1、l4.4.1 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等特點，光電倍增管具有極高的靈敏度和快速響應等特點，使它在光譜探測和極微弱快速光信息的探測等方面成為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。當然，首選的光電探測器。當然，PMTPMT的工作特性與其工作電路的工作特性與其工作電路密切相關密切相關 ，工作電路的設計必須保證輸出電流與入射光工作電路的設計必須保證輸出電流與入射光通量之間呈線性關系。通量之間呈線性關系。 倍增管需要直流供電，各倍增極電壓相對陰極逐級倍增管需要直流供電，各倍增極電壓相對陰極逐級升高，一般采用電阻

2、鏈升壓供電。升高，一般采用電阻鏈升壓供電。 如圖如圖4-84-8所示為典型光電倍增管的電阻分壓式供電所示為典型光電倍增管的電阻分壓式供電電路。電路由電路。電路由1111個電阻構成電阻鏈分壓器，分別向個電阻構成電阻鏈分壓器，分別向1010級倍增極提供電壓級倍增極提供電壓U UDDDD。 1 1、電阻鏈的設計、電阻鏈的設計 負高壓供電負高壓供電各倍增極的電壓是由電阻鏈分壓器供給的，典型情況是均各倍增極的電壓是由電阻鏈分壓器供給的，典型情況是均勻分壓。為了保證陽極電流勻分壓。為了保證陽極電流I Ia a最大時，各級電壓仍保持穩最大時，各級電壓仍保持穩定，流進分壓電阻的電流至少應比最大陽極電流大定，流

3、進分壓電阻的電流至少應比最大陽極電流大1010倍以倍以上（上（10102020倍）。工程上常設計倍）。工程上常設計I IR R大于等于大于等于1010倍的倍的I Ia a電流。電流。 I IR R1010I Ia a （4-25） 一般而言，分壓電阻越小，一般而言，分壓電阻越小， I IR R越大，對穩定極間電壓越越大，對穩定極間電壓越有利。但有利。但I IR R太大會增加電阻的功耗，加重電源的負擔。當太大會增加電阻的功耗，加重電源的負擔。當極間電壓給定后，極間電壓給定后，分壓電阻的最大值應取決于陽極最大的分壓電阻的最大值應取決于陽極最大的平均電流，最小值取決于高壓電源的輸出功率平均電流，最小

4、值取決于高壓電源的輸出功率。（1 1）均勻分壓）均勻分壓（2 2）電阻鏈的設計原則）電阻鏈的設計原則 1、在探測弱信號時，一般適當增加第一倍增極的增益，即、在探測弱信號時，一般適當增加第一倍增極的增益，即適當提適當提高第一倍增極與陰極之間的電壓。高第一倍增極與陰極之間的電壓。2、中間倍增極的極間電壓可根據總增益的要求選取，一般采用均、中間倍增極的極間電壓可根據總增益的要求選取，一般采用均勻分壓的方式，即勻分壓的方式，即中間各倍增極的分壓電阻阻值相等中間各倍增極的分壓電阻阻值相等。3、在信號電流較大時，可能在最后兩個倍增極之間由于空間電荷、在信號電流較大時，可能在最后兩個倍增極之間由于空間電荷的

5、影響而產生飽和現象。這時的影響而產生飽和現象。這時應適當加大最后兩級或最后三級的應適當加大最后兩級或最后三級的極間電壓。極間電壓。4、末極倍增極與陽極之間的電壓選擇應注意、末極倍增極與陽極之間的電壓選擇應注意不要由于陽極負載的不要由于陽極負載的壓降而影響陽極收集電子的能力。壓降而影響陽極收集電子的能力。5、在、在脈沖大電流時脈沖大電流時，最后幾個倍增極的脈沖電流很大，相應的分，最后幾個倍增極的脈沖電流很大，相應的分壓電阻上的壓降在脈沖期間將產生明顯的突變而影響極間電位的壓電阻上的壓降在脈沖期間將產生明顯的突變而影響極間電位的分布。這時，常需要在分布。這時，常需要在最后三級的分壓電阻上并聯儲能電

6、容最后三級的分壓電阻上并聯儲能電容。R=Ubb/IR （4-26） 各分壓電阻各分壓電阻R Ri i （除第一級外）為（除第一級外）為(1.5)bbiRURNI而而R R1 1 應為應為R1=1.5 Ri2 2、電源電壓、電源電壓 極間供電電壓極間供電電壓U UDDDD直接影響著二次電子發射系數直接影響著二次電子發射系數，或，或管子的增益管子的增益G G。因此，根據增益。因此，根據增益G G的要求可以設計出極間供的要求可以設計出極間供電電壓電電壓U UDDDD與電源電壓與電源電壓U Ubbbb。 0.7(0.2)NNDDGU(0.025)NNDDGU計算出計算出U UDDDD與與U Ubbbb

7、。實際中常先按均勻分壓選定電流，計算出電阻鏈分壓實際中常先按均勻分壓選定電流，計算出電阻鏈分壓器的總阻值器的總阻值R R l3. 末極的并聯電容末極的并聯電容 當入射輻射信號為當入射輻射信號為高速的迅變信號或脈沖高速的迅變信號或脈沖時，末時，末3 3級倍級倍增極電流變化會引起較大增極電流變化會引起較大U UDDDD的變化，引起光電倍增管增的變化，引起光電倍增管增益的起伏，將破壞信息的變換。在益的起伏，將破壞信息的變換。在末末3 3極并聯極并聯3 3個電容個電容C C1 1、C C2 2與與C C3,3,，通過電容的充放電過程使末，通過電容的充放電過程使末3 3級電壓穩定級電壓穩定, ,同時可同

8、時可以獲得較高的峰值電流。以獲得較高的峰值電流。 電容電容C C1 1、C C2 2與與C C3 3的計算公式為的計算公式為 170amDDNICLU 式中式中N N為倍增極數，為倍增極數，I Iamam為陽極峰值電流，為陽極峰值電流，為脈沖的持為脈沖的持續時間，續時間，U UDDDD為極間電壓，為極間電壓，L L為增益穩定度的百分數。為增益穩定度的百分數。 12CC 213CC 100GGLl4.4.3 電源電壓的穩定度電源電壓的穩定度 bbbbUUGNUGU0.7DDDDUGNGU0.7bbbbUGNGU對銻化銫倍增極對銻化銫倍增極 對銀鎂合金倍增極對銀鎂合金倍增極 DDDDUGNGU 由

9、于光電倍增管的輸出信號由于光電倍增管的輸出信號U Uo o= =GSGSk kv vR RL L，因此，輸，因此，輸出信號的穩定度與增益的穩定度有關出信號的穩定度與增益的穩定度有關 .bbbb0 7UUGNUGU對銻化銫倍增極對銻化銫倍增極 對銀鎂合金倍增極對銀鎂合金倍增極 0.7(0.2)NNDDGU(0.025)NNDDGU 在實際應用中常常對電源電壓穩定度的要求簡單地認在實際應用中常常對電源電壓穩定度的要求簡單地認為為高于高于輸出電壓穩定度一個數量級。例如，當要求輸出電輸出電壓穩定度一個數量級。例如，當要求輸出電壓穩定度為壓穩定度為1%1%時，則要求電源電壓穩定度應高于時，則要求電源電壓

10、穩定度應高于0.1%0.1%。 PMT后接的放大器常采用后接的放大器常采用電壓輸入電壓輸入，因此要用負，因此要用負載電阻將輸出電流變換為電壓。負載電阻的選擇應載電阻將輸出電流變換為電壓。負載電阻的選擇應考慮它的壓降不能過大，否則將影響陽極的接收特考慮它的壓降不能過大，否則將影響陽極的接收特性，使管字偏離線性工作范圍。同時還要考慮負載性，使管字偏離線性工作范圍。同時還要考慮負載電阻的熱噪聲。電阻的熱噪聲。l4.4.4 負載電阻負載電阻l4.3.54.3.5、接地方式、接地方式l* *（1 1）陽極接地陽極接地（陰極負高壓供電陰極負高壓供電) ) 陽極輸出方陽極輸出方便，既可接交流放大器，也可接直

11、流放大器。但便，既可接交流放大器，也可接直流放大器。但陰極處于負高壓，因屏蔽罩都是與機殼相連接地陰極處于負高壓，因屏蔽罩都是與機殼相連接地的，所以光、磁、電的屏蔽罩不能與陰極太近，的，所以光、磁、電的屏蔽罩不能與陰極太近，至少要間隔至少要間隔1 12cm2cm，因此，因此PMTPMT的外形尺寸就大，同的外形尺寸就大，同時暗電流和噪聲也較高。（時暗電流和噪聲也較高。（方便、安全、噪聲大方便、安全、噪聲大）l（2 2）陰極接地陰極接地（陽極正高壓供電陽極正高壓供電） 光、磁、電光、磁、電的屏蔽罩跟陰極靠得很近，屏蔽效果好，暗電流的屏蔽罩跟陰極靠得很近，屏蔽效果好，暗電流小，噪聲電平低。但由于陽極處

12、于正高壓會導致小，噪聲電平低。但由于陽極處于正高壓會導致寄生電容增大，匹配電纜連接復雜。若后面需接寄生電容增大，匹配電纜連接復雜。若后面需接直流放大器時，整個放大器就處于高電壓，這樣直流放大器時，整個放大器就處于高電壓，這樣會產生不便；若后面接交流放大器，就必須有一會產生不便；若后面接交流放大器，就必須有一個耐壓很高的隔直電容器。個耐壓很高的隔直電容器。( (噪聲小、不方便、不噪聲小、不方便、不安全安全) )例例4-1 4-1 設入射到設入射到PMTPMT上的最大光通量為上的最大光通量為v v=12=121010-6-6lmlm左右，當采左右，當采用用GDB-235GDB-235型倍增管為光電

13、探測器，已知它的倍增級數為型倍增管為光電探測器，已知它的倍增級數為8 8級，陰級，陰極為極為SbCsSbCs材料，倍增極也為材料，倍增極也為SbCsSbCs材料，材料，S SK K=40A/lm=40A/lm，若要求入射，若要求入射光通量在光通量在0.60.61010-6-6lmlm時的輸出電壓幅度不低于時的輸出電壓幅度不低于0.2V0.2V，試設計該，試設計該PMTPMT的變換電路。若供電電壓的穩定度只能做到的變換電路。若供電電壓的穩定度只能做到0.01%0.01%，試問該，試問該PMTPMT變換電路輸出信號的穩定度最高能達到多少？變換電路輸出信號的穩定度最高能達到多少？解解 (1) (1)

14、 首先計算供電電源的電壓首先計算供電電源的電壓根據題目對輸出電壓幅度的要求和根據題目對輸出電壓幅度的要求和PMTPMT的噪聲特性，可以選擇陽極的噪聲特性，可以選擇陽極電阻電阻R Ra a=82k=82k，陽極電流應不小于，陽極電流應不小于I Iaminamin，因此，因此 Iamin=UO/Ra=0.2V /82 k=2.439A入射光通量為入射光通量為0.60.61010-6-6lmlm時的陰極電流為時的陰極電流為IK= SKv=400.610-6=2410-6A此時，此時，PMTPMT的增益的增益G G應為應為 5min62.4391.02 1024 10aKIGI由于由于 ，N N=8=

15、8，因此，每一級的增益，因此，每一級的增益=4.227=4.227，SbCsSbCs倍增極材料的倍增極材料的NGV782 . 07 . 0DDU總電源電壓總電源電壓U Ubbbb為為 Ubb=（N+1.5）UDD=741V 0.70.2()DDU (2) (2) 計算偏置電路電阻鏈的阻值計算偏置電路電阻鏈的阻值 設流過電阻鏈的電流為設流過電阻鏈的電流為I IRiRi，流過陽極電阻，流過陽極電阻R Ra a的最大電的最大電流為流為 I Iamam= =GSGSK Kvmvm=1.02=1.0210105 5404012121010-6-6=48.96A=48.96A 取取I IRiRi1010

16、I Iamam，則，則 I IRiRi=500A=500A因此，電阻鏈的阻值因此，電阻鏈的阻值R Ri i= = U UDDDD/ / I IRiRi=156k =156k 取取R Ri i=120 k=120 k，R R1 1=1.5R=1.5Ri i=180 k=180 k。(3) (3) 根據式（根據式（4-354-35）得輸出信號電壓的穩定度最高為）得輸出信號電壓的穩定度最高為 .8 0.01%.%bbbb0 70 70 056UUNUU 例例4-2 4-2 如果如果GDB-235GDB-235的陽極最大輸出電流為的陽極最大輸出電流為2mA2mA，試，試問陰極面上的入射光通量不能超過多

17、少問陰極面上的入射光通量不能超過多少lmlm？解解 由于由于I Iamam= =G SG SK KVm Vm 故陰極面上的入射光通量不能超過故陰極面上的入射光通量不能超過 )lm(.1.02S G/IKamVm365310490104010102sLcCR21f1 1、負載電阻輸出、負載電阻輸出光電倍增管的上限截止頻率：光電倍增管的上限截止頻率：若外部運算放大器的輸入阻抗為若外部運算放大器的輸入阻抗為R Rinin, ,光電倍增管的有效負載光電倍增管的有效負載阻抗為：阻抗為：/()OLinLinLRRRRRRpfoIRVA/RRfo2 2、運算放大器輸出、運算放大器輸出)I(IRVospfoo

18、sI表示放大器的偏置電流表示放大器的偏置電流在微弱光信號測量中，一般在放大器的反向輸入端加在微弱光信號測量中，一般在放大器的反向輸入端加入一定的補償電流，以抵消偏置電流入一定的補償電流，以抵消偏置電流最大輸出電壓大約等于最大輸出電壓大約等于前置放大器的工作電壓前置放大器的工作電壓1、使用前應了解器件的特性：靈敏度高、惰性小、供電電壓高、使用前應了解器件的特性：靈敏度高、惰性小、供電電壓高、采用玻璃外殼、抗震性差，應注意防震和高壓下的安全性。采用玻璃外殼、抗震性差，應注意防震和高壓下的安全性。2、使用時不可用強光照射。光照過強時，光電特性的線性變差，、使用時不可用強光照射。光照過強時，光電特性的

19、線性變差，易使光電陰極疲勞，縮短壽命。易使光電陰極疲勞，縮短壽命。3、工作電流不宜過大（、工作電流不宜過大（微安級微安級）。）。 會燒毀陰極面或使倍增極二會燒毀陰極面或使倍增極二次電子發射系數下降，增益降低、光電線性變差，縮短壽命。次電子發射系數下降，增益降低、光電線性變差，縮短壽命。4、測量交變光時，負載電阻不宜過大，否則時間常數變大，頻帶、測量交變光時，負載電阻不宜過大，否則時間常數變大，頻帶將變窄，影響動態特性。將變窄，影響動態特性。5、為了得到較大的線性輸出電壓，應選用陽極特性平直線段范圍、為了得到較大的線性輸出電壓，應選用陽極特性平直線段范圍寬的管子，并接以較大的負載電阻。寬的管子，

20、并接以較大的負載電阻。1 1、光電倍增管各倍增極的發射系數、光電倍增管各倍增極的發射系數與很多因素有關，最主與很多因素有關，最主要的因素是倍增極的材料和結構。要的因素是倍增極的材料和結構。 2 2、光電管的工作原理是，在光電管的陰極和陽極之間加一定、光電管的工作原理是，在光電管的陰極和陽極之間加一定的電壓，陽極為負極，陰極為正極。的電壓，陽極為負極，陰極為正極。 3 3、在較強輻射作用下倍增管的靈敏度下降的現象稱為衰老。、在較強輻射作用下倍增管的靈敏度下降的現象稱為衰老。4 4、光電倍增管的暗電流是指在施加規定電壓后測定的陽極電、光電倍增管的暗電流是指在施加規定電壓后測定的陽極電 流。流。5

21、5、為使陰極面各處的靈敏度均勻，受光均勻，常把光電倍增、為使陰極面各處的靈敏度均勻，受光均勻，常把光電倍增管的光電陰極做成球面。管的光電陰極做成球面。 判斷題判斷題 1 1、光電倍增管的短波限和長波限由什么因素決定？、光電倍增管的短波限和長波限由什么因素決定？ A A、光電陰極材料、倍增級材料和窗口材料、光電陰極材料、倍增級材料和窗口材料 B B、光電陰極材料和倍增級材料、光電陰極材料和倍增級材料 C C、窗口材料和倍增級材料、窗口材料和倍增級材料 D D、窗口材料和光電陰極材料、窗口材料和光電陰極材料2 2、光電倍增管按倍增級結構可分為、光電倍增管按倍增級結構可分為 A A、端窗式和測窗式、

22、端窗式和測窗式 B B、聚焦型和非聚焦型、聚焦型和非聚焦型 C C、百葉窗型和盒柵式、百葉窗型和盒柵式 D D、瓦片靜電聚焦型和圓形鼠籠式、瓦片靜電聚焦型和圓形鼠籠式 3 3、某光電倍增管的陽極靈敏度為、某光電倍增管的陽極靈敏度為10A/lm10A/lm，為什么還要限制它的，為什么還要限制它的陽極輸出電流在陽極輸出電流在5050100A100A？ A A、因為陽極電流過大會使測量數據不穩定、因為陽極電流過大會使測量數據不穩定 B B、陽極輸出電流在、陽極輸出電流在5050100A100A時，電子流不能被陽極所吸時，電子流不能被陽極所吸 收，達到飽和區收，達到飽和區 C C、因為陽極電流過大會加

23、速光電倍增管的疲勞與老化、因為陽極電流過大會加速光電倍增管的疲勞與老化 D D、引起光電倍增管的非線性、引起光電倍增管的非線性1、動態特性動態特性（頻率響應與時間響應）（頻率響應與時間響應） PMT和光電二極管和光電二極管（尤其（尤其PIN與與APD）最好；）最好；2、光電特性光電特性（即線性）（即線性） PMT、光電二極管、光電池、光電、光電二極管、光電池、光電三極管、光敏電阻；三極管、光敏電阻；3、靈敏度靈敏度 PMT、APD、光敏電阻和光電三極管為最好。注、光敏電阻和光電三極管為最好。注意：靈敏度高不一定輸出電流大，輸出電流大的器件有大意：靈敏度高不一定輸出電流大，輸出電流大的器件有大面

24、積光電池、光敏電阻、面積光電池、光敏電阻、APD與光電三極管；與光電三極管；4、外加電壓外加電壓最低的是光電二極管、光電三極管，光電池可不最低的是光電二極管、光電三極管，光電池可不外加電源；外加電源；4、暗電流暗電流 PMT與光電二極管最小，光電池不加電源時無暗與光電二極管最小，光電池不加電源時無暗電流，加反壓后暗電流比光電三極管大；電流，加反壓后暗電流比光電三極管大；5、穩定性穩定性 光電二極管和光電池最好，其次是光電三極管；光電二極管和光電池最好，其次是光電三極管；6、光譜響應光譜響應 PMT和和CdSe光敏電阻最寬。光敏電阻最寬。4.5.1 光譜探測領域的應用光譜探測領域的應用 光電倍增

25、管不但具有極高的光電靈敏度、極快的響應速度、光電倍增管不但具有極高的光電靈敏度、極快的響應速度、極低的暗電流低和噪聲，還能夠在很大范圍內調整內增益。因此，極低的暗電流低和噪聲，還能夠在很大范圍內調整內增益。因此，它在微光探測、快速光子計數和微光時域分析等領域得到廣泛的它在微光探測、快速光子計數和微光時域分析等領域得到廣泛的應用。應用。 1 1、發射光譜儀、發射光譜儀 l2 2吸收光譜儀吸收光譜儀 吸收光譜儀是光譜分析中的另一種重要的儀器。吸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收光譜儀的原理圖如圖4-114-11所示，它與發射光譜儀的主所示，它與發射光譜儀的主要差別是

26、光源。要差別是光源。 發射光譜儀的光源為被測發射光譜儀的光源為被測光源，而吸收光譜儀的光光源，而吸收光譜儀的光源為已知光譜分布的光源。源為已知光譜分布的光源。吸收光譜儀與發射光譜儀吸收光譜儀與發射光譜儀相比，它比發射光譜儀多相比，它比發射光譜儀多一個承載被測物的樣品池。一個承載被測物的樣品池。 l4.5.24.5.2（了解了解 ）時間分辨熒光免疫分析中的應用）時間分辨熒光免疫分析中的應用 1983 1983年，由年，由Pettersson Pettersson 和和EskolaEskola等提出了用時間分等提出了用時間分辨熒光免疫分析（辨熒光免疫分析（time-resolved fluoroi

27、mmunoassaytime-resolved fluoroimmunoassay，TRFIATRFIA）法測定人絨毛膜促性腺激素和胰磷脂酶在臨床醫）法測定人絨毛膜促性腺激素和胰磷脂酶在臨床醫學研究中的應用，在學研究中的應用，在1010多年中，獲得迅速發展。成為最有多年中，獲得迅速發展。成為最有發展前途的一種全新的非同位素免疫分析技術。發展前途的一種全新的非同位素免疫分析技術。 1. 1. 時間分辨熒光免疫分析法時間分辨熒光免疫分析法TRFIATRFIA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記物，時間分辨熒光免疫分析法是用鑭系元素為標記物，標記抗原或抗體，用時間分辨技術測量熒光，同時利標記抗原或抗體，用時間分辨技術測量熒光，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。光的干擾，大大地提高了分析靈敏度。 圖圖4-124-12所示