光電技術第7講課件

光電技術第七講本節(jié)內容預告光電倍增管的供電電路光電倍增管的應用4.4光電倍增管的供電電路

4.4.1電阻鏈分壓型供電電路

光電倍增管具有極高的靈敏度和快速響應等特點，使它在光譜探測和極微弱快速光信息的探測等方面成為首選的光電探測器。

光電倍增管的供電電路種類很多，可以根據(jù)應用的情況設計出各具特色的供電電路。本節(jié)介紹最常用的電阻分壓式供電電路。

考慮到光電倍增管各倍增極的電子倍增效應，各級的電子流按放大倍率分布，其中，陽極電流Ia最大。因此，電阻鏈分壓器中流過每級電阻的電流并不相等，但是，當流過分壓電阻的電流IR遠遠大于Ia時，即IR＞＞

Ia時，流過各分壓電阻Ri的電流近似相等。工程上常設計IR大于等于10倍的Ia電流。

IR≥10Ia選擇的太大將使分壓電阻功率損耗加大，倍增管溫度升高導致性能的降低，以至于溫升太高而無法工作。

選定電流后，可以計算出電阻鏈分壓器的總阻值R

R=Ubb/IR各分壓電阻Ri

為而R1應為R1=1.5Ri2、電源電壓

極間供電電壓UDD直接影響著二次電子發(fā)射系數(shù)δ，或管子的增益G。因此，根據(jù)增益G的要求可以設計出極間供電電壓UDD與電源電壓Ubb。

由可以計算出UDD與Ubb。3.末極的并聯(lián)電容

當入射輻射信號為高速的迅變信號或脈沖時，末3級倍增極電流變化會引起較大UDD的變化，引起光電倍增管增益的起伏，將破壞信息的變換。在末3極并聯(lián)3個電容C1、C2與C3，通過電容的充放電過程使末3級電壓穩(wěn)定。

電容C1、C2與C3的計算公式為

式中N為倍增極數(shù)，Iam為陽極峰值電流，τ為脈沖的持續(xù)時間，UDD為極間電壓，L為增益穩(wěn)定度的百分數(shù)。

4.4.3電源電壓的穩(wěn)定度

可得到光電倍增管的電流增益穩(wěn)定度與極間電壓穩(wěn)定度的關系

對銻化銫倍增極

在實際應用中常常對電源電壓穩(wěn)定度的要求簡單地認為高于輸出電壓穩(wěn)定度一個數(shù)量級。例如，當要求輸出電壓穩(wěn)定度為1%時，則要求電源電壓穩(wěn)定度應高于0.1%。

例4-1設入射到PMT上的最大光通量為φv=12×10-6lm，當采用GDB-235型倍增管為光電探測器，已知它的倍增級數(shù)為8級，陰極為SbCs材料，倍增極也為SbCs材料，SK=40μA/lm，若要求入射光通量在6×10-6lm時的輸出電壓幅度不低于0.2V，試設計該PMT的變換電路。若供電電壓的穩(wěn)定度只能做到0.01%，試問該PMT變換電路輸出信號的穩(wěn)定度最高能達到多少？根據(jù)題目對輸出電壓幅度的要求和PMT的噪聲特性，可以選擇陽極電阻Ra=82kΩ(以Uo=GSkφvRL來估算)，陽極電流應不小于Iamin，因此解(1)首先計算供電電源的電壓

Iamin=UO/Ra=0.2V/82kΩ=2.439μA入射光通量為0.6×10-6lm時的陰極電流為

IK=SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA此時，PMT的增益G應為

(2)計算偏置電路電阻鏈的阻值偏置電路采用如圖4-8所示的供電電路，設流過電阻鏈的電流為IRi，流過陽極電阻Ra的最大電流為Iam=GSKφvm=1.02×105×40×10-6×12×10-6=48.96μA取IRi≥10Iam，則

IRi=500μA因此，電阻鏈的阻值Ri=UDD/IRi=156kΩ取Ri=120kΩ，R1=1.5Ri=180kΩ。(3)輸出信號電壓的穩(wěn)定度最高為

例4-2如果GDB-235的陽極最大輸出電流為2mA，試問陰極面上的入射光通量不能超過多少lm？解由于Iam=GSKφVm

故陰極面上的入射光通量不能超過

4-5光電倍增管的應用一、光譜學

-----利用光吸收原理

1.紫外/可見/近紅外分光光度計

光通過物質時使物質的電子狀態(tài)發(fā)生變化，而失去部分能量，稱為吸收。利用吸收進行定量分析。為確定樣品物質的量，采用連續(xù)的光譜對物質進行掃描，并利用光電倍增管檢測光通過被測物質前后的強度，即可得到被測物質吸收程度，計算出物質的量。

2.原子吸收分光光度計

廣泛地應用于微量金屬元素的分析。對應于分析的各種元素，需要專用的元素燈，照射燃燒并霧化分離成原子狀態(tài)到被測物質上，用光電倍增管檢測光被吸收的強度，并與預先得到的標準樣品比較。

二、利用發(fā)光原理１.發(fā)光分光光度計

樣品接受外部照射光的能量會產生發(fā)光，利用單色器將這種光的特征光譜線顯示出來，用光電倍增管探測出特征光譜線是否存在及其強度。這種方法可以迅速地定性或定量地檢查出樣品中的元素。

三、質量光譜學與固體表面分析

固體表面分析

固體表面的成分和結構，可以用極細的電子、離子、光或X射線的束流，入射到物質表面，對表面發(fā)出的電子、離子、X射線等進行測定來分析。這種技術在半導體工業(yè)領域被用于半導體的檢查中，如缺陷、表面分析、吸附等。電子、離子、X射線一般采用電子倍增器或MCP來測定。

四、環(huán)境監(jiān)測

塵埃粒子計數(shù)器

塵埃粒子計數(shù)器檢測大氣或室內環(huán)境中懸浮的粉塵或粒子的密度。它利用了塵埃粒子對光的散亂或β射線的吸收原理。

濁度計

當液體中有懸浮粒子時，入射光會粒子被吸收、折射。對人的眼睛來看是模糊的，而濁度計正是利用了光的透過折射和散射原理，并用數(shù)據(jù)來表示的裝置。

五、生物技術

細胞分類

細胞分類儀是利用熒光物質對細胞標定后，用激光照射，細胞的熒光、散亂光用光電倍增管進行觀察，對特定的細胞進行選別的裝置

熒光計

細胞分類的最終目的是分離細胞，為此，有一種用于對細胞、化學物質進行解析的裝置，它稱為熒光計。它對細胞、染色體發(fā)出的熒光、散亂光的熒光光譜、量子效率、偏光、壽命等進行測定。

液體閃爍計數(shù)

液體閃爍計數(shù)應用于年代分析和生物化學等領域。將含有放射性同位素物質溶于有機閃爍體內，并置于兩個光電倍增管之間，兩個光電倍增管同時檢測有機閃爍體的發(fā)光。

臨床檢查

通過對血液、尿液中微量的胰島素、激素、殘留藥物及病毒等對于抗原、抗體的作用特性，進行臨床身體檢查、診斷治療效果等。光電倍增管對被同位素、酶、熒光、化學發(fā)光、生物發(fā)光物質等標識的抗原體的量進行化學測定。

七、射線測定

區(qū)域檢測儀

可以連續(xù)地檢測環(huán)境輻射水平。它采用光電倍增管與閃爍體組合的方式，完成對低水平的α射線和γ射線的檢測。

射線測量儀

射線測量儀采用光電倍增管與閃爍體組合的方式完成對低水平的γ射線和β射線的檢測。

十、攝影印刷

彩色掃描

彩色圖片或照片進行印刷時，需要將其顏色進行分色掃描。分色是用光電倍增管和濾光片，把彩色分解成三原色（紅、綠、蘭）和黑色，作為圖象數(shù)據(jù)讀出。

十一、高能物理

-----加速器實驗

輻射計數(shù)器

在2層正交排列的細長塑料晶體的端部，配置光電倍增管，測量帶電粒子通過的位置和時間。

契倫柯夫計數(shù)器

這是用于粒子撞擊反應時產生的二次粒子識別的裝置。二次粒子通過諸如氣體這種介質時，具有一定能量的電荷粒子會發(fā)出契倫柯夫光，測定這種光的發(fā)射角度，可以識別電荷粒子。

十二、中微子、正電子衰變實驗，宇宙線檢測

中微子實驗

這種實驗用于研究太陽中微子、宇宙線粒子物理學。用于發(fā)生契倫柯夫光的大量介質。在其周圍配置很多大直徑光電倍增管，當中微子等的宇宙射線同介質發(fā)生相互作用，就會產生契倫柯夫光。光電倍增管探測到契倫柯夫光，可以解析粒子的飛來方向、能量等。

空氣浴計數(shù)器

宇宙線與地球大氣撞擊時，同大氣原子發(fā)生作用，生成二次粒子，并進一步生成三次粒子。這樣地增加下去，稱作空氣浴。這種空氣浴產生的γ線、契倫柯夫光，由在地面上排列成格子狀的許多光電倍增管來探測。

十三、宇宙

天體X線探測

來自宇宙的X線中，含有很多揭開宇宙之謎的信息。ISAS集團發(fā)射了探測超新星發(fā)出的天體X線的“阿斯卡”衛(wèi)星，其中使用的探測器就是位置靈敏光電倍增管和氣體正比計數(shù)管的組合體。

恒星及星際塵埃散亂光的測定

來自宇宙的紫外線有許多與天體表面溫度、星際物質有關的信息。但是，地球大氣層阻止了紫外線到達地球表面，所以，在地面上不