光电倍增管的供电电路

4.4 光电倍增管的供电电路 4.4.1 电阻链分压型供电电路 光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点， 使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为 首选的光电探测器。 光电倍增管的供电电路种类很多，可以根据应用的 情况设计出各具特色的供电电路。本节介绍最常用的电 阻分压式供电电路。 如图 4-8所示为典型光电倍增管的电阻分压式供电电 路 。 电路由 11个电阻构成电阻链分压器 ， 分别向 10级倍增 极提供电压 UDD。 1、电阻链的设计 考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级的 电子流按放大倍率分布，其中，阳极电流 Ia最大。因此， 电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但是，当 流过分压电阻的电流 IR远远大于 Ia时，即 IR Ia时，流 过各分压电阻 Ri的电流近似相等。工程上常设计 IR大于等 于 10倍的 Ia电流。 IR10Ia 选择的太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度升高 导致性能的降低，以至于温升太高而无法工作。 选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值 R R=Ubb/IR 各分压电阻 Ri 为 R bb i 1 . 5 )(N I UR 而 R1应为 R 1=1.5 Ri 2、电源电压 极间供电电压 UDD直接影响着二次电子发射系数 ，或 管子的增益 G。因此，根据增益 G的要求可以设计出极间 供电电压 UDD与电源电压 Ubb。 0 . 7 nDDn( 0 . 2 ) UG n DDn( 0 . 0 2 5 ) UG 由 可以计算出 UDD与 Ubb。 3. 末极的并联电容 当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末 3级 倍增极电流变化会引起较大 UDD的变化，引起光电倍增管 增益的起伏，将破坏信息的变换。在末 3极并联 3个电容 C1、 C2与 C3，通过电容的充放电过程使末 3级电压稳定。 电容 C1、 C2与 C3的计算公式为 DD am 1 L N70 U IC 式中 N为倍增极数， Iam为阳极峰值电流， 为脉冲的 持续时间， UDD为极间电压， L为增益稳定度的百分数。 1 2 CC 2 1 3 CC 4.4.3 电源电压的稳定度 可得到光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度 的关系 DD DD7.0 U UN G G bb bb7.0 U UN G G 对锑化铯倍增极 0 . 7 N DD N( 0 . 2 ) UG NDDN( 0 . 0 2 5 ) UG bb bb U Un G G 由于光电倍增管的输出信号 Uo=GSk vRL，因此， 输出信号的稳定度与增益的稳定度有关 bb bb U Un G G U U 对银镁合金倍增极 在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认 为高于输出电压稳定度 一个数量级 。例如，当要求输出电 压稳定度为 1%时，则要求电源电压稳定度应高于 0.1%。 例 4-1 设入射到 PMT上的最大光通量为 v=12 10-6lm， 当采用 GDB-235型倍增管为光电探测器，已知 它的倍增 级数 为 8级，阴极为 SbCs材料，倍增极也为 SbCs材料， SK=40 A/lm，若要求入射光通量在 6 10-6lm时的输出电 压幅度不低于 0.2V，试设计该 PMT的变换电路。若供电 电压的稳定度只能做到 0.01%，试问该 PMT变换电路输出 信号的稳定度最高能达到多少？ 根据题目对输出电压幅度的要求和 PMT的噪声特性，可以 选择阳极电阻 Ra=82k，阳极电流应不小于 Iamin，因此 解 (1) 首先计算供电电源的电压 Iamin=UO/Ra=0.2V /82 k=2.439A 入射光通量为 0.6 10-6lm时的阴极电流为 IK= SKv=40 10-6 0.6 10-6=24 10-6A 此时， PMT的增益 G应为 5 6 m i n 1002.1 1024 4 3 9.2 K a I IG SbCs倍增极材料的增益 与极间电压 UDD有 0 . 7 DD )(2.0 U V782.07.0DD U 总电源电压 Ubb为 Ubb=（ N+1.5） UDD=741V NG N=8，每一级的增益 =4.227 (2) 计算偏置电路电阻链 的阻值 偏置电 路采用如图 4-8所示的供电电路 ， 设流过电阻链的 电流为 IRi， 流过阳极电阻 Ra的最大电流为 Iam=GSKvm=1.02 105 40 10-6 12 10-6=48.96A 取 IRi10 Iam， 则 IRi=500A 因此 ， 电阻链的阻值 Ri= UDD/ IRi=156k 取 Ri=120 k， R1=1.5Ri=180 k。 (3) 输出信号电压的稳定度最高为 %08.0%01.08 bb bb U Un U U 例 4-2 如果 GDB-235的阳极最大输出电流为 2mA， 试 问阴极面上的入射光通量不能超过多少 lm？ 解 由于 Iam=G SKVm 故阴极面上的入射光通量不能超过 )Lm(1049.01040101 . 0 2 102 / 365 3 KamVm SGI 运算放大器输出 PMT V Rf Cf pf IRV 0 输出的电压 4-5 光电倍增管的应用 一、 光谱学 - 利用光吸收原理 1.紫外 /可见 /近红外分光光度计 光通过物质时使物质的电子状态发生变化， 而失去部分能量，称为吸收。利用吸收进行定量 分析。为确定样品物质的量，采用连续的光谱对 物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通过被 测物质前后的强度，即可得到被测物质吸收程度， 计算出物质的量。 2.原子吸收分光光度计 广泛地应用于微量金属元素的分析。对应于 分析的各种元素，需要专用的元素灯，照射燃烧 并雾化分离成原子状态到被测物质上，用光电倍 增管检测光被吸收的强度，并与预先得到的标准 样品比较。 二、利用发光原理 .发光分光光度计 样品接受外部照射光的能量会产生发光，利 用单色器将这种光的特征光谱线显示出来，用 光电倍增管探测出特征光谱线是否存在及其强 度。这种方法可以迅速地定性或定量地检查出 样品中的元素。 .荧光分光光度计 荧光分光光度计依据生物化学，特别是分子生物 学原理。物质受到光照射，发射长波的发光，这 种光称为荧光。用光电倍增管检测荧光的强度及 光谱特性，可以定性或定量地分析样品成份。 3.拉曼分光光度计 用单色光照射物质后被散乱，这种散乱光中， 只有物质特有量的不同波长光混合在里面。这 种散乱光（拉曼光）进行分光测定，对物质进 行定性定量的分析。由于拉曼发光极其微弱， 因此检测工作需要复杂的光路系统，并且采用 单光子计数法。 三、质量光谱学与固体表面分析 固体表面分析 固体表面的成分和结构，可以用极细的电子、 离子、光或 X射线的束流，入射到物质表面，对 表面发出的电子、离子、 X射线等进行测定来分 析。这种技术在半导体工业领域被用于半导体的 检查中，如缺陷、表面分析、吸附等。电子、离 子、 X射线一般采用电子倍增器或 MCP来测定。 四、环境监测 尘埃粒子计数器 尘埃粒子计数器检测大气或室内环境中悬 浮的粉尘或粒子的密度。它利用了尘埃粒子对 光的散乱或 射线的吸收原理。 浊度计 当液体中有悬浮粒子时，入射光会粒子被吸 收、折射。对人的眼睛来看是模糊的，而浊度 计正是利用了光的透过折射和散射原理，并用 数据来表示的装置。 五、生物技术 细胞分类 细胞分类仪是利用荧光物质对细胞标定后， 用激光照射，细胞的荧光、散乱光用光电倍增 管进行观察，对特定的细胞进行选别的装置 荧光计 细胞分类的最终目的是分离细胞，为此， 有一种用于对细胞、化学物质进行解析的装 置，它称为荧光计。它对细胞、染色体发出 的荧光、散乱光的荧光光谱、量子效率、偏 光、寿命等进行测定。 六、医疗应用 相机 将放射性同位素标定试剂注入病人体内，通 过 相机可以得到断层图象，来判别病灶。从闪烁 扫描器开始，经逐步改良， 相机的性能得到快速 的发展。光电倍增管通过光导和大面积 NaI（ Tl） 组合成探测器 正电子 CT 放射线同位素（ C11、 O15、 N18、 F18等）标 识的试剂投入病人体内，发射出的正电子同体内 结合时，放出淬灭 线，用光电倍增管进行计数， 用计算机作成体内正电子同位素分布的断层画面， 这种装置称为正电子 CT。 液体闪烁计数 液体闪烁计数应用于年代分析和生物化学等 领域。将含有放射性同位素物质溶于有机闪烁 体内，并置于两个光电倍增管之间，两个光电 倍增管同时检测有机闪烁体的发光。 临床检查 通过对血液、尿液中微量的胰岛素、激素、 残留药物及病毒等对于抗原、抗体的作用特性， 进行临床身体检查、诊断治疗效果等。光电倍增 管对被同位素、酶、荧光、化学发光、生物发光 物质等标识的抗原体的量进行化学测定。 七、射线测定 区域检测仪 可以连续地检测环境辐射水平。它采用光 电倍增管与闪烁体组合的方式，完成对低水平 的 射线和 射线的检测。 射线测量仪 射线测量仪采用光电倍增管与闪烁体组合 的方式完成对低水平的 射线和 射线的检测。 八、资源调查 石油测井应用 石油测井中用以确定石油沉积位置以及储量 等。内藏放射源、光电倍增管和闪烁体的探头 进入井中，分析放射源被散射的以及地质结构 中的自然射线，判断油井周围的地层类型 及密 度 九、工业计测 厚度计 工业生产中的诸如纸张、塑料、钢材等的厚 度检测，可以通过包括放射源、光电倍增管和闪 烁体的设备来实现。对于低密度物质，比如橡胶、 塑料、纸张等，采用 射线源；诸如钢板等的高 密度物质则使用 射线。（在电镀、蒸发控制等处， 镀膜的厚度可使用 X射线荧光光度计） 半导体检查系统 广泛地应用于半导体芯片的缺陷检查、掩膜 错位等。芯片的缺陷检查装置中用光电倍增管检 测芯片被激光照射后，尘埃、污染、缺陷等产生 的散乱光。 十、摄影印刷 彩色扫描 彩色图片或照片进行印刷时，需要将其颜色 进行分色扫描。分色是用光电倍增管和滤光片， 把彩色分解成三原色（红、绿、兰）和黑色， 作为图象数据读出。 十一、高能物理 - 加速器实验 辐射计数器 在 2层正交排列的细长塑料晶体的端部，配置光 电倍增管，测量带电粒子通过的位置和时间。 契伦柯夫计数器 这是用于粒子撞击反应时产生的二次粒子识别的 装置。二次粒子通过诸如气体这种介质时，具有 一定能量的电荷粒子会发出契伦柯夫光，测定这 种光的发射角度，可以识别电荷粒子。 十二、中微子、正电子衰变实验，宇宙线 检测 中微子实验 这种实验用于研究太阳中微子、宇宙线粒子 物理学。用于发生契伦柯夫光的大量介质。在其 周围配置很多大直径光电倍增管，当中微子等的 宇宙射线同介质发生相互作用，就会产生契伦柯 夫光。光电倍增管探测到契伦柯夫光，可以解析 粒子的飞来方向、能量等。 空气浴计数器 宇宙线与地球大气撞击时，同大气原子发生作用， 生成二次粒子，并进一步生成三次粒子。这样地增 加下去，称作空气浴。这种空气浴产生的 线、契 伦柯夫光，由在地面上排列成格子状的许多光电倍 增管来探测。 十三、宇宙 天体 X线探测 来自宇宙的 X线中，含有很多揭开宇宙之谜的信 息。 ISAS集团发射了探测超新星发出的天体 X线 的 “ 阿斯卡 ” 卫星，其中使用的探测器就是位置 灵敏光电倍增管和气体正比计数管的组合体。 恒星及星际尘埃散乱光的测定 来自宇宙的紫外线有许多与天体表面温度、星 际物质有关的信息。但是，地球大气层阻止了 紫外线到达地球表面，所以，在地面上不能加 以测量。因此，用发射火箭的方法，在火箭上 搭载装置，探测 300nm以下的紫外线。 激光雷达 激光雷达用于高精度测距、大气观测等。 十四、激光 荧光寿命测定 把激光作为激励光源，测定样品荧光强度的 时间变化，用来研究样品的分子结构。 十五、等离子体 等离子体探测 托克马克核聚变实验中的等离子电子密度、 电子温度测量系统中，使用光电倍增管用来计 测等离子中的杂质。 作业： P105 4.4 4.5 4.11, 4.12, 4.14, 4.15 4.16