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光电倍增管的基本使用方法


光电倍增管(Photomultiplier Tube,简称PMT)将光信号转化为电信号,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。


图1. 不同形状及尺寸的管座


图2. 不同管针形式的PMT



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。详细的分压器电路设计将在后面章节说明。


图3. PMT管脚排布图


图4. 分压器设计示意图



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。


图5. PMT输出信号处理方法


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介绍了光电倍增管的工作原理、基本特性参数、应用技术领域;以及如何评价、选择和使用光电倍增管。


上面资料的英文原版。

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