光电倍增管的外部电路报告

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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，可以依据应用的状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级倍增极供给电压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,I,a,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,I,R,远远大于,I,a,时，即,I,R,I,a,时，流过各分压电阻,R,i,的电流近似相等。工程上常设计,I,R,大于等于10倍的,I,a,电流。,I,R,10,I,a,选择的太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度上升导致性能的降低，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,=,U,bb,/,I,R,各分压电阻,R,i,为,而,R,1,应为,R,1,=1.5,R,i,2、电源电压,极间供电电压UDD直接影响着二次电子放射系数，或管子的增益G。因此，依据增益G的要求可以设计出极间供电电压UDD与电源电压Ubb。,由,可以计算出,U,DD,与,U,bb,。,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,U,DD,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C,1,、C,2,与C,3,，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。,电容C,1,、C,2,与C,3,的计算公式为,式中,N,为倍增极数，,I,am,为阳极峰值电流，为脉冲的持续时间，,U,DD,为极间电压，,L,为增益稳定度的百分数。,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,对锑化铯倍增极,由于光电倍增管的输出信号,U,o,=,GS,k,v,R,L,，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关,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洁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=1210-6lm，当承受GDB-235型倍增管为光电探测器，它的倍增级数为8级，阴极为SbCs材料，倍增极也为SbCs材料，SK=40A/lm，假设要求入射光通量在610-6lm时的输出电压幅度不低于0.2V，试设计该PMT的变换电路。假设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到达多少？,依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,I,amin,=U,O,/R,a,=0.2V/82 k=2.439A,入射光通量为0.610,-6,lm时的阴极电流为,I,K,=,S,K,v,=4010,-6,0.610,-6,=2410,-6,A,此时，PMT的增益,G,应为,SbCs,倍增极材料的增益,与极间电压,U,DD,有,总电源电压,U,bb,为,Ubb=N+1.5UDD=741V,N,=8，每一级的增益,=4.227,(2)计算偏置电路电阻链的阻值,偏置电路承受如图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=1.021054010-61210-6=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,例4-2 假设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,运算放大器输出,PMT,V,R,f,C,f,输出的电压,4-5,光电倍增管的应用,一、光谱学-利用光吸取原理,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，而失去局部能量，称为吸取。利用吸取进展定量分析。为确定样品物质的量，承受连续的光谱对物质进展扫描，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取程度，计算出物质的量。,2.原子吸取分光光度计,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，照射燃烧并雾化分别成原子状态到被测物质上，用光电倍增管检测光被吸取的强度，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 样品承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。这种方法可以快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，特殊是分子生物学原理。物质受到光照射，放射长波的发光，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展分光测定，对物质进展定性定量的分析。由于拉曼发光极其微弱，因此检测工作需要简单的光路系统，并且承受单光子计数法。,三、质量光谱学与固体外表分析,固体外表分析 固体外表的成分和构造，可以用极细的电子、离子、光或X射线的束流，入射到物质外表，对外表发出的电子、离子、X射线等进展测定来分析。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、外表分析、吸附等。电子、离子、X射线一般承受电子倍增器或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取原理。,浊度计 当液体中有悬浮粒子时，入射光会粒子被吸取、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展观看，对特定的细胞进展选别的装置,荧光计 细胞分类的最终目的是分别细胞，为此，有一种用于对细胞、化学物质进展解析的装置，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、寿命等进展测定。,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。从闪烁扫描器开头，经逐步改进，相机的性能得到快速的进展。光电倍增管通过光导和大面积NaITl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，放射出的正电子同体内结合时，放出淬灭线，用光电倍增管进展计数，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月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，进展临床身体检查、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展化学测定。,七、射线测定,区域检测仪 可以连续地检测环境辐射水平。它承受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 射线测量仪承受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构造中的自然射线，推断油井四周的地层类型 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，比方橡胶、塑料、纸张等，承受射线源；诸如钢板等的高密度物质则使用射线。在电镀、蒸发掌握等处，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 彩色图片或照片进展印刷时，需要将其颜色进展分色扫描。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-试验,辐射计数器 在2层正交排列的瘦长塑料晶体的端部，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响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，具有肯定能量的电荷粒子会发出契伦柯夫光，测定这种光的放射角度，可以识别电荷粒子。,十二、中微子、正电子衰变试验，宇宙线检测,中微子试验 这种试验用于争论太阳中微子、宇宙线粒子物理学。用于发生契伦柯夫光的大量介质。在其四周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很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集团放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很多与天体外表温度、星际物质有关的信息。但是，地球大气层阻挡了紫外线到达地球外表，所以，在地面上不能加以测量。因此，用放射火箭的方法，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 把激光作为鼓励光源，测定样品荧光强度的时间变化，用来争论样品的分子构造。,十五、等离子体,等离子体探测 托克马克核聚变试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,