光電倍增管的外部電路

1、4.4 光電倍增管的供電電路 4.4.1 電阻鏈分壓型供電電路電阻鏈分壓型供電電路 光電倍增管具有極高的靈敏度和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，使它在光譜探測和極微弱快速光信息的探測等方面成為首選的光電探測器。 光電倍增管的供電電路種類很多，可以根據(jù)應(yīng)用的情況設(shè)計(jì)出各具特色的供電電路。本節(jié)介紹最常用的電阻分壓式供電電路。 如圖4-8所示為典型光電倍增管的電阻分壓式供電電路。電路由11個(gè)電阻構(gòu)成電阻鏈分壓器，分別向10級(jí)倍增極提供電壓UDD。 1、電阻鏈的設(shè)計(jì) 考慮到光電倍增管各倍增極的電子倍增效應(yīng)，各級(jí)的考慮到光電倍增管各倍增極的電子倍增效應(yīng)，各級(jí)的電子流按放大倍率分布，其中，陽極電流電子流按放大倍率分布，其

2、中，陽極電流Ia最大。因此，最大。因此，電阻鏈分壓器中流過每級(jí)電阻的電流并不相等，但是，當(dāng)電阻鏈分壓器中流過每級(jí)電阻的電流并不相等，但是，當(dāng)流過分壓電阻的電流流過分壓電阻的電流IR遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ia時(shí)，即時(shí)，即 IR Ia時(shí)，流時(shí)，流過各分壓電阻過各分壓電阻Ri的電流近似相等。工程上常設(shè)計(jì)的電流近似相等。工程上常設(shè)計(jì)IR大于等大于等于于10倍的倍的Ia電流。電流。 IR10Ia選擇的太大將使分壓電阻功率損耗加大，倍增管溫度升高導(dǎo)致性能的降低，以至于溫升太高而無法工作。 選定電流后，可以計(jì)算出電阻鏈分壓器的總阻值R R=Ubb/IR各分壓電阻Ri 為Rbbi1.5)(NIUR而R1應(yīng)為R1=1

3、.5 Ri2、電源電壓、電源電壓 極間供電電壓UDD直接影響著二次電子發(fā)射系數(shù)，或管子的增益G。因此，根據(jù)增益G的要求可以設(shè)計(jì)出極間供電電壓UDD與電源電壓Ubb。 0.7nDDn(0.2) UG nDDn(0.025) UG 由可以計(jì)算出UDD與Ubb。3. 末極的并聯(lián)電容 當(dāng)入射輻射信號(hào)為高速的迅變信號(hào)或脈沖時(shí)，末3級(jí)倍增極電流變化會(huì)引起較大UDD的變化，引起光電倍增管增益的起伏，將破壞信息的變換。在末3極并聯(lián)3個(gè)電容C1、C2與C3，通過電容的充放電過程使末3級(jí)電壓穩(wěn)定。 電容C1、C2與C3的計(jì)算公式為 DDam1LN70UIC 式中N為倍增極數(shù)，Iam為陽極峰值電流，為脈沖的持續(xù)時(shí)間

4、，UDD為極間電壓，L為增益穩(wěn)定度的百分?jǐn)?shù)。 12CC 213CC 4.4.3 電源電壓的穩(wěn)定度 可得到光電倍增管的電流增益穩(wěn)定度與極間電壓穩(wěn)定度的關(guān)系 DDDD7 . 0UUNGGbbbb7 . 0UUNGG對(duì)銻化銫倍增極 0.7NDDN(0.2) UG NDDN(0.025) UG bbbbUUnGG 由于光電倍增管的輸出信號(hào)Uo=GSkvRL，因此，輸出信號(hào)的穩(wěn)定度與增益的穩(wěn)定度有關(guān) bbbbUUnGGUU對(duì)銀鎂合金倍增極 在實(shí)際應(yīng)用中常常對(duì)電源電壓穩(wěn)定度的要求簡單地認(rèn)為高于輸出電壓穩(wěn)定度一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，當(dāng)要求輸出電壓穩(wěn)定度為1%時(shí)，則要求電源電壓穩(wěn)定度應(yīng)高于0.1%。 例例4-1 設(shè)

5、入射到PMT上的最大光通量為v=1210-6lm，當(dāng)采用GDB-235型倍增管為光電探測器，已知它的倍增級(jí)數(shù)為8級(jí)，陰極為SbCs材料，倍增極也為SbCs材料，SK=40A/lm，若要求入射光通量在610-6lm時(shí)的輸出電壓幅度不低于0.2V，試設(shè)計(jì)該P(yáng)MT的變換電路。若供電電壓的穩(wěn)定度只能做到0.01%，試問該P(yáng)MT變換電路輸出信號(hào)的穩(wěn)定度最高能達(dá)到多少？根據(jù)題目對(duì)輸出電壓幅度的要求和PMT的噪聲特性，可以選擇陽極電阻Ra=82k，陽極電流應(yīng)不小于Iamin，因此解解 (1) 首先計(jì)算供電電源的電壓 Iamin=UO/Ra=0.2V /82 k=2.439A入射光通量為0.610-6lm時(shí)的

6、陰極電流為 IK= SKv=4010-60.610-6=2410-6A此時(shí)，PMT的增益G應(yīng)為 56min1002. 11024439. 2KaIIGSbCs倍增極材料的增益與極間電壓UDD有0.7DD)(2 . 0UV782 . 07 . 0DDU總電源電壓Ubb為 Ubb=（N+1.5）UDD=741V NGN=8，每一級(jí)的增益=4.227 (2) 計(jì)算偏置電路電阻鏈的阻值偏置電路采用如圖4-8所示的供電電路，設(shè)流過電阻鏈的電流為IRi，流過陽極電阻Ra的最大電流為Iam=GSKvm=1.021054010-61210-6=48.96A取IRi10 Iam，則 IRi=500A因此，電阻鏈

7、的阻值Ri= UDD/ IRi=156k 取Ri=120 k，R1=1.5Ri=180 k。(3) 輸出信號(hào)電壓的穩(wěn)定度最高為 %08. 0%01. 08bbbbUUnUU例例4-2 如果GDB-235的陽極最大輸出電流為2mA，試問陰極面上的入射光通量不能超過多少lm？解解 由于Iam=G SKVm 故陰極面上的入射光通量不能超過 )Lm(1049. 01040101.02102 /3653KamVmSGI運(yùn)算放大器輸出PMTVRfCfpfIRV0輸出的電壓4-5 光電倍增管的應(yīng)用一、一、光譜學(xué)光譜學(xué) - 利用光吸收原理利用光吸收原理 1.紫外/可見/近紅外分光光度計(jì) 光通過物質(zhì)時(shí)使物質(zhì)的電

8、子狀態(tài)發(fā)生變化，而失去部分能量，稱為吸收。利用吸收進(jìn)行定量分析。為確定樣品物質(zhì)的量，采用連續(xù)的光譜對(duì)物質(zhì)進(jìn)行掃描，并利用光電倍增管檢測光通過被測物質(zhì)前后的強(qiáng)度，即可得到被測物質(zhì)吸收程度，計(jì)算出物質(zhì)的量。 2.原子吸收分光光度計(jì) 廣泛地應(yīng)用于微量金屬元素的分析。對(duì)應(yīng)于分析的各種元素，需要專用的元素?zé)?，照射燃燒并霧化分離成原子狀態(tài)到被測物質(zhì)上，用光電倍增管檢測光被吸收的強(qiáng)度，并與預(yù)先得到的標(biāo)準(zhǔn)樣品比較。 二、利用發(fā)光原理.發(fā)光分光光度計(jì) 樣品接受外部照射光的能量會(huì)產(chǎn)生發(fā)光，利用單色器將這種光的特征光譜線顯示出來，用光電倍增管探測出特征光譜線是否存在及其強(qiáng)度。這種方法可以迅速地定性或定量地檢查出樣品

9、中的元素。 .熒光分光光度計(jì) 熒光分光光度計(jì)依據(jù)生物化學(xué)，特別是分子生物學(xué)原理。物質(zhì)受到光照射，發(fā)射長波的發(fā)光，這種光稱為熒光。用光電倍增管檢測熒光的強(qiáng)度及光譜特性，可以定性或定量地分析樣品成份。 3.拉曼分光光度計(jì) 用單色光照射物質(zhì)后被散亂，這種散亂光中，只有物質(zhì)特有量的不同波長光混合在里面。這種散亂光（拉曼光）進(jìn)行分光測定，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性定量的分析。由于拉曼發(fā)光極其微弱，因此檢測工作需要復(fù)雜的光路系統(tǒng)，并且采用單光子計(jì)數(shù)法。 三、質(zhì)量光譜學(xué)與固體表面分析三、質(zhì)量光譜學(xué)與固體表面分析 固體表面分析固體表面分析 固體表面的成分和結(jié)構(gòu)，可以用極細(xì)的電子、離子、光或X射線的束流，入射到物質(zhì)表面，對(duì)

10、表面發(fā)出的電子、離子、X射線等進(jìn)行測定來分析。這種技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域被用于半導(dǎo)體的檢查中，如缺陷、表面分析、吸附等。電子、離子、X射線一般采用電子倍增器或MCP來測定。 四、環(huán)境監(jiān)測四、環(huán)境監(jiān)測 塵埃粒子計(jì)數(shù)器塵埃粒子計(jì)數(shù)器 塵埃粒子計(jì)數(shù)器檢測大氣或室內(nèi)環(huán)境中懸浮的粉塵或粒子的密度。它利用了塵埃粒子對(duì)光的散亂或射線的吸收原理。 濁度計(jì)濁度計(jì) 當(dāng)液體中有懸浮粒子時(shí)，入射光會(huì)粒子被吸收、折射。對(duì)人的眼睛來看是模糊的，而濁度計(jì)正是利用了光的透過折射和散射原理，并用數(shù)據(jù)來表示的裝置。 五、生物技術(shù)五、生物技術(shù) 細(xì)胞分類細(xì)胞分類 細(xì)胞分類儀是利用熒光物質(zhì)對(duì)細(xì)胞標(biāo)定后，用激光照射，細(xì)胞的熒光、散亂光用光

11、電倍增管進(jìn)行觀察，對(duì)特定的細(xì)胞進(jìn)行選別的裝置 熒光計(jì)熒光計(jì) 細(xì)胞分類的最終目的是分離細(xì)胞，為此，有一種用于對(duì)細(xì)胞、化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行解析的裝置，它稱為熒光計(jì)。它對(duì)細(xì)胞、染色體發(fā)出的熒光、散亂光的熒光光譜、量子效率、偏光、壽命等進(jìn)行測定。 六、醫(yī)療應(yīng)用六、醫(yī)療應(yīng)用 相機(jī)相機(jī) 將放射性同位素標(biāo)定試劑注入病人體內(nèi)，通過相機(jī)可以得到斷層圖象，來判別病灶。從閃爍掃描器開始，經(jīng)逐步改良，相機(jī)的性能得到快速的發(fā)展。光電倍增管通過光導(dǎo)和大面積NaI（Tl）組合成探測器 正電子CT 放射線同位素（C11、O15、N18、F18等）標(biāo)識(shí)的試劑投入病人體內(nèi)，發(fā)射出的正電子同體內(nèi)結(jié)合時(shí)，放出淬滅線，用光電倍增管進(jìn)行計(jì)數(shù)，用

12、計(jì)算機(jī)作成體內(nèi)正電子同位素分布的斷層畫面，這種裝置稱為正電子CT。 液體閃爍計(jì)數(shù)液體閃爍計(jì)數(shù) 液體閃爍計(jì)數(shù)應(yīng)用于年代分析和生物化學(xué)等領(lǐng)域。將含有放射性同位素物質(zhì)溶于有機(jī)閃爍體內(nèi)，并置于兩個(gè)光電倍增管之間，兩個(gè)光電倍增管同時(shí)檢測有機(jī)閃爍體的發(fā)光。 臨床檢查臨床檢查 通過對(duì)血液、尿液中微量的胰島素、激素、殘留藥物及病毒等對(duì)于抗原、抗體的作用特性，進(jìn)行臨床身體檢查、診斷治療效果等。光電倍增管對(duì)被同位素、酶、熒光、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光物質(zhì)等標(biāo)識(shí)的抗原體的量進(jìn)行化學(xué)測定。 七、射線測定七、射線測定 區(qū)域檢測儀 可以連續(xù)地檢測環(huán)境輻射水平。它采用光電倍增管與閃爍體組合的方式，完成對(duì)低水平的射線和射線的檢測。

13、 射線測量儀 射線測量儀采用光電倍增管與閃爍體組合的方式完成對(duì)低水平的射線和射線的檢測。 八、資源調(diào)查八、資源調(diào)查 石油測井應(yīng)用石油測井應(yīng)用 石油測井中用以確定石油沉積位置以及儲(chǔ)量等。內(nèi)藏放射源、光電倍增管和閃爍體的探頭進(jìn)入井中，分析放射源被散射的以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的自然射線，判斷油井周圍的地層類型 及密度九、工業(yè)計(jì)測九、工業(yè)計(jì)測 厚度計(jì)厚度計(jì) 工業(yè)生產(chǎn)中的諸如紙張、塑料、鋼材等的厚度檢測，可以通過包括放射源、光電倍增管和閃爍體的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于低密度物質(zhì)，比如橡膠、塑料、紙張等，采用射線源；諸如鋼板等的高密度物質(zhì)則使用射線。（在電鍍、蒸發(fā)控制等處，鍍膜的厚度可使用X射線熒光光度計(jì)） 半導(dǎo)體檢查系

14、統(tǒng)半導(dǎo)體檢查系統(tǒng) 廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片的缺陷檢查、掩膜錯(cuò)位等。芯片的缺陷檢查裝置中用光電倍增管檢測芯片被激光照射后，塵埃、污染、缺陷等產(chǎn)生的散亂光。 十、攝影印刷十、攝影印刷 彩色掃描彩色掃描 彩色圖片或照片進(jìn)行印刷時(shí)，需要將其顏色進(jìn)行分色掃描。分色是用光電倍增管和濾光片，把彩色分解成三原色（紅、綠、蘭）和黑色，作為圖象數(shù)據(jù)讀出。 十一、高能物理十一、高能物理 - 加速器實(shí)驗(yàn)加速器實(shí)驗(yàn) 輻射計(jì)數(shù)器輻射計(jì)數(shù)器 在2層正交排列的細(xì)長塑料晶體的端部，配置光電倍增管，測量帶電粒子通過的位置和時(shí)間。 契倫柯夫計(jì)數(shù)器契倫柯夫計(jì)數(shù)器 這是用于粒子撞擊反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的二次粒子識(shí)別的裝置。二次粒子通過諸如氣體這種

15、介質(zhì)時(shí)，具有一定能量的電荷粒子會(huì)發(fā)出契倫柯夫光，測定這種光的發(fā)射角度，可以識(shí)別電荷粒子。 十二、中微子、正電子衰變實(shí)驗(yàn)，宇宙線檢測 中微子實(shí)驗(yàn)中微子實(shí)驗(yàn) 這種實(shí)驗(yàn)用于研究太陽中微子、宇宙線粒子物理學(xué)。用于發(fā)生契倫柯夫光的大量介質(zhì)。在其周圍配置很多大直徑光電倍增管，當(dāng)中微子等的宇宙射線同介質(zhì)發(fā)生相互作用，就會(huì)產(chǎn)生契倫柯夫光。光電倍增管探測到契倫柯夫光，可以解析粒子的飛來方向、能量等。 空氣浴計(jì)數(shù)器空氣浴計(jì)數(shù)器 宇宙線與地球大氣撞擊時(shí)，同大氣原子發(fā)生作用，生成二次粒子，并進(jìn)一步生成三次粒子。這樣地增加下去，稱作空氣浴。這種空氣浴產(chǎn)生的線、契倫柯夫光，由在地面上排列成格子狀的許多光電倍增管來探測。 十三、宇宙十三、宇宙 天體X線探測 來自宇宙的X線中，含有很多揭開宇宙之謎的信息。ISAS集團(tuán)發(fā)射了探測超新星發(fā)出的天體X線的“阿斯卡”衛(wèi)星，其中使用的探測器就是位置靈敏光電倍增管和氣體正比計(jì)數(shù)管的組合體。 恒星及星際塵埃散亂光的測定恒星及星際塵埃散亂光的測定 來自宇宙的紫外線有許多與天體表面溫度、星際物質(zhì)有關(guān)的信息。但是，地球大氣層阻止了紫外線到達(dá)地球表面，所以，在地面上不能加以測