光电倍增管的供电电路

1、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，可以根据应用的情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级倍增极提供电压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Ia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IR远

2、远大于Ia时，即 IR Ia时，流过各分压电阻Ri的电流近似相等。工程上常设计IR大于等于10倍的Ia电流。 IR10Ia （4-25） 选择的太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度升高导致性能的降低，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=Ubb/IR （4-26） 各分压电阻Ri 为(4-28) 而R1应为R1=1.5 Ri2、电源电压 极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数，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 当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉

3、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。 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，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 对式（4-8）与式（4-9）进行微分，并用增量形式表示，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 对银镁合金倍增极 由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkvRL，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关 在实际应用中常常对电源电压稳定

4、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v=1210-6lm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=40A/lm，若要求入射光通量在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。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

5、=82k，阳极电流应不小于Iamin，因此 Iamin=UO/Ra=0.2V /82 k=2.439A入射光通量为0.610-6lm时的阴极电流为 IK= SKv=4010-60.610-6=2410-6A此时，PMT的增益G应为 由于G=，N=8，因此，每一级的增益=4.227，另外，SbCs倍增极材料的增益与极间电压UDD有， ，可以计算出=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=GSKvm=1.021054

6、010-61210-6=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) 计算偏置根据式（4-35）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=G SKVm 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 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

7、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-resolved fluoroimmunoassay，TRFIA）法测定人绒毛膜促性腺激素和胰磷脂酶在临床医

8、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-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-NTA的吸收光谱。由曲线1可以看出螯合物与配位体-NTA对320360 nm的紫外光具有很高的吸收，因此，常用含有320360 nm光的脉冲氙灯或氮激光器为激发光源使装载配位体

9、的螯合物激发荧光。 Eu3+-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-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-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400ns800ns时间段内（图中斜线所标注的时间段）。 在800ns1000ns时间内有用的荧光将衰减到零。1000ns后开始新的循环。 2. TRFI

10、A的测量原理 光电倍增管的使用 光电倍增管对供电电源的要求主要有两点，一是从阴极起经各倍增极到阳极电位逐级升高，极间电压约为50150V左右，二是由于光电倍增管的增益随电压变化而变化，因此要求电压既稳定又可调。 分压电阻取值在几十几百K范围，总电阻约为几百K1M。电阻链分压有均压式和非均压式两种。对于均压式，各分压电阻是相等的，即R1=R2Rn。对于脉冲状运用时，多采用非均压式，主要是阴极到第一倍极间的电压和最后一级与阳极间的电压比中间的极间电压稍高一些，目的是改善光电倍增管的时间特性和增大线性输出范围。另外在脉冲状态使用时还常在最未三级间与分压电阻并联上三只旁路电容，以防止电子流不能被阳极充

11、分收集而形成空间电荷区，电容取值一般在0.0020.05mf。光电倍增管的供电路在产品出厂时一般都会给出参考数值，可以根据不同的具体实用情况进行参数选择。 2、光电倍增管通常采用负高供电，即供电电源的正极接地，光电倍增管的信号是由阳极输出的，负高压供电时，阳极电位与地接近，便于与后面的仪器或电子线路连接，既安全又方便。应该注意，负高压供电时阴极处于负高压状态，金属屏蔽罩不能太靠近阴极，需留出12cm的间隔。 3、光电倍增管在要求高的运用中也可以采取正高压供电，即阴极接地，这时阳极处于正高压，信号引出时必须采用一个耐压高的隔直电容，如果是直流信号输出，则后边连接的直流放大器将处于高电位，使用时应

12、特别注意。但正高压供电时阴极接地，可以使金属屏蔽罩与阴极靠很近，这种情况屏蔽效果好，暗电流小，噪声小。 注意光电倍增管是一种弱光探测器件，且不可用强光照射，特别是在通电情况下。在非弱光情况下使用一定在阴极前边加衰减。平时不使用时应避光保存。如果光电倍增管因强光照射引起响应度下降，可在暗室中存入一段时间后再使用，有时这种“疲劳”可以恢复。但强光损害严重时会造成永久性损伤。光电倍增管必须加金属屏蔽套使用，否则外界电、磁场将对它的产生干扰。在负高压供电时，应注意屏蔽套不要与阴极靠得太近。 对前几级的电容值，可大体根据倍增极电流与阳极电流的比值作相应减小。 小结： 当倍增极电流小于分压器电流的l10时

13、，不需要跨接电容。这些电容在图中以C1、C2、C3表示，并用虚线连接在脉冲作用期间，它们有助于稳定增益，能利用分压电路中较小的电流获得令人满意的性能。 当光电倍增管应用于闪烁计数器电路中，这些电容值可为几百微微法。 若倍增管用于监控很稳定的光源，那么这些电容器也可以省掉。 图中的各分压电阻、负载电阻及用虚线表示的电容器C1、C2、C3等，全部都应装在管底接头上。 光电倍增管的高压电源：在脉冲应用中，常把电源负极接地，因为倍增管的阴极接近地电位，往往比阳极接地有更低的噪声和暗电流，这时在阳极上需接上耐高压噪声小的隔直电容。 可采用正高压或负高压。如果把电源正极接地采用负高压电源，使阳极输出可直接

14、接到放大器的输入端而不需隔直电容，便于用直流法测量阳极输出电流，能响应变化极缓慢的光源。在这种情况下，作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管壳至少要有1020毫米，否则由于屏蔽筒的影响，会干扰管内原来的电位分布而使工作不稳定，会相当大地增大阳极暗电流和噪声。如果靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，则要注意安全。 除了对管子的暗电流和噪声有苛刻的要求外，一般采用负高压供电。当要求倍增极作为信号输出极时，可采用中间接地法，这时的输出比阳极输出幅度小。光电倍增管的灵敏度高，但由于需要高压直流电源、价贵体积大、经不起机械冲击等缺点，应力求用半导体光电器件和线性集成电路组合起采代替它。从目前讲

15、，因后者的受光面积小，受温度的影响大，而且频率响应低等原因，还不能取代光电倍增管。光电倍增管有一定的“建立时间”，最好在正式工作半小时前就加上高压，并给以一定光照，使光电倍增管达到稳定的工作状态。真空光电管和充气光电管的工作原理与光电倍增管相似，但没有倍增极，光子入射在阴极所打出的电子，直接由阳极接收而形成电流。思考题与习题4 4.14 光电倍增管GDB44F的阴极光照灵敏度为0.5A/lm，阳极光照灵敏度为50A/lm，长期使用时阳极允许电流应限制在2A以内。问: 1）、阴极面上最大允许的光通量为多少lm？ 2）、当阳极电阻为75K时，问其最大的输出电压为多少？ 3）、若已知该光电倍增管为12级的Cs3Sb倍增极，其倍增系数为 =0.2(UDD) 0.7，试计算它的供电电压值？ 4）、当要求输出信号的稳定度为1%时，求高压电源电压的稳定度应为多少？ 4.15 试用表4-4所示的光电倍增管GDB-151设计探测光谱强度为210-9lm的光谱时，若要求输出信号电