光电技术 第5版 课件 第4章4.2节 真空光电管与光电倍增管（PMT）的工作原理

4.4TMP的供电电路

4.4.1电阻链分压型供电电路

TMP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。本节介绍最常用的电阻分压式供电电路。

TMP各倍增极的电子倍增效应，各级电子流按放大倍率分布，Ia最大。流过每级电阻链的电流并不相等，流过分压电阻的电流IR远远大于Ia时，即IR＞＞

Ia时，流过各Ri的电流将近似相等。工程上常设计IR大于等于10倍的Ia电流。IR≥10Ia

IR太，分压电阻的功耗加大，温升高导致性能下降，以至于无法工作。选定IR后，可以计算出电阻链分压器的总阻值R

1、电阻链的设计

R=Ubb/IR各分压电阻Ri

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。由可以计算出UDD与Ubb。3.末极的并联电容

入射辐射为高速迅变或脉冲辐射时，末3倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，导致增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极需并联3个电容C1、C2与C3，使其稳定。电容C1、C2与C3计算公式为式中，Iam峰值电流，τ持续时间，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TMP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

对银镁合金倍增极

由于TMP的输出信号Uo=GSkφvRL，输出信号的稳定度与增益的稳定度密切相关

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=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA此时，PMT的增益G应为

N=8，每一级的增益δ=4.227，SbCs倍增极材料的增益δ与极间电压UDD有，，可计算出δ=4.227时的极间电压UDD

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=GSKφvm=1.02×105×40×10-6×12×10-6=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)计算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

4.5

光电倍增管的典型应用

4.5.1光谱探测领域的应用TMP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。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

发射光谱分析仪的基本原理如图4-10所示

2．吸收光谱

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，Iv为螯合物激发出的荧光光强。

图4-13所示为载荷配位体β-NTA的螯合物荧光时间特性。图中，激发光刚刚结束的时刻为初始时刻t=0，在最初的很短时间内，短寿命荧光很快结束，长寿命荧光在400ns时间内也会消失或降低到很低的程度，而有用的荧光出现在400ns~800ns时间段内（图中斜线所标注的时间段）。

在800ns~1000ns时间内有用的荧光将衰减到零。1000ns后开始新的循环。

2.TRFIA的测量原理

4.1该题主要目的是让读者充分认识光电发射阈值概念，注意N型与P型半导体材料的光电发射阈值的差异。4.2二者主要差异为增益。4.3光电阴极面做成球形的主要好处是能够使光波均匀照射到阴极面上，完成均匀的光电发射。盒栅式倍增极具有电子聚焦作用而百叶栅式没有。4.4复习光电技术第4版教材P74，电流增益。4.5复习光电技术第4版教材P74、P75，增强光电倍增管暗电流的认识。4.6参考光电技术第4版P75、P76内容。4.7主要考虑TMP对入射辐射光谱特性与白光特性。4.8要根据TMP内导电机制的特点，电子在真空中飞行会受到电场与磁场的作用。第4章思考题与习题解题思路4.9主要考虑光电倍增极的特性，具有一定的不稳定性。4.10短波限要受入射玻璃窗的影响，长波限受光电发射阈值的限制。4.11阳极灵敏度实际上是个比例，阴极面上的光通量不能太高，必须限制在一定范围内。阳极电流太高会抬高阳极电位，影响末极倍增特性，另外，阳极电流太高阳极电阻上的功耗增大，同时光电倍增管的功耗增大，不利于长期稳定工作。4.13主要考虑接地问题和安全问题。4.14、4.15、4.163个计算题均按照书中的实例得到答案。4.17聚光透镜的作用是使发散的被测