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文檔簡介

1、4.4 4.4 光電倍增管的供電電路光電倍增管的供電電路 4.4.1 電阻鏈分壓型供電電路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(yīng)等特點(diǎn),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(yīng)用的情況設(shè)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。 如圖4-8所示為典型光電倍增管的電阻分壓式供電電路。電路由11個電阻構(gòu)成電阻鏈分壓器,分別向10級倍增極提供電壓UDD。 考慮到光電倍增管各倍增極的電子倍增效應(yīng),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

2、是,當(dāng)流過分壓電阻的電流IR遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)計IR大于等于10倍的Ia電流。 IR10Ia (4-25) 選擇得太大將使分壓電阻功率損耗加大,倍增管溫度升高導(dǎo)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 1、電阻鏈的設(shè)計 R=Ubb/IR (4-26) 各分壓電阻Ri 為Rbbi1.5)(NIUR(4-28) 而R1應(yīng)為R1=1.5 Ri2、電源電壓、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),或管子的增益G。因此,根據(jù)增益G的要求可以設(shè)計出極間供電電壓UDD與電源電壓Ubb。

3、0.7nDDn(0.2) UG nDDn(0.025) UG 由可以計算出UDD與Ubb。R=(N+1.5)Ri 3. 末極的并聯(lián)電容 當(dāng)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 DDam1LN70UIC 式中N為倍增極數(shù),Iam為陽極峰值電流,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?jǐn)?shù)。 12CC 213CC 4.4.3 電源電壓的穩(wěn)定度電源電壓的穩(wěn)定度 對式(4-8)與式(4-9)

4、進(jìn)行微分,并用增量形式表示,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(guān)系 bbbb7 . 0UUnGG對銻化銫倍增極 對銀鎂合金倍增極 bbbbUUnGG 由于光電倍增管的輸出信號Uo=GSkvRL,因此,輸出信號的穩(wěn)定度與增益的穩(wěn)定度有關(guān) bbbbUUnGGUU 在實(shí)際應(yīng)用中常常對電源電壓穩(wěn)定度的要求簡單地認(rèn)為高于輸出電壓穩(wěn)定度一個數(shù)量級。例如,當(dāng)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(yīng)高于0.1%。 例例4-1 設(shè)入射到PMT上的最大光通量為v=1210-6lm左右,當(dāng)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

5、材料,SK=40A/lm,若要求入射光通量在0.610-6lm時的輸出電壓幅度不低于0.2V,試設(shè)計該P(yáng)MT的變換電路。若供電電壓的穩(wěn)定度只能做到0.01%,試問該P(yáng)MT變換電路輸出信號的穩(wěn)定度最高能達(dá)到多少?解解 (1) 首先計算供電電源的電壓根據(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=82k,(Ra52k)陽極電流應(yīng)不小于Iamin,因此 Iamin=UO/Ra=0.2V /82 k=2.439A入射光通量為0.610-6lm時的陰極電流為 IK= SKv=4010-60.610-6=2410-6A此時,PMT的增益G應(yīng)為 56min1002. 11024439.

6、 2KaIIG 0.7DD)(2 . 0UV782 . 07 . 0DDU總電源電壓Ubb為 Ubb=(N+1.5)UDD=741V (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(shè)流過電阻鏈的電流為IRi,流過陽極電阻Ra的最大電流為Iam=GSKvm=1.021054010-61210-6=48.96A取IRi10 Iam,則 IRi=500A因此,電阻鏈的阻值Ri= UDD IRi=156k 取Ri=120 k,R1=1.5Ri=180 k。(3) 計算偏置根據(jù)式(4-35)輸出信號電壓的穩(wěn)定度最高為 %08. 0%01. 08bbbbUUnUU例例4-2 如果G

7、DB-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?解解 由于Iam=G SKVm 故陰極面上的入射光通量不能超過 )Lm(1049. 01040101.02102 /3653KamVmSGI4.54.5 光電倍增管的典型應(yīng)用光電倍增管的典型應(yīng)用 4.5.1 光譜探測領(lǐng)域的應(yīng)用光譜探測領(lǐng)域的應(yīng)用 光電倍增管不但具有極高的光電靈敏度、極快的響應(yīng)速度、極低的暗電流和低噪聲,還能夠在很大范圍內(nèi)調(diào)整內(nèi)增益。因此,它在微光探測、快速光子計數(shù)和微光時域分析等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 1、發(fā)射光譜 發(fā)射光譜分析儀的基本原理如圖4-10所示 2 2吸收光譜吸收光譜 吸收光譜儀是光譜分

8、析中的另一種重要的儀器。吸收光譜儀的原理圖如圖4-11所示,它與發(fā)射光譜儀的主要差別是光源。 發(fā)射光譜儀的光源為被測光源,而吸收光譜儀的光源為已知光譜分布的光源。吸收光譜儀與發(fā)射光譜儀相比,它比發(fā)射光譜儀多一個承載被測物的樣品池。 4.5.2 4.5.2 時間分辨熒光免疫分析中的應(yīng)用時間分辨熒光免疫分析中的應(yīng)用 1983年,由Pettersson 和Eskola等提出了用時間分辨熒光免疫分析(time-resolved fluoroimmunoassay,TRFIA)法測定人絨毛膜促性腺激素和胰磷脂酶在臨床醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用,在10多年中,獲得迅速發(fā)展。成為最有發(fā)展前途的一種全新的非同位素免疫分

9、析技術(shù)。 1. 時間分辨熒光免疫分析法時間分辨熒光免疫分析法TRFIA的原理的原理 時間分辨熒光免疫分析法是用鑭系元素為標(biāo)記物,標(biāo)記抗原或抗體,用時間分辨技術(shù)測量熒光,同時利用波長和時間兩種分辨,極其有效地排除了非特異熒光的干擾,大大地提高了分析靈敏度。 圖4-12所示為鑭系元素螯合物與典型配位體-NTA的吸收光譜與發(fā)光光譜圖。圖中曲線1為鑭系元素螯合物與配位體-NTA的吸收光譜。由曲線1可以看出螯合物與配位體-NTA對320360 nm的紫外光具有很高的吸收,因此,常用含有320360 nm光的脈沖氙燈或氮激光器為激發(fā)光源使裝載配位體的螯合物激發(fā)熒光。 Eu3+-NTA螯合物在激發(fā)光源的作用

10、下將發(fā)出如圖中曲線2與3所示的熒光光譜。曲線3光譜載荷著配位體-NTA的信息。 圖4-12為雙坐標(biāo)曲線圖,其中re,r為螯合物的相對吸收系數(shù),Iv為螯合物激發(fā)出的熒光光強(qiáng)。 圖4-13所示為載荷配位體-NTA的螯合物熒光時間特性。圖中,激發(fā)光剛剛結(jié)束的時刻為初始時刻t=0,在最初的很短時間內(nèi),短壽命熒光很快結(jié)束,長壽命熒光在400ns時間內(nèi)也會消失或降低到很低的程度,而有用的熒光出現(xiàn)在400ns800ns時間段內(nèi)(圖中斜線所標(biāo)注的時間段)。 在800ns1000ns時間內(nèi)有用的熒光將衰減到零。1000ns后開始新的循環(huán)。 2. TRFIA的測量原理 思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題4 4 4.14 光

11、電倍增管GDB44F的陰極光照靈敏度為0.5A/lm,陽極光照靈敏度為50A/lm,長期使用時陽極允許電流應(yīng)限制在2A以內(nèi)。問: 1)陰極面上最大允許的光通量為多少lm? 2)當(dāng)陽極電阻為75K時,問其最大的輸出電壓為多少? 3)若已知該光電倍增管為12級的Cs3Sb倍增極,其倍增系數(shù)為 =0.2(UDD) 0.7,試計算它的供電電壓值? 4)當(dāng)要求輸出信號的穩(wěn)定度為1%時,求高壓電源電壓的穩(wěn)定度應(yīng)為多少? 4.15 試用表4-4所示的光電倍增管GDB-151設(shè)計探測光譜強(qiáng)度為210-9lm的光譜時,若要求輸出信號電壓不小于0.3mV,穩(wěn)定度要求高于0.1%,試設(shè)計該光電倍增管的供電電路。 4.16 設(shè)入射到PMT光敏面上的最大光通量為v=810-6l

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