的。
3，殘餘氣體電離：PMT真空管内的剩餘氣體被光電子電離或激發，産生光子和正離子，它們可能回報到光陰極或倍增極上再次打出二次電子經倍增形成暗電流。由光子産生的叫光回報，由正離子産生的叫離子回報，它們分别出現在基本信号脈沖之後5~20ns和0.4~0.5us。當PMT工作電壓很高時，這種現象比較嚴重。
4，場緻發射：在管記憶體在強大電場時，由于電極存在尖端或棱角，或者由于機械加工不當造成的邊緣粗糙、毛刺，會發射電子，稱為場緻發射，産生暗電流。這種效應隻在很高電壓時才顯著。
5，切倫科夫光子：PMT的窗材料可能含有少量放射性物質，衰變産生β粒子；宇宙線中的μ子穿過窗時，産生切倫科夫光子，進而引起暗電流。
6，光陰極曝光：PMT具有光敏性，其陰極曝光後，要在黑暗中放置1~2小時後暗電流才能恢複到原來的數值，如果在太陽光等強光照射後，則有可能受到損傷而不能恢複。
四，能量分辨率特性
由于PMT光陰極的光電發射以及二次電子發射的統計特性，即使入射相同數目的光子，輸出信号的脈沖幅度也不相同，這限制了閃爍體探測器的能量分辨率。
根據前面的描述，要減小PMT對能量分辨率的影響，應該盡可能增大光電轉換效率、各個倍增級的電子傳遞效率、倍增系數，即采用量子效率高的光陰極材料和倍增系數大的倍增級材料。
五，時間特性
PMT光陰極收到光信号時，并不能立即就在陽極輸出電流脈沖，因為光電子從光陰極，經過多級倍增極到達陽極，其間飛行一段路程需要一定時間，這個時間稱為PMT的渡越時間。
由于光電子從光陰極不同部位發射，以及各電極發射的電子初速度和方向不同，電子經過的路徑也不盡相同，是以這一時間有長有短。即使輸入光信号為δ函數，陽極電流脈沖仍将是展寬的，稱為渡越時間分散。
PMT的時間特性一般用脈沖上升時間tr，脈沖時間響應寬度tpm，渡越時間τ和渡越時間分散△τ（時間分辨本領）等參量描述。
PMT的脈沖上升時間tr定義為：應用δ函數光源（實際上是閃光時間極短的光源）照射陰極時，從陽極電流脈沖前沿峰值的10%上升到90%所需要的時間，而脈沖的半高寬為時間響應寬度tpm。
渡越時間τ的嚴格定義為：δ函數光源的閃光到達光陰極瞬間與陽極輸出脈沖到達峰值時刻之間的時間間隔。
渡越時間分散的定義為：當多次重複用δ函數光源照射光陰極，渡越時間譜最大值一半處的全寬度△τ。△τ限制了PMT對事件發生時刻的精确測量，故它又被稱為PMT的時間分辨本領。
一般來說，級數越少，電壓越高，聚焦效果越好，相應的渡越時間及其分散會越小。
圖1：PMT陽極電流脈沖上升時間與響應寬度
圖2：渡越時間分散的定義
六，穩定性和環境影響
PMT的穩定性是實際應用中的重要特性。通常把PMT特性随時間的變化稱為漂移特性，這種變化受到電壓、電流、環境溫度等的直接影響而變壞的現象稱為疲勞。
通常陽極電流在開始一段時間是快變化的，大約需要經過幾十分鐘到幾小時才能建立穩定的工作狀态。是以一般至少需預先加電壓半小時以上再開始正式測量。