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光电倍增管选型光电倍增管使用方法

助工
2020-08-25 09:50:29     打赏
  光电倍增管基本选型方法

  1. 按光谱响应范围分类选择

  虽然PMT可探测光谱范围很宽,但每一种管型可直接响应的波段范围是有限的,为使其探测效率得到充分利用,同时又不造成性能及成本的浪费,需要根据入射光的波长选择合适波段的PMT,如图1所示。

光电倍增管选型_光电倍增管使用方法

  2. 按光强大小分类选择

  PMT是微弱光探测的利器,根据入射光强大小及后续电路处理方法的不同,可分为模拟用PMT(常规型号PMT)和光子计数用PMT(型号后缀带“P”标识)。前者可探测10-11W~nW量级的光强,后者可探测10-16W~10-11W量级的光强,二者在10-11W量级光强范围存在交叠部分,需根据实际应用及入射光其他特性具体分析哪种更加适合。

  3. 按光阴极面尺寸分类选择

  根据入射光的光斑形状、大小、与PMT的距离关系等选择合适的PMT。如狭缝形的光斑更适合用侧窗型PMT。阴极面大小选择以尽量多的收集光束为原则,如图2所示,在光源特性完全一致的情况下,(a)PMT阴极面尺寸略小,不能有效收集光信号;(c)光信号虽可全部入射到PMT上,但光斑相对阴极面尺寸过小,阴极面边缘部分没有有效信号,却会产生噪声,使信噪比下降;(b)尺寸的选择明显优于(a)和(c);(d)相比(b)而言,减小光源与PMT之间的距离,可提高光信号的收集效率、增大PMT的探测效率,是PMT的首选方案。

光电倍增管选型_光电倍增管使用方法

  4. 按响应时间分类选择

  大多数PMT响应时间在几个~几十个ns,能够满足大部分的发光测试,但对特殊应用领域,如正电子****断层显像(Time of flight-positron emission tomography,简称TOF-PET)、荧光寿命检测等,响应时间为10-10~10-11s量级的PMT可以为用户提供选择。此外,最终输出信号的响应频率是否能同步反映入射光信号的频率,除PMT的响应时间外,后续电路的处理也很关键,对于选择探测器模块的用户来说,需要考虑模块带宽是否满足需求。

  5. 按使用环境分类选择

  根据使用环境的不同选择不同的PMT,常见的环境差异如温度、磁场等。常规PMT可在-30~50℃的环境中使用,若在石油测井等高温强振动环境中就需要高温PMT,其工作温度通常在150~175℃,随着应用要求的不断提升,耐200℃高温的PMT也已经推向市场。此外,PMT本身对磁场较为敏感,在有磁场干扰的环境中使用,会导致其输出变化,可使用增加磁屏蔽的PMT(型号后缀带“C”标识)。

  光电倍增管基本使用方法

  光电倍增管后续需要配合相应附件及电路,如管座、分压器、高压电源等,才能使电信号正常输出并处理。

  为了安装及拆卸方便,可以使用管座,用户将管座与分压器焊接,PMT直接在管座上插拔使用。常见管座如图1所示,可根据安装方式及空间选择。此外,成品PMT管针部分有几种不同方式,如硬丝、软丝、带管基等,如图2所示,硬丝、带管基的PMT可以直接使用管座,软丝PMT一般直接与分压器焊接。

光电倍增管选型_光电倍增管使用方法

  PMT中的电子运动是由电场决定的,在各极之间供给高压电子才能实现倍增并从阳极输出,此高压需由一个稳定的高压电源(通常在1kV~2kV)提供。由于PMT的增益非常大,其对高压电源的电压变化是非常灵敏的。这种情况下要求PMT输出电流稳定在1%以内,那高压电源的稳定性则必须优于0.1%。

  此外,需要使用分压器回路把电源高压分配给各倍增极,并使各倍增极间拥有一个合适的电压梯度分布。图3为PMT管脚排布示意图,图示方向为面向PMT管针所看到的排布,其中“K”为阴极、“DY为倍增极”、“P”为阳极(信号输出端),“IC”为内部短接(此处使用中需悬空),不同PMT的管脚排布有所不同,分压器电路的设计要与管脚排布匹配。图4所示为PMT分压器示意图,在阴极、倍增极和阳极之间用数个电阻(100k~1MΩ)进行分压,得到各级间的规定电压(不同PMT有各自的推荐分压比,可在产品样本中查询),若输出为脉冲信号,可在后几级增加电容器件。

光电倍增管选型_光电倍增管使用方法

  PMT连接分压器和高压便可从阳极输出电流信号,后续连接回路的设计根据入射光强的不同而有所区别,如图5所示,其中a)直流方式,是将PMT的直流成分分别通过放大器、低通滤波器之后再进行检测,该方法适用于探测光强相对较强的情况,且使用较为广泛;b)交流方式,是将PMT的输出通过电容器取其交流成分,再用平方检波器将其变成直流成分进行检测,该方法一般适用于光强较弱的情况,在此情况下,输出信号中的交流成分压制了直流成分而占主导地位;c)光子计数方式,是将PMT的输出脉冲先放大,再经过脉冲幅度甄别器进行选择,然后对幅度在某一甄别电压之上的脉冲进行计数,该方法适用于观察从PMT输出的脉冲是离散的情况,因此其在极微弱光探测领域即单光子领域是一种非常有效的方法。

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关键词: 光电     倍增     选型     使用方法     选择     输出     使用    

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