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文档简介
4.4光电倍增管的供电电路和信号输出电路(重点掌握)
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。当然,PMT的工作特性与其工作电路密切相关,工作电路的设计必须保证输出电流与入射光通量之间呈线性关系。倍增管需要直流供电,各倍增极电压相对阴极逐级升高,一般采用电阻链升压供电。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
负高压供电各倍增极的电压是由电阻链分压器供给的,典型情况是均匀分压。为了保证阳极电流Ia最大时,各级电压仍保持稳定,流进分压电阻的电流至少应比最大阳极电流大10倍以上(10~20倍)。工程上常设计IR大于等于10倍的Ia电流。IR≥10Ia
(4-25)
一般而言,分压电阻越小,IR越大,对稳定极间电压越有利。但IR太大会增加电阻的功耗,加重电源的负担。当极间电压给定后,分压电阻的最大值应取决于阳极最大的平均电流,最小值取决于高压电源的输出功率。(1)均匀分压(2)电阻链的设计原则1、在探测弱信号时,一般适当增加第一倍增极的增益,即适当提高第一倍增极与阴极之间的电压。2、中间倍增极的极间电压可根据总增益的要求选取,一般采用均匀分压的方式,即中间各倍增极的分压电阻阻值相等。3、在信号电流较大时,可能在最后两个倍增极之间由于空间电荷的影响而产生饱和现象。这时应适当加大最后两级或最后三级的极间电压。4、末极倍增极与阳极之间的电压选择应注意不要由于阳极负载的压降而影响阳极收集电子的能力。5、在脉冲大电流时,最后几个倍增极的脉冲电流很大,相应的分压电阻上的压降在脉冲期间将产生明显的突变而影响极间电位的分布。这时,常需要在最后三级的分压电阻上并联储能电容。R=Ubb/IR(4-26)
各分压电阻Ri(除第一级外)为而R1应为R1=1.5Ri2、电源电压极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数δ,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。计算出UDD与Ubb。实际中常先按均匀分压选定电流,计算出电阻链分压器的总阻值R
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,同时可以获得较高的峰值电流。
电容C1、C2与C3的计算公式为式中N为倍增极数,Iam为阳极峰值电流,τ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。4.4.3电源电压的稳定度
对锑化铯倍增极对银镁合金倍增极
由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkφvRL,因此,输出信号的稳定度与增益的稳定度有关
对锑化铯倍增极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%。PMT后接的放大器常采用电压输入,因此要用负载电阻将输出电流变换为电压。负载电阻的选择应考虑它的压降不能过大,否则将影响阳极的接收特性,使管字偏离线性工作范围。同时还要考虑负载电阻的热噪声。4.4.4负载电阻4.3.5、接地方式*(1)阳极接地(阴极负高压供电)阳极输出方便,既可接交流放大器,也可接直流放大器。但阴极处于负高压,因屏蔽罩都是与机壳相连接地的,所以光、磁、电的屏蔽罩不能与阴极太近,至少要间隔1~2cm,因此PMT的外形尺寸就大,同时暗电流和噪声也较高。(方便、安全、噪声大)(2)阴极接地(阳极正高压供电)光、磁、电的屏蔽罩跟阴极靠得很近,屏蔽效果好,暗电流小,噪声电平低。但由于阳极处于正高压会导致寄生电容增大,匹配电缆连接复杂。若后面需接直流放大器时,整个放大器就处于高电压,这样会产生不便;若后面接交流放大器,就必须有一个耐压很高的隔直电容器。(噪声小、不方便、不安全)例4-1设入射到PMT上的最大光通量为φv=12×10-6lm左右,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=40μA/lm,若要求入射光通量在0.6×10-6lm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?解(1)首先计算供电电源的电压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=82kΩ,阳极电流应不小于Iamin,因此
Iamin=UO/Ra=0.2V/82kΩ=2.439μA入射光通量为0.6×10-6lm时的阴极电流为IK=SKφv=40×0.6×10-6=24×10-6μA此时,PMT的增益G应为由于,N=8,因此,每一级的增益δ=4.227,SbCs倍增极材料的总电源电压Ubb为Ubb=(N+1.5)UDD=741V(2)计算偏置电路电阻链的阻值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=GSKφvm=1.02×105×40×12×10-6=48.96μA取IRi≥10Iam,则
IRi=500μA因此,电阻链的阻值Ri=UDD/IRi=156kΩ取Ri=120kΩ,R1=1.5Ri=180kΩ。(3)根据式(4-35)得输出信号电压的稳定度最高为例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=GSKφVm
故阴极面上的入射光通量不能超过4.4.5光电倍增管的信号输出电路1、负载电阻输出光电倍增管的上限截止频率:若外部运算放大器的输入阻抗为Rin,光电倍增管的有效负载阻抗为:2、运算放大器输出-表示放大器的偏置电流在微弱光信号测量中,一般在放大器的反向输入端加入一定的补偿电流,以抵消偏置电流最大输出电压大约等于前置放大器的工作电压光电倍增管的使用要点1、使用前应了解器件的特性:灵敏度高、惰性小、供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差,应注意防震和高压下的安全性。2、使用时不可用强光照射。光照过强时,光电特性的线性变差,易使光电阴极疲劳,缩短寿命。3、工作电流不宜过大(微安级)。会烧毁阴极面或使倍增极二次电子发射系数下降,增益降低、光电线性变差,缩短寿命。4、测量交变光时,负载电阻不宜过大,否则时间常数变大,频带将变窄,影响动态特性。5、为了得到较大的线性输出电压,应选用阳极特性平直线段范围宽的管子,并接以较大的负载电阻。1、光电倍增管各倍增极的发射系数δ与很多因素有关,最主要的因素是倍增极的材料和结构。
2、光电管的工作原理是,在光电管的阴极和阳极之间加一定的电压,阳极为负极,阴极为正极。
3、在较强辐射作用下倍增管的灵敏度下降的现象称为衰老。4、光电倍增管的暗电流是指在施加规定电压后测定的阳极电
流。5、为使阴极面各处的灵敏度均匀,受光均匀,常把光电倍增管的光电阴极做成球面。
判断题
1、光电倍增管的短波限和长波限由什么因素决定?
A、光电阴极材料、倍增级材料和窗口材料
B、光电阴极材料和倍增级材料
C、窗口材料和倍增级材料
D、窗口材料和光电阴极材料2、光电倍增管按倍增级结构可分为
A、端窗式和测窗式
B、聚焦型和非聚焦型
C、百叶窗型和盒栅式
D、瓦片静电聚焦型和圆形鼠笼式
3、某光电倍增管的阳极灵敏度为10A/lm,为什么还要限制它的阳极输出电流在50-100μA?
A、因为阳极电流过大会使测量数据不稳定
B、阳极输出电流在50-100μA时,电子流不能被阳极所吸
收,达到饱和区
C、因为阳极电流过大会加速光电倍增管的疲劳与老化
D、引起光电倍增管的非线性
选择题各种光电探测器性能比较1、动态特性(频率响应与时间响应)PMT和光电二极管(尤其PIN与APD)最好;2、光电特性(即线性)PMT、光电二极管、光电池、光电三极管、光敏电阻;3、灵敏度PMT、APD、光敏电阻和光电三极管为最好。注意:灵敏度高不一定输出电流大,输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、APD与光电三极管;4、外加电压最低的是光电二极管、光电三极管,光电池可不外加电源;4、暗电流PMT与光电二极管最小,光电池不加电源时无暗电流,加反压后暗电流比光电三极管大;5、稳定性光电二极管和光电池最好,其次是光电三极管;6、光谱响应PMT和CdSe光敏电阻最宽。4.5
光电倍增管的典型应用
4.5.1光谱探测领域的应用
光电倍增管不但具有极高的光电灵敏度、极快的响应速度、极低的暗电流低和噪声,还能够在很大范围内调整内增益。因此,它在微光探测、快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用。
1、发射光谱仪2.吸收光谱仪吸收光谱仪是光谱分析中的另一种重要的仪器。吸收光谱仪的原理图如图4-11所示,它与发射光谱仪的主要差别是光源。发射光谱仪的光源为被测光源,而吸收光谱仪的光源为已知光谱分布的光源。吸收光谱仪与发射光谱仪相比,它比发射光谱仪多一个承载被测物的样品池。4.5.2(了解)时间分辨荧光免疫分析中的应用1983年,由Pettersson和Eskola等提出了用时间分辨荧光免疫分析(time-resolvedfluoroimmunoassay,TRFIA)法测定人绒毛膜促性腺激素和胰磷脂酶在临床医学研究中的应用,在10多年中,获得迅速发展。成为最有发展前途的一种全新的非同位素免疫分析技术。1.时间分辨荧光免疫分析法TRFIA的原理时间分辨荧光免疫分析法是用镧系元素为标记物,标记抗原或抗体,用时间分辨技术测量荧光,同时利用波长和时间两种分辨,极其有效地排除了非特异荧光的干扰,大大地提高了分析灵敏度。图4-12所示为镧系元素螯合物与典型配位体β-NTA的吸收光谱与发光光谱图。图中曲线1为镧系元素螯合物与配位体β-NTA的吸收光谱。由曲线1可以看出螯合物与配位体β-NTA对320~360nm的紫外光具有很高的吸收,因此,常用含有320~360nm光的脉冲氙灯或氮激光器为激发光源使装载配位体的螯合物激发荧光。Eu3+β-NTA螯合物在激发光源的作用下将发出如图中曲线2与3所示的荧光光谱。曲线3光谱载荷着配位体β-NTA的信息。图4-12为双坐标曲线图,其中re,r为螯合物的相对吸收系数,I
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