光電傳感器應(yīng)用技術(shù)第5章-第2節(jié)課件

1、 如圖5-8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(gè)電阻構(gòu)成電阻鏈分壓器，分別向10級(jí)倍增極提供電壓UDD。 1、電阻鏈的設(shè)計(jì) 考慮到光電倍增管各倍增極的電子倍增效應(yīng)，各級(jí)的電子流按放大倍率分布，其中，陽(yáng)極電流Ia最大。因此，電阻鏈分壓器中流過(guò)每級(jí)電阻的電流并不相等，但是，當(dāng)流過(guò)分壓電阻的電流IR遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ia時(shí)，即 IR Ia時(shí)，流過(guò)各分壓電阻Ri的電流近似相等。工程上常設(shè)計(jì)IR大于等于10倍的Ia電流。 IR10Ia （5-25） 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(dǎo)致性能的降低，以至于溫升太高而無(wú)法工作。 選定電流后，可以計(jì)算出電阻鏈分壓器的總阻值R R=Ub

2、b/IR （5-26） 各分壓電阻Ri 為(5-28) 而R1應(yīng)為R1=1.5 Ri2、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(jì)出極間供電電壓UDD與電源電壓Ubb。 由可以計(jì)算出UDD與Ubb。3. 末極的并聯(lián)電容 當(dāng)入射輻射信號(hào)為高速的迅變信號(hào)或脈沖時(shí)，末3級(jí)倍增極電流變化會(huì)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(gè)電容C1、C2與C3，通過(guò)電容的充放電過(guò)程使末3級(jí)電壓穩(wěn)定。 電容C1、C2與C3的計(jì)算公式為 式中N為倍增極數(shù)，Iam為陽(yáng)極峰值電流，為脈沖的持續(xù)時(shí)間，UDD為極間電壓，L為

3、增益穩(wěn)定度的百分?jǐn)?shù)。 5.4.3 電源電壓的穩(wěn)定度 對(duì)式（5-8）與式（5-9）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 ,對(duì)銻化銫倍增極 對(duì)銀鎂合金倍增極 由于光電倍增管的輸出信號(hào)Uo=GSkvRL，因此，輸出信號(hào)的穩(wěn)定度與增益的穩(wěn)定度有關(guān) 在實(shí)際應(yīng)用中常常對(duì)電源電壓穩(wěn)定度的要求簡(jiǎn)單地認(rèn)為高于輸出電壓穩(wěn)定度一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，當(dāng)要求輸出電壓穩(wěn)定度為1%時(shí)，則要求電源電壓穩(wěn)定度應(yīng)高于0.1%。 例5-1 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(cè)器，已知它的倍增級(jí)數(shù)為8級(jí)，陰極為SbCs材料，倍增極也為

4、SbCs材料，SK=40A/lm，若要求入射光通量在610-6lm時(shí)的輸出電壓幅度不低于0.2V，試設(shè)計(jì)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(wèn)該P(yáng)MT變換電路輸出信號(hào)的穩(wěn)定度最高能達(dá)到多少？解 (1) 首先計(jì)算供電電源的電壓根據(jù)題目對(duì)輸出電壓幅度的要求和PMT的噪聲特性，可以選擇陽(yáng)極電阻Ra=82k，陽(yáng)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(shí)的陰極電流為 IK= SKv=4010-60.610-6=2410-6A此時(shí)，PMT的增益G應(yīng)為 由于G=，N=8，因此，每一級(jí)的增益=4.227，另

5、外，SbCs倍增極材料的增益與極間電壓UDD有， ，可以計(jì)算出=4.227時(shí)的極間電壓UDD 總電源電壓Ubb為 Ubb=（N+1.5）UDD=741V (2) 計(jì)算偏置電路電阻鏈的阻值偏置電路采用如圖5-8所示的供電電路，設(shè)流過(guò)電阻鏈的電流為IRi，流過(guò)陽(yáng)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(jì)算偏置根據(jù)式（4-35）輸出信號(hào)電壓的穩(wěn)定度最高為 例5-2 如果GDB-235的陽(yáng)極最大輸

6、出電流為2mA，試問(wèn)陰極面上的入射光通量不能超過(guò)多少lm？解 由于Iam=G SKVm 故陰極面上的入射光通量不能超過(guò) 5.5 光電倍增管的典型應(yīng)用 5.5.1 光譜探測(cè)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、極低的暗電流低和噪聲，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(cè)、快速光子計(jì)數(shù)和微光時(shí)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5-9所示 2吸收光譜 吸收光譜儀是光譜分析中的另一種重要的儀器。吸收光譜儀的原理圖如圖5-10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(cè)光源，而吸收光譜儀的光源為已知光譜分布的光源

7、。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(gè)承載被測(cè)物的樣品池。 5.5.2 時(shí)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(shí)間分辨熒光免疫分析（time-resolved fluoroimmunoassay，TRFIA）法測(cè)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析技術(shù)。 1. 時(shí)間分辨熒光免疫分析法TRFIA的原理 時(shí)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(shí)間分辨技術(shù)測(cè)量熒光，同時(shí)利用波長(zhǎng)和時(shí)間兩種分辨，極其有效地排除了非特異熒光的干擾

8、，大大地提高了分析靈敏度。 圖5-11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(duì)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5-11為雙坐標(biāo)曲線圖，其中re,r為螯合物的相對(duì)吸收系數(shù)，Iv為螯合物激發(fā)出的熒光光強(qiáng)。 圖5-12所示為載荷配位體-NTA的螯合物熒光時(shí)間特性。圖中，激發(fā)光剛剛結(jié)束的時(shí)刻為初始時(shí)刻t=0，在最初的很短時(shí)間內(nèi)，短壽命熒光很快結(jié)束，長(zhǎng)壽命熒光在400ns時(shí)間內(nèi)也會(huì)消失或降低到很低的程度，而有用的熒光出現(xiàn)在400ns800ns時(shí)間段內(nèi)（圖中斜線所標(biāo)注的時(shí)間段）。 在800ns1000ns時(shí)間內(nèi)有用的熒光將衰減到零。1000ns后開(kāi)始新的循環(huán)。 2. TRFIA的測(cè)量原理 思考題與習(xí)題4 5.14 光電倍增管GDB44F的陰極光照靈敏度為0.5A/lm，陽(yáng)極光照靈敏度為50A/lm，長(zhǎng)期使用時(shí)陽(yáng)極允許電流應(yīng)限制在2A以?xún)?nèi)。問(wèn): 1）、陰極