3.5光电倍增管的应用

电阻分压式供电电路多数情况下采用阳极接地、阴极接负高压方式。此方案消除了外部电路与阳极之间的电压差，便于电流计或电流—电压转换运算放大器直接与光电倍增管相连接。光电倍增管的供电电路种类很多，最常用的电阻分压式供电电路。有阳极接地、阴极接地方式。如图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。电阻链的设计0.7DD(0.2)U对于锑化铯倍增极材料（P63）对银镁合金材料DD(0.025)U考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应(阳极电流IA最大)，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等。当分压电流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：IR≥10IabbRiUIR分压电流：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，计算分压电阻：R=Ubb/IR各分压电阻Ri为bbiR(N1.5)URI考虑阴极与第一倍增极距离较远，设计UD1为其他的1.5倍。R1应为：R1=1.5Ri2、电源电压极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数δ，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。当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，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am1DD70NLICU式中N为倍增极数，Iam为阳极峰值电流，τ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。12CC132CC电源电压的稳定度光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度的关系。DDDD0.7UGNGUbbbb0.7UGNGU或对锑化铯倍增极对银镁合金倍增极bbbbUGNGU由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkφvRL，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关。1.阳极电流要小于lµA，以减缓疲劳和老化效应。2.分压器中流过的电流应远大于阳极最大电流，但是不应过分加大，以免发热。3.高压电源的稳定性必须达到测量精度的10倍以上。4.用运算放大器作光电倍增管输出信号的电流电压变换，可获好的信噪比和线性度。5.光电倍增管使用前应接通高压电源，不用时应贮存在黑暗中。6.光电倍增管不能在有氦气的环境中使用，因为它会渗透到玻壳内而引起噪声。7光电倍增管参数的离散性很大，要获得确切的参数，只能逐个测定。在测量中，正确使用光电倍增管应该注意如下几点：3.5光电倍增管的典型应用1光谱探测领域的应用光电倍增管具有极高的光电灵敏度、极快的响应速度、极低的暗电流和低噪声，还能够在很大范围内调整内增益。因此，它在微光探测、快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用。用来测量光源在某个波长范围内的辐射功率。它在元素的成分鉴定、各种化学分析和冶金学分析仪器中都有广泛的应用。2极微弱光信号的探测—光子计数由于光电倍增管的放大倍数很高，所以常用来进行光子计数。光子计数系统是理想的微弱光探测器，它可以探测到每秒10--20个光子水平的极微弱光信号。闪烁计数是将闪烁晶体与光电倍增管结合在一起探测高能粒子的有效方法。如下图所示，当高能粒子照到闪烁体上时，它产生光辐射并由倍增管接收转变为电信号，而且，光电倍增管输出脉冲的幅度与粒子的能量成正比。3射线的探测在医学上的应用:射线探测在核医学上已经应用的PET(PositionEmissionTomography)系统，与一般CT的区别在于它可以对生物的动机能进行诊断。最新发展的时间分辨荧光免疫分析(TRFIA)，等。例1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=GSKφVm故阴极面上的入射光通量不能超过33VmamK56210/0.510(lm)1104010IGS540/10KSAlmG例2设入射到PMT上的最大光通量为φv=12×10-6lm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=40μA/lm，若要求入射光通量在6×10-6lm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入射光通量为0.6×10-6lm时的阴极电流为IK=SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA此时，Ia=2.4μAUO/Ra=2.4μARa=82K欧51.010G由于G=δN，N=8，因此，每一级的增益δ=4.227，、另外，SbCs倍增极材料的增益δ与极间电压UDD的关系计算出δ=4.227时的极间电压UDD0.7DD0.2()U0.7DD78V0.2U总电源电压Ubb为:Ubb=（N+1.5）UDD=741VPMT的增益G应为(2)计算偏置电路电阻链的阻值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=GSKφvm=1.0×105×40×10-6×12×10-6=48.9μA取IRi≥10Iam，则IRi=500μA因此，电阻链的阻值Ri=UDD/IRi=156kΩ不妨取Ri=120kΩ，R1=1.5Ri=180kΩ。(3)计算偏置根据式输出信号电压的稳定度最高为bbbb80.01%0.08%UUnUU思考题光电倍增管GDB44F的阴极光照灵敏度为0.5μA/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2μA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75KΩ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δ=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？