光電技術(shù)第4章第2節(jié)

4.4光電倍增管的供電電路和信號輸出電路（重點掌握）

4.4.1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，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。當然，PMT的工作特性與其工作電路密切相關(guān)，工作電路的設(shè)計必須保證輸出電流與入射光通量之間呈線性關(guān)系。倍增管需要直流供電，各倍增極電壓相對陰極逐級升高，一般采用電阻鏈升壓供電。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個電阻構(gòu)成電阻鏈分壓器，分別向10級倍增極提供電壓UDD。1、電阻鏈的設(shè)計

負高壓供電各倍增極的電壓是由電阻鏈分壓器供給的，典型情況是均勻分壓。為了保證陽極電流Ia最大時，各級電壓仍保持穩(wěn)定，流進分壓電阻的電流至少應(yīng)比最大陽極電流大10倍以上（10～20倍）。工程上常設(shè)計IR大于等于10倍的Ia電流。IR≥10Ia

（4-25）

一般而言，分壓電阻越小，IR越大，對穩(wěn)定極間電壓越有利。但IR太大會增加電阻的功耗，加重電源的負擔。當極間電壓給定后，分壓電阻的最大值應(yīng)取決于陽極最大的平均電流，最小值取決于高壓電源的輸出功率。（1）均勻分壓（2）電阻鏈的設(shè)計原則1、在探測弱信號時，一般適當增加第一倍增極的增益，即適當提高第一倍增極與陰極之間的電壓。2、中間倍增極的極間電壓可根據(jù)總增益的要求選取，一般采用均勻分壓的方式，即中間各倍增極的分壓電阻阻值相等。3、在信號電流較大時，可能在最后兩個倍增極之間由于空間電荷的影響而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。這時應(yīng)適當加大最后兩級或最后三級的極間電壓。4、末極倍增極與陽極之間的電壓選擇應(yīng)注意不要由于陽極負載的壓降而影響陽極收集電子的能力。5、在脈沖大電流時，最后幾個倍增極的脈沖電流很大，相應(yīng)的分壓電阻上的壓降在脈沖期間將產(chǎn)生明顯的突變而影響極間電位的分布。這時，常需要在最后三級的分壓電阻上并聯(lián)儲能電容。R=Ubb/IR（4-26）

各分壓電阻Ri（除第一級外）為而R1應(yīng)為R1=1.5Ri2、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)δ，或管子的增益G。因此，根據(jù)增益G的要求可以設(shè)計出極間供電電壓UDD與電源電壓Ubb。計算出UDD與Ubb。實際中常先按均勻分壓選定電流，計算出電阻鏈分壓器的總阻值R

3.末極的并聯(lián)電容

當入射輻射信號為高速的迅變信號或脈沖時，末3級倍增極電流變化會引起較大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個電容C1、C2與C3,，通過電容的充放電過程使末3級電壓穩(wěn)定,同時可以獲得較高的峰值電流。

電容C1、C2與C3的計算公式為式中N為倍增極數(shù)，Iam為陽極峰值電流，τ為脈沖的持續(xù)時間，UDD為極間電壓，L為增益穩(wěn)定度的百分數(shù)。4.4.3電源電壓的穩(wěn)定度

對銻化銫倍增極對銀鎂合金倍增極

由于光電倍增管的輸出信號Uo=GSkφvRL，因此，輸出信號的穩(wěn)定度與增益的穩(wěn)定度有關(guān)

對銻化銫倍增極對銀鎂合金倍增極在實際應(yīng)用中常常對電源電壓穩(wěn)定度的要求簡單地認為高于輸出電壓穩(wěn)定度一個數(shù)量級。例如，當要求輸出電壓穩(wěn)定度為1%時，則要求電源電壓穩(wěn)定度應(yīng)高于0.1%。PMT后接的放大器常采用電壓輸入，因此要用負載電阻將輸出電流變換為電壓。負載電阻的選擇應(yīng)考慮它的壓降不能過大，否則將影響陽極的接收特性，使管字偏離線性工作范圍。同時還要考慮負載電阻的熱噪聲。4.4.4負載電阻4.3.5、接地方式*（1）陽極接地（陰極負高壓供電)陽極輸出方便，既可接交流放大器，也可接直流放大器。但陰極處于負高壓，因屏蔽罩都是與機殼相連接地的，所以光、磁、電的屏蔽罩不能與陰極太近，至少要間隔1～2cm，因此PMT的外形尺寸就大，同時暗電流和噪聲也較高。（方便、安全、噪聲大）（2）陰極接地（陽極正高壓供電）光、磁、電的屏蔽罩跟陰極靠得很近，屏蔽效果好，暗電流小，噪聲電平低。但由于陽極處于正高壓會導(dǎo)致寄生電容增大，匹配電纜連接復(fù)雜。若后面需接直流放大器時，整個放大器就處于高電壓，這樣會產(chǎn)生不便；若后面接交流放大器，就必須有一個耐壓很高的隔直電容器。(噪聲小、不方便、不安全)例4-1設(shè)入射到PMT上的最大光通量為φv=12×10-6lm左右，當采用GDB-235型倍增管為光電探測器，已知它的倍增級數(shù)為8級，陰極為SbCs材料，倍增極也為SbCs材料，SK=40μA/lm，若要求入射光通量在0.6×10-6lm時的輸出電壓幅度不低于0.2V，試設(shè)計該PMT的變換電路。若供電電壓的穩(wěn)定度只能做到0.01%，試問該PMT變換電路輸出信號的穩(wěn)定度最高能達到多少？解(1)首先計算供電電源的電壓根據(jù)題目對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=82kΩ，陽極電流應(yīng)不小于Iamin，因此

Iamin=UO/Ra=0.2V/82kΩ=2.439μA入射光通量為0.6×10-6lm時的陰極電流為IK=SKφv=40×0.6×10-6=24×10-6μA此時，PMT的增益G應(yīng)為由于，N=8，因此，每一級的增益δ=4.227，SbCs倍增極材料的總電源電壓Ubb為Ubb=（N+1.5）UDD=741V(2)計算偏置電路電阻鏈的阻值設(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=GSKφvm=1.02×105×40×12×10-6=48.96μA取IRi≥10Iam，則

IRi=500μA因此，電阻鏈的阻值Ri=UDD/IRi=156kΩ取Ri=120kΩ，R1=1.5Ri=180kΩ。(3)根據(jù)式（4-35）得輸出信號電壓的穩(wěn)定度最高為例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？解由于Iam=GSKφVm

故陰極面上的入射光通量不能超過4.4.5光電倍增管的信號輸出電路1、負載電阻輸出光電倍增管的上限截止頻率：若外部運算放大器的輸入阻抗為Rin,光電倍增管的有效負載阻抗為：2、運算放大器輸出－表示放大器的偏置電流在微弱光信號測量中，一般在放大器的反向輸入端加入一定的補償電流，以抵消偏置電流最大輸出電壓大約等于前置放大器的工作電壓光電倍增管的使用要點1、使用前應(yīng)了解器件的特性：靈敏度高、惰性小、供電電壓高、采用玻璃外殼、抗震性差，應(yīng)注意防震和高壓下的安全性。2、使用時不可用強光照射。光照過強時，光電特性的線性變差，易使光電陰極疲勞，縮短壽命。3、工作電流不宜過大（微安級）。會燒毀陰極面或使倍增極二次電子發(fā)射系數(shù)下降，增益降低、光電線性變差，縮短壽命。4、測量交變光時，負載電阻不宜過大，否則時間常數(shù)變大，頻帶將變窄，影響動態(tài)特性。5、為了得到較大的線性輸出電壓，應(yīng)選用陽極特性平直線段范圍寬的管子，并接以較大的負載電阻。1、光電倍增管各倍增極的發(fā)射系數(shù)δ與很多因素有關(guān)，最主要的因素是倍增極的材料和結(jié)構(gòu)。

2、光電管的工作原理是，在光電管的陰極和陽極之間加一定的電壓，陽極為負極，陰極為正極。

3、在較強輻射作用下倍增管的靈敏度下降的現(xiàn)象稱為衰老。4、光電倍增管的暗電流是指在施加規(guī)定電壓后測定的陽極電

流。5、為使陰極面各處的靈敏度均勻，受光均勻，常把光電倍增管的光電陰極做成球面。

判斷題

1、光電倍增管的短波限和長波限由什么因素決定？

A、光電陰極材料、倍增級材料和窗口材料

B、光電陰極材料和倍增級材料

C、窗口材料和倍增級材料

D、窗口材料和光電陰極材料2、光電倍增管按倍增級結(jié)構(gòu)可分為

A、端窗式和測窗式

B、聚焦型和非聚焦型

C、百葉窗型和盒柵式

D、瓦片靜電聚焦型和圓形鼠籠式

3、某光電倍增管的陽極靈敏度為10A/lm，為什么還要限制它的陽極輸出電流在50－100μA？

A、因為陽極電流過大會使測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定

B、陽極輸出電流在50－100μA時，電子流不能被陽極所吸

收，達到飽和區(qū)

C、因為陽極電流過大會加速光電倍增管的疲勞與老化

D、引起光電倍增管的非線性

選擇題各種光電探測器性能比較1、動態(tài)特性（頻率響應(yīng)與時間響應(yīng)）PMT和光電二極管（尤其PIN與APD）最好；2、光電特性（即線性）PMT、光電二極管、光電池、光電三極管、光敏電阻；3、靈敏度PMT、APD、光敏電阻和光電三極管為最好。注意：靈敏度高不一定輸出電流大，輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、APD與光電三極管；4、外加電壓最低的是光電二極管、光電三極管，光電池可不外加電源；4、暗電流PMT與光電二極管最小，光電池不加電源時無暗電流，加反壓后暗電流比光電三極管大；5、穩(wěn)定性光電二極管和光電池最好，其次是光電三極管；6、光譜響應(yīng)PMT和CdSe光敏電阻最寬。4.5

光電倍增管的典型應(yīng)用

4.5.1光譜探測領(lǐng)域的應(yīng)用

光電倍增管不但具有極高的光電靈敏度、極快的響應(yīng)速度、極低的暗電流低和噪聲，還能夠在很大范圍內(nèi)調(diào)整內(nèi)增益。因此，它在微光探測、快速光子計數(shù)和微光時域分析等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1、發(fā)射光譜儀2．吸收光譜儀吸收光譜儀是光譜分析中的另一種重要的儀器。吸收光譜儀的原理圖如圖4-11所示，它與發(fā)射光譜儀的主要差別是光源。發(fā)射光譜儀的光源為被測光源，而吸收光譜儀的光源為已知光譜分布的光源。吸收光譜儀與發(fā)射光譜儀相比，它比發(fā)射光譜儀多一個承載被測物的樣品池。4.5.2（了解）時間分辨熒光免疫分析中的應(yīng)用1983年，由Pettersson和Eskola等提出了用時間分辨熒光免疫分析（time-resolvedfluoroimmunoassay，TRFIA）法測定人絨毛膜促性腺激素和胰磷脂酶在臨床醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用，在10多年中，獲得迅速發(fā)展。成為最有發(fā)展前途的一種全新的非同位素免疫分析技術(shù)。1.時間分辨熒光免疫分析法TRFIA的原理時間分辨熒光免疫分析法是用鑭系元素為標記物，標記抗原或抗體，用時間分辨技術(shù)測量熒光，同時利用波長和時間兩種分辨，極其有效地排除了非特異熒光的干擾，大大地提高了分析靈敏度。圖4-12所示為鑭系元素螯合物與典型配位體β-NTA的吸收光譜與發(fā)光光譜圖。圖中曲線1為鑭系元素螯合物與配位體β-NTA的吸收光譜。由曲線1可以看出螯合物與配位體β-NTA對320~360nm的紫外光具有很高的吸收，因此，常用含有320~360nm光的脈沖氙燈或氮激光器為激發(fā)光源使裝載配位體的螯合物激發(fā)熒光。Eu3+β-NTA螯合物在激發(fā)光源的作用下將發(fā)出如圖中曲線2與3所示的熒光光譜。曲線3光譜載荷著配位體β-NTA的信息。圖4-12為雙坐標曲線圖，其中re,r為螯合物的相對吸收系數(shù)，I