基于光電倍增管的光電檢測(cè)系統(tǒng)

基于光電倍增管的光電檢測(cè)系統(tǒng)摘要：光電倍增管（簡(jiǎn)稱PMT）是靈敏度極高，響應(yīng)速度極快的光電探測(cè)器，本文簡(jiǎn)述光電倍增管的結(jié)構(gòu)和用途，并介紹光電倍增管在圖像采集、射線密度計(jì)、測(cè)井儀器等中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光電倍增管；射線密度計(jì)；圖像采集；測(cè)井儀器引言光電倍增管于1934年研制成功，作為把微弱光轉(zhuǎn)換成光電子并倍增的重要的真空光電發(fā)射器件，它得到了飛速的發(fā)展，特別是80年代以后，各種光電倍增管層出不窮，性能不斷得到優(yōu)化。由于光電倍增管具有極高的靈敏度、快速響應(yīng)等特點(diǎn)，在探測(cè)微弱光信號(hào)及快速脈沖光信號(hào)方面是一個(gè)重要的探測(cè)期間。因此被廣泛應(yīng)用到光譜分析、圖像采集診斷、環(huán)境檢測(cè)等諸多領(lǐng)域。光電倍增管的結(jié)構(gòu)和特性光電倍增管由光電陰極、倍增極、陽(yáng)極和真空管殼組成，它的工作原理是建立在光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論的基礎(chǔ)上的。光電倍增管的陰極和陽(yáng)極之間接有高壓，入射光打在陰極上，激勵(lì)陰極發(fā)出光電子，光電子在外加電場(chǎng)的作用下經(jīng)過(guò)聚焦、匯聚在倍增電極，通過(guò)碰撞倍增極表面的二次電子發(fā)射材料，輸出放大成電子流，經(jīng)過(guò)多次倍增后被陽(yáng)極接收并輸出。光電倍增管根據(jù)入射光形式可以分為端窗式和側(cè)窗式；以探測(cè)光譜不同可分為紫外光、可見(jiàn)光、近紅外等；以倍增系統(tǒng)的不同可分為打拿極和微通道板；以外形不同可分為球形和圓柱形以及方形；以陽(yáng)極輸出的不同可分為單陽(yáng)極和多陽(yáng)極等。光電倍增管有極高的靈敏度，可以探測(cè)微弱的光信號(hào)，甚至僅有10-18~10-17w的單光子信號(hào)都能探測(cè)，特別是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的具有不透光多堿光電陰極的側(cè)窗管R1477,其光照靈敏度已經(jīng)高達(dá)375yA/lm,堪稱世界上不透明多堿光電陰極的最高水平。光電倍增管陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流通過(guò)倍增后被放大成較大的陽(yáng)極輸出電流。電流放大倍數(shù)就是光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流和陰極光電子電流的比值。在理想情況下，具有n個(gè)倍增極，每個(gè)倍增極的平均二次電子發(fā)射率為8的光電倍增管的電流增益為血。二次電子發(fā)射率8由6=AEa給出,A為一常數(shù)，E為極間電壓，a為由倍增極材料及其幾何結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)，a的數(shù)值一般介于0.7和0.8之間。無(wú)光照射時(shí)，光電倍增管仍有微小的輸出電流，即暗電流，它是決定光電倍增管對(duì)微弱光信號(hào)的檢出能力的重要因素之一。暗電流的產(chǎn)生與電源電壓有密切關(guān)系。在低電壓時(shí)，暗電流由漏電流決定;電壓較高時(shí)，主要是熱電子發(fā)射;電壓再增大，會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)致發(fā)射和殘余氣體離子發(fā)射，使暗電流急劇增加，甚至可能發(fā)生自持放電。實(shí)際應(yīng)用中，為了得到比較高的信噪比，必須選擇適當(dāng)?shù)臉O間電壓。測(cè)井儀器中的應(yīng)用在自然伽馬能譜井儀器中，伽馬射線探測(cè)器由抗潮性好的碘化銫（CsI）閃爍體和光電倍增管組成。地層的伽馬射線射到CsI晶體上，發(fā)生光電效應(yīng)、康-吳散射和電子對(duì)生成效應(yīng)，產(chǎn)生次級(jí)電子和閃爍晶體作用，使晶體分子或原子發(fā)生激發(fā)和電離，退激后產(chǎn)生熒光分子。熒光分子收集到光陰極上，產(chǎn)生熒光電子，它們射到光電倍增管的打拿極上，并在光電倍增管放大后收集到陽(yáng)極，形成熒光光電流脈沖。經(jīng)過(guò)光電倍增管的負(fù)載電阻，產(chǎn)生與伽馬光子能量成正比的電壓負(fù)脈沖信號(hào)，再通過(guò)耦合電容后由前置放大器倒相放大送到脈沖幅度分析器（PHA）。PHA電路把能譜脈沖的幅度轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，轉(zhuǎn)換精度為8位，相應(yīng)于256道脈沖幅度分析。變換后得到的脈沖幅度數(shù)字量送到增量器進(jìn)行電路處理。每個(gè)數(shù)字量對(duì)應(yīng)單片機(jī)內(nèi)存中的一個(gè)地址，稱為一道，每收集到一個(gè)脈沖，就在相應(yīng)的道值上加1。單片機(jī)中每個(gè)道址逐步累積起不同的計(jì)數(shù)，它們?cè)诘孛嫦到y(tǒng)上便顯示成被測(cè)伽馬射線的脈沖幅度譜，其橫坐標(biāo)是脈沖幅度對(duì)應(yīng)的道址，而縱坐標(biāo)是每個(gè)道址的計(jì)數(shù)。原理框圖如圖所示。在密度測(cè)井儀中，探頭部分由兩個(gè)NaI閃爍晶體、兩個(gè)光電倍增管及一個(gè)0.5yCi銫源組成，0.5yCi銫源裝配在長(zhǎng)源距晶體部位，用于監(jiān)控長(zhǎng)源距探頭的穩(wěn)定性。來(lái)自于2Ci銫源的伽馬射線照射周圍井眼，經(jīng)康-吳散射的地層伽馬射線進(jìn)入長(zhǎng)、短源距窗口。當(dāng)被晶體捕獲后，產(chǎn)生離散的光子，在光電倍增管內(nèi)，那些光子變成電脈沖，電脈沖經(jīng)過(guò)一系列打拿極后被放大，這些信號(hào)分別送到短源距和長(zhǎng)源距前放部分的輸入端進(jìn)行處理。原理框圖如圖所示。在核子密度計(jì)中的應(yīng)用核子密度計(jì)主要由放射源、探測(cè)器、主機(jī)組成。利用放射源發(fā)射出能量約為662keV的中能y射線束，當(dāng)Y射線束穿過(guò)礦漿液時(shí)，根據(jù)待測(cè)物密度不同而產(chǎn)生不同程度的衰減。透射的Y射線束穿過(guò)礦漿液，進(jìn)入探測(cè)器。探測(cè)器將Y射線轉(zhuǎn)換輸出脈沖信號(hào)；脈沖信號(hào)進(jìn)入主機(jī)計(jì)算處理并記錄、顯示礦漿液的密度。y射線穿過(guò)待測(cè)物后衰減程度遵循一般指數(shù)定律。即當(dāng)過(guò)漿管固定后，密度計(jì)探測(cè)器通過(guò)測(cè)到的射線計(jì)數(shù)率即可由主機(jī)算出漿液的密度值。透射射線的計(jì)數(shù)率和漿液密度自己存在指數(shù)關(guān)系：I二Ie（-叩）0式中：I為透射計(jì)數(shù)率；10為射線計(jì)數(shù)率；t為密度計(jì)安裝管道直徑（m）；p為礦漿密度（g/m3）；卩為質(zhì)量吸收系數(shù)（m2/g）。當(dāng)過(guò)漿管直徑固定后，密度計(jì)探測(cè)器通過(guò)測(cè)到的射線計(jì)數(shù)率即可由主機(jī)算出漿液的密度值。用標(biāo)準(zhǔn)液體水可以推導(dǎo)出密度計(jì)的計(jì)算公式，公式推導(dǎo)如下：I=Ie（-w水t）水0I=Ie（礦漿）礦漿0上式聯(lián)立即可得：p=p+（InI-InI）/wt礦漿水水礦漿在紫外光語(yǔ)音接收系統(tǒng)中的應(yīng)用紫外光語(yǔ)音通信系統(tǒng)的基本原理是利用紫外光傳遞數(shù)字信號(hào)，完成通信過(guò)程。模擬的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)語(yǔ)音模塊轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)，串行信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制LED的閃爍，有效信息被輻射出去。紫外光語(yǔ)音接收系統(tǒng)包括：探測(cè)器電路、信號(hào)處理電路、解調(diào)模塊和語(yǔ)音解碼模塊等。光電倍增管將探測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，完成光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)電流/電壓轉(zhuǎn)換、放大、濾波、整形和解調(diào)等相應(yīng)的信號(hào)處理，將語(yǔ)音信號(hào)從光信號(hào)中恢復(fù)出來(lái)，通過(guò)喇叭輸出，完成通信過(guò)程。在高壓電力設(shè)備放電檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用高壓設(shè)備放電會(huì)輻射出紫外光，通過(guò)檢測(cè)紫外光的強(qiáng)度來(lái)評(píng)估放電的情況，是檢測(cè)高壓設(shè)備放電的一種新方法。檢測(cè)系統(tǒng)由傳感器模塊、信號(hào)處理模塊、人機(jī)接口模塊和電源模塊四部分組成。以光電倍增管為檢測(cè)傳感器，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換后，在單片機(jī)中進(jìn)行積分操作以測(cè)量放電產(chǎn)生的紫外輻射的功率，通過(guò)人機(jī)接口來(lái)操作顯示處理結(jié)果。傳感器模塊由光電倍增管和前端濾光系統(tǒng)組成。因?yàn)樘?yáng)光中波長(zhǎng)小于280mm的部分紫外線幾乎全部被大氣中的臭氧所吸收，此區(qū)間被稱為日盲區(qū)。故采用特定的紫外傳感器，使儀器工作在紫外波長(zhǎng)的日盲區(qū)，可去除日光的干擾，提高精度。濾光片在作用就是改變光電倍增管的反應(yīng)區(qū)間，使其工作在日盲區(qū)。6結(jié)論光電倍增管作為一種較早發(fā)展起來(lái)的真空光電探測(cè)器件，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療軍事、工業(yè)等諸多領(lǐng)域。同時(shí)隨著整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,光電倍增管的發(fā)展速度越來(lái)越快,其基礎(chǔ)工藝不斷改進(jìn),性能參數(shù)逐步提高,許多特種功能和特種結(jié)構(gòu)的光電倍增管也將不斷涌現(xiàn)，對(duì)于規(guī)模龐大的光電儀器儀表產(chǎn)業(yè)的重要支撐和推動(dòng)作用仍將繼續(xù)下去。參考文獻(xiàn)趙文錦.光電倍增管的技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)[J].光子學(xué)報(bào).2011,31(3):145-148.魏琳，尹國(guó)平.光電倍增管在測(cè)井儀器中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào).2010,24(3):27-28.⑶黃曉博，楊永明.基于光電倍增管的高壓電力設(shè)備放點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].高壓電器.2009,45(3):28-31.[4]俞琨，馮偉，納新.光電倍增管在射線密度計(jì)中的應(yīng)用[J].冶金學(xué)報(bào).2009,38(5):55-57.⑸張驍，胡昊，王紅星.基于PMT的紫外光語(yǔ)音接收