光電技術(shù)第7講課件

光電技術(shù)第七講本節(jié)內(nèi)容預(yù)告光電倍增管的供電電路光電倍增管的應(yīng)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(yīng)等特點(diǎn)，使它在光譜探測(cè)和極微弱快速光信息的探測(cè)等方面成為首選的光電探測(cè)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(jì)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(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。

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(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=Ubb/IR各分壓電阻Ri

為而R1應(yīng)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(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，τ為脈沖的持續(xù)時(shí)間，UDD為極間電壓，L為增益穩(wěn)定度的百分?jǐn)?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(guān)系

對(duì)銻化銫倍增極

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4-1設(shè)入射到PMT上的最大光通量為φv=12×10-6lm，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SbCs材料，SK=40μA/lm，若要求入射光通量在6×10-6lm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？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=82kΩ(以Uo=GSkφvRL來(lái)估算)，陽(yáng)極電流應(yīng)不小于Iamin，因此解(1)首先計(jì)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(shí)的陰極電流為

IK=SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA此時(shí)，PMT的增益G應(yīng)為

(2)計(jì)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(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=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(hào)電壓的穩(wěn)定度最高為

例4-2如果GDB-235的陽(yáng)極最大輸出電流為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=GSKφVm

故陰極面上的入射光通量不能超過(guò)

4-5光電倍增管的應(yīng)用一、光譜學(xué)

-----利用光吸收原理

1.紫外/可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì)

光通過(guò)物質(zhì)時(shí)使物質(zhì)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(jìn)行定量分析。為確定樣品物質(zhì)的量，采用連續(xù)的光譜對(duì)物質(zhì)進(jìn)行掃描，并利用光電倍增管檢測(cè)光通過(guò)被測(cè)物質(zhì)前后的強(qiáng)度，即可得到被測(cè)物質(zhì)吸收程度，計(jì)算出物質(zhì)的量。

2.原子吸收分光光度計(jì)

廣泛地應(yīng)用于微量金屬元素的分析。對(duì)應(yīng)于分析的各種元素，需要專用的元素?zé)?，照射燃燒并霧化分離成原子狀態(tài)到被測(cè)物質(zhì)上，用光電倍增管檢測(cè)光被吸收的強(qiáng)度，并與預(yù)先得到的標(biāo)準(zhǔn)樣品比較。

二、利用發(fā)光原理１.發(fā)光分光光度計(jì)

樣品接受外部照射光的能量會(huì)產(chǎn)生發(fā)光，利用單色器將這種光的特征光譜線顯示出來(lái)，用光電倍增管探測(cè)出特征光譜線是否存在及其強(qiáng)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(zhì)量光譜學(xué)與固體表面分析

固體表面分析

固體表面的成分和結(jié)構(gòu)，可以用極細(xì)的電子、離子、光或X射線的束流，入射到物質(zhì)表面，對(duì)表面發(fā)出的電子、離子、X射線等進(jìn)行測(cè)定來(lái)分析。這種技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域被用于半導(dǎo)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(lái)測(cè)定。

四、環(huán)境監(jiān)測(cè)

塵埃粒子計(jì)數(shù)器

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

濁度計(jì)

當(dāng)液體中有懸浮粒子時(shí)，入射光會(huì)粒子被吸收、折射。對(duì)人的眼睛來(lái)看是模糊的，而濁度計(jì)正是利用了光的透過(guò)折射和散射原理，并用數(shù)據(jù)來(lái)表示的裝置。

五、生物技術(shù)

細(xì)胞分類

細(xì)胞分類儀是利用熒光物質(zhì)對(duì)細(xì)胞標(biāo)定后，用激光照射，細(xì)胞的熒光、散亂光用光電倍增管進(jìn)行觀察，對(duì)特定的細(xì)胞進(jìn)行選別的裝置

熒光計(jì)

細(xì)胞分類的最終目的是分離細(xì)胞，為此，有一種用于對(duì)細(xì)胞、化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行解析的裝置，它稱為熒光計(jì)。它對(duì)細(xì)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(jìn)行測(cè)定。

液體閃爍計(jì)數(shù)

液體閃爍計(jì)數(shù)應(yīng)用于年代分析和生物化學(xué)等領(lǐng)域。將含有放射性同位素物質(zhì)溶于有機(jī)閃爍體內(nèi)，并置于兩個(gè)光電倍增管之間，兩個(gè)光電倍增管同時(shí)檢測(cè)有機(jī)閃爍體的發(fā)光。

臨床檢查

通過(guò)對(duì)血液、尿液中微量的胰島素、激素、殘留藥物及病毒等對(duì)于抗原、抗體的作用特性，進(jìn)行臨床身體檢查、診斷治療效果等。光電倍增管對(duì)被同位素、酶、熒光、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光物質(zhì)等標(biāo)識(shí)的抗原體的量進(jìn)行化學(xué)測(cè)定。

七、射線測(cè)定

區(qū)域檢測(cè)儀

可以連續(xù)地檢測(cè)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(duì)低水平的α射線和γ射線的檢測(cè)。

射線測(cè)量?jī)x

射線測(cè)量?jī)x采用光電倍增管與閃爍體組合的方式完成對(duì)低水平的γ射線和β射線的檢測(cè)。

十、攝影印刷

彩色掃描

彩色圖片或照片進(jìn)行印刷時(shí)，需要將其顏色進(jìn)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(shí)驗(yàn)

輻射計(jì)數(shù)器

在2層正交排列的細(xì)長(zhǎng)塑料晶體的端部，配置光電倍增管，測(cè)量帶電粒子通過(guò)的位置和時(shí)間。

契倫柯夫計(jì)數(shù)器

這是用于粒子撞擊反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的二次粒子識(shí)別的裝置。二次粒子通過(guò)諸如氣體這種介質(zhì)時(shí)，具有一定能量的電荷粒子會(huì)發(fā)出契倫柯夫光，測(cè)定這種光的發(fā)射角度，可以識(shí)別電荷粒子。

十二、中微子、正電子衰變實(shí)驗(yàn)，宇宙線檢測(cè)

中微子實(shí)驗(yàn)

這種實(shí)驗(yàn)用于研究太陽(yáng)中微子、宇宙線粒子物理學(xué)。用于發(fā)生契倫柯夫光的大量介質(zhì)。在其周圍配置很多大直徑光電倍增管，當(dāng)中微子等的宇宙射線同介質(zhì)發(fā)生相互作用，就會(huì)產(chǎn)生契倫柯夫光。光電倍增管探測(cè)到契倫柯夫光，可以解析粒子的飛來(lái)方向、能量等。

空氣浴計(jì)數(shù)器

宇宙線與地球大氣撞擊時(shí)，同大氣原子發(fā)生作用，生成二次粒子，并進(jìn)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(chǎn)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(lái)探測(cè)。

十三、宇宙

天體X線探測(cè)

來(lái)自宇宙的X線中，含有很多揭開(kāi)宇宙之謎的信息。ISAS集團(tuán)發(fā)射了探測(cè)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(cè)器就是位置靈敏光電倍增管和氣體正比計(jì)數(shù)管的組合體。

恒星及星際塵埃散亂光的測(cè)定

來(lái)自宇宙的紫外線有許多與天體表面溫度、星際物質(zhì)有關(guān)的信息。但是，地球大氣層阻止了紫外線到達(dá)地球表面，所以，在地面上不