基于光电倍增管的光电检测系统

基于光电倍增管的光电检测系统摘要：光电倍增管（简称PMT）是灵敏度极高，响应速度极快的光电探测器，本文简述光电倍增管的结构和用途，并介绍光电倍增管在图像采集、射线密度计、测井仪器等中的应用。关键词：光电倍增管；射线密度计；图像采集；测井仪器引言光电倍增管于1934年研制成功，作为把微弱光转换成光电子并倍增的重要的真空光电发射器件，它得到了飞速的发展，特别是80年代以后，各种光电倍增管层出不穷，性能不断得到优化。由于光电倍增管具有极高的灵敏度、快速响应等特点，在探测微弱光信号及快速脉冲光信号方面是一个重要的探测期间。因此被广泛应用到光谱分析、图像采集诊断、环境检测等诸多领域。光电倍增管的结构和特性光电倍增管由光电阴极、倍增极、阳极和真空管壳组成，它的工作原理是建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论的基础上的。光电倍增管的阴极和阳极之间接有高压，入射光打在阴极上，激励阴极发出光电子，光电子在外加电场的作用下经过聚焦、汇聚在倍增电极，通过碰撞倍增极表面的二次电子发射材料，输出放大成电子流，经过多次倍增后被阳极接收并输出。光电倍增管根据入射光形式可以分为端窗式和侧窗式；以探测光谱不同可分为紫外光、可见光、近红外等；以倍增系统的不同可分为打拿极和微通道板；以外形不同可分为球形和圆柱形以及方形；以阳极输出的不同可分为单阳极和多阳极等。光电倍增管有极高的灵敏度，可以探测微弱的光信号，甚至仅有10-18~10-17w的单光子信号都能探测，特别是近年来开发的具有不透光多碱光电阴极的侧窗管R1477,其光照灵敏度已经高达375yA/lm,堪称世界上不透明多碱光电阴极的最高水平。光电倍增管阴极产生的很小的光电子电流通过倍增后被放大成较大的阳极输出电流。电流放大倍数就是光电倍增管的阳极输出电流和阴极光电子电流的比值。在理想情况下，具有n个倍增极，每个倍增极的平均二次电子发射率为8的光电倍增管的电流增益为血。二次电子发射率8由6=AEa给出,A为一常数，E为极间电压，a为由倍增极材料及其几何结构决定的系数，a的数值一般介于0.7和0.8之间。无光照射时，光电倍增管仍有微小的输出电流，即暗电流，它是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素之一。暗电流的产生与电源电压有密切关系。在低电压时，暗电流由漏电流决定;电压较高时，主要是热电子发射;电压再增大，会导致场致发射和残余气体离子发射，使暗电流急剧增加，甚至可能发生自持放电。实际应用中，为了得到比较高的信噪比，必须选择适当的极间电压。测井仪器中的应用在自然伽马能谱井仪器中，伽马射线探测器由抗潮性好的碘化铯（CsI）闪烁体和光电倍增管组成。地层的伽马射线射到CsI晶体上，发生光电效应、康-吴散射和电子对生成效应，产生次级电子和闪烁晶体作用，使晶体分子或原子发生激发和电离，退激后产生荧光分子。荧光分子收集到光阴极上，产生荧光电子，它们射到光电倍增管的打拿极上，并在光电倍增管放大后收集到阳极，形成荧光光电流脉冲。经过光电倍增管的负载电阻，产生与伽马光子能量成正比的电压负脉冲信号，再通过耦合电容后由前置放大器倒相放大送到脉冲幅度分析器（PHA）。PHA电路把能谱脉冲的幅度转变为数字量，转换精度为8位，相应于256道脉冲幅度分析。变换后得到的脉冲幅度数字量送到增量器进行电路处理。每个数字量对应单片机内存中的一个地址，称为一道，每收集到一个脉冲，就在相应的道值上加1。单片机中每个道址逐步累积起不同的计数，它们在地面系统上便显示成被测伽马射线的脉冲幅度谱，其横坐标是脉冲幅度对应的道址，而纵坐标是每个道址的计数。原理框图如图所示。在密度测井仪中，探头部分由两个NaI闪烁晶体、两个光电倍增管及一个0.5yCi铯源组成，0.5yCi铯源装配在长源距晶体部位，用于监控长源距探头的稳定性。来自于2Ci铯源的伽马射线照射周围井眼，经康-吴散射的地层伽马射线进入长、短源距窗口。当被晶体捕获后，产生离散的光子，在光电倍增管内，那些光子变成电脉冲，电脉冲经过一系列打拿极后被放大，这些信号分别送到短源距和长源距前放部分的输入端进行处理。原理框图如图所示。在核子密度计中的应用核子密度计主要由放射源、探测器、主机组成。利用放射源发射出能量约为662keV的中能y射线束，当Y射线束穿过矿浆液时，根据待测物密度不同而产生不同程度的衰减。透射的Y射线束穿过矿浆液，进入探测器。探测器将Y射线转换输出脉冲信号；脉冲信号进入主机计算处理并记录、显示矿浆液的密度。y射线穿过待测物后衰减程度遵循一般指数定律。即当过浆管固定后，密度计探测器通过测到的射线计数率即可由主机算出浆液的密度值。透射射线的计数率和浆液密度自己存在指数关系：I二Ie（-叩）0式中：I为透射计数率；10为射线计数率；t为密度计安装管道直径（m）；p为矿浆密度（g/m3）；卩为质量吸收系数（m2/g）。当过浆管直径固定后，密度计探测器通过测到的射线计数率即可由主机算出浆液的密度值。用标准液体水可以推导出密度计的计算公式，公式推导如下：I=Ie（-w水t）水0I=Ie（矿浆）矿浆0上式联立即可得：p=p+（InI-InI）/wt矿浆水水矿浆在紫外光语音接收系统中的应用紫外光语音通信系统的基本原理是利用紫外光传递数字信号，完成通信过程。模拟的语音信号通过语音模块转换成串行数字信号，串行信号通过驱动电路控制LED的闪烁，有效信息被辐射出去。紫外光语音接收系统包括：探测器电路、信号处理电路、解调模块和语音解码模块等。光电倍增管将探测到的光信号转换成电流信号，完成光电转换，再经过电流/电压转换、放大、滤波、整形和解调等相应的信号处理，将语音信号从光信号中恢复出来，通过喇叭输出，完成通信过程。在高压电力设备放电检测系统的应用高压设备放电会辐射出紫外光，通过检测紫外光的强度来评估放电的情况，是检测高压设备放电的一种新方法。检测系统由传感器模块、信号处理模块、人机接口模块和电源模块四部分组成。以光电倍增管为检测传感器，传感器的输出信号经过滤波放大、A/D转换后，在单片机中进行积分操作以测量放电产生的紫外辐射的功率，通过人机接口来操作显示处理结果。传感器模块由光电倍增管和前端滤光系统组成。因为太阳光中波长小于280mm的部分紫外线几乎全部被大气中的臭氧所吸收，此区间被称为日盲区。故采用特定的紫外传感器，使仪器工作在紫外波长的日盲区，可去除日光的干扰，提高精度。滤光片在作用就是改变光电倍增管的反应区间，使其工作在日盲区。6结论光电倍增管作为一种较早发展起来的真空光电探测器件，被广泛应用于医疗军事、工业等诸多领域。同时随着整个科学技术的发展,光电倍增管的发展速度越来越快,其基础工艺不断改进,性能参数逐步提高,许多特种功能和特种结构的光电倍增管也将不断涌现，对于规模庞大的光电仪器仪表产业的重要支撑和推动作用仍将继续下去。参考文献赵文锦.光电倍增管的技术发展状态[J].光子学报.2011,31(3):145-148.魏琳，尹国平.光电倍增管在测井仪器中的应用[J].仪器仪表学报.2010,24(3):27-28.⑶黄晓博，杨永明.基于光电倍增管的高压电力设备放点检测系统的设计[J].高压电器.2009,45(3):28-31.[4]俞琨，冯伟，纳新.光电倍增管在射线密度计中的应用[J].冶金学报.2009,38(5):55-57.⑸张骁，胡昊，王红星.基于PMT的紫外光语音接收