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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 1 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 2 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远远
2、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 IR 10Ia 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 3 R Ubb IR 各分压电阻Ri为 而R1应为 R1 1 5Ri 2 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 4 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冲时 末3级倍增极电流变化会引起较大UD
3、D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 5 4 4 3电源电压的稳定度 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 6 由于光电倍增管的输出信号Uo GSk vRL 因此 输出信号的稳定度与增益的稳定度有关 对银镁合金倍增极 7 在实际应用中常常对电源电压稳定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
4、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 12 10 6lm 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 40 A 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 8 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 82k 阳极电流应不小于Iamin 因此 解 1 首先计算供电电源的电压 Iamin UO Ra 0 2V 82k 2
5、439 A 入射光通量为0 6 10 6lm时的阴极电流为IK SK v 40 10 6 0 6 10 6 24 10 6 A 此时 PMT的增益G应为 9 SbCs倍增极材料的增益 与极间电压UDD有 总电源电压Ubb为 Ubb N 1 5 UDD 741V N 8 每一级的增益 4 227 10 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 GSK vm 1 02 105 40 10 6 12 10 6 48 96 A取IRi 10Iam 则IRi 500 A因此 电阻链的阻值Ri UDD IRi 156k
6、 取Ri 120k R1 1 5Ri 180k 11 3 输出信号电压的稳定度最高为 12 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 GSK Vm故阴极面上的入射光通量不能超过 13 运算放大器输出 输出的电压 14 4 5光电倍增管的应用 一 光谱学 利用光吸收原理 1 紫外 可见 近红外分光光度计 光通过物质时使物质的电子状态发生变化 而失去部分能量 称为吸收 利用吸收进行定量分析 为确定样品物质的量 采用连续的光谱对物质进行扫描 并利用光电倍增管检测光通过被测物质前后的强度 即可得到被测物质吸收程度 计算出物质的量 15
7、 2 原子吸收分光光度计 广泛地应用于微量金属元素的分析 对应于分析的各种元素 需要专用的元素灯 照射燃烧并雾化分离成原子状态到被测物质上 用光电倍增管检测光被吸收的强度 并与预先得到的标准样品比较 16 二 利用发光原理 发光分光光度计样品接受外部照射光的能量会产生发光 利用单色器将这种光的特征光谱线显示出来 用光电倍增管探测出特征光谱线是否存在及其强度 这种方法可以迅速地定性或定量地检查出样品中的元素 17 荧光分光光度计荧光分光光度计依据生物化学 特别是分子生物学原理 物质受到光照射 发射长波的发光 这种光称为荧光 用光电倍增管检测荧光的强度及光谱特性 可以定性或定量地分析样品成份 3
8、拉曼分光光度计用单色光照射物质后被散乱 这种散乱光中 只有物质特有量的不同波长光混合在里面 这种散乱光 拉曼光 进行分光测定 对物质进行定性定量的分析 由于拉曼发光极其微弱 因此检测工作需要复杂的光路系统 并且采用单光子计数法 18 三 质量光谱学与固体表面分析 固体表面分析固体表面的成分和结构 可以用极细的电子 离子 光或X射线的束流 入射到物质表面 对表面发出的电子 离子 X射线等进行测定来分析 这种技术在半导体工业领域被用于半导体的检查中 如缺陷 表面分析 吸附等 电子 离子 X射线一般采用电子倍增器或MCP来测定 19 四 环境监测 尘埃粒子计数器尘埃粒子计数器检测大气或室内环境中悬浮
9、的粉尘或粒子的密度 它利用了尘埃粒子对光的散乱或 射线的吸收原理 浊度计当液体中有悬浮粒子时 入射光会粒子被吸收 折射 对人的眼睛来看是模糊的 而浊度计正是利用了光的透过折射和散射原理 并用数据来表示的装置 20 五 生物技术 细胞分类细胞分类仪是利用荧光物质对细胞标定后 用激光照射 细胞的荧光 散乱光用光电倍增管进行观察 对特定的细胞进行选别的装置 荧光计细胞分类的最终目的是分离细胞 为此 有一种用于对细胞 化学物质进行解析的装置 它称为荧光计 它对细胞 染色体发出的荧光 散乱光的荧光光谱 量子效率 偏光 寿命等进行测定 21 六 医疗应用 相机将放射性同位素标定试剂注入病人体内 通过 相机
10、可以得到断层图象 来判别病灶 从闪烁扫描器开始 经逐步改良 相机的性能得到快速的发展 光电倍增管通过光导和大面积NaI Tl 组合成探测器 正电子CT放射线同位素 C11 O15 N18 F18等 标识的试剂投入病人体内 发射出的正电子同体内结合时 放出淬灭 线 用光电倍增管进行计数 用计算机作成体内正电子同位素分布的断层画面 这种装置称为正电子CT 22 液体闪烁计数液体闪烁计数应用于年代分析和生物化学等领域 将含有放射性同位素物质溶于有机闪烁体内 并置于两个光电倍增管之间 两个光电倍增管同时检测有机闪烁体的发光 临床检查 通过对血液 尿液中微量的胰岛素 激素 残留药物及病毒等对于抗原 抗体
11、的作用特性 进行临床身体检查 诊断治疗效果等 光电倍增管对被同位素 酶 荧光 化学发光 生物发光物质等标识的抗原体的量进行化学测定 23 七 射线测定 区域检测仪可以连续地检测环境辐射水平 它采用光电倍增管与闪烁体组合的方式 完成对低水平的 射线和 射线的检测 射线测量仪射线测量仪采用光电倍增管与闪烁体组合的方式完成对低水平的 射线和 射线的检测 24 八 资源调查 石油测井应用石油测井中用以确定石油沉积位置以及储量等 内藏放射源 光电倍增管和闪烁体的探头进入井中 分析放射源被散射的以及地质结构中的自然射线 判断油井周围的地层类型及密度 25 九 工业计测 厚度计工业生产中的诸如纸张 塑料 钢
12、材等的厚度检测 可以通过包括放射源 光电倍增管和闪烁体的设备来实现 对于低密度物质 比如橡胶 塑料 纸张等 采用 射线源 诸如钢板等的高密度物质则使用 射线 在电镀 蒸发控制等处 镀膜的厚度可使用X射线荧光光度计 半导体检查系统广泛地应用于半导体芯片的缺陷检查 掩膜错位等 芯片的缺陷检查装置中用光电倍增管检测芯片被激光照射后 尘埃 污染 缺陷等产生的散乱光 26 十 摄影印刷 彩色扫描彩色图片或照片进行印刷时 需要将其颜色进行分色扫描 分色是用光电倍增管和滤光片 把彩色分解成三原色 红 绿 兰 和黑色 作为图象数据读出 27 十一 高能物理 加速器实验 辐射计数器在2层正交排列的细长塑料晶体的
13、端部 配置光电倍增管 测量带电粒子通过的位置和时间 契伦柯夫计数器这是用于粒子撞击反应时产生的二次粒子识别的装置 二次粒子通过诸如气体这种介质时 具有一定能量的电荷粒子会发出契伦柯夫光 测定这种光的发射角度 可以识别电荷粒子 28 十二 中微子 正电子衰变实验 宇宙线检测 中微子实验这种实验用于研究太阳中微子 宇宙线粒子物理学 用于发生契伦柯夫光的大量介质 在其周围配置很多大直径光电倍增管 当中微子等的宇宙射线同介质发生相互作用 就会产生契伦柯夫光 光电倍增管探测到契伦柯夫光 可以解析粒子的飞来方向 能量等 29 空气浴计数器宇宙线与地球大气撞击时 同大气原子发生作用 生成二次粒子 并进一步生
14、成三次粒子 这样地增加下去 称作空气浴 这种空气浴产生的 线 契伦柯夫光 由在地面上排列成格子状的许多光电倍增管来探测 十三 宇宙 天体X线探测来自宇宙的X线中 含有很多揭开宇宙之谜的信息 ISAS集团发射了探测超新星发出的天体X线的 阿斯卡 卫星 其中使用的探测器就是位置灵敏光电倍增管和气体正比计数管的组合体 30 恒星及星际尘埃散乱光的测定 来自宇宙的紫外线有许多与天体表面温度 星际物质有关的信息 但是 地球大气层阻止了紫外线到达地球表面 所以 在地面上不能加以测量 因此 用发射火箭的方法 在火箭上搭载装置 探测300nm以下的紫外线 激光雷达激光雷达用于高精度测距 大气观测等 十四 激光 31 荧光寿命测定把激光作为激励光源 测定样品荧光强度的时间变化 用来研究样品的分子结构 十五 等离子体 等离子体探测托克马克核聚变实验中的等离子电子密度 电子温度测量系统中 使用光电倍增管用来计测等离子中的杂质 32 作业 P1054 44 54 11 4 12 4 14 4 154 16 33
