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光电倍增管分压器设计及使用环境

# 引言


为使光电倍增管工作,需要在阴极和阳极间加上几百甚至上千伏的高压,因此合理设计分压器对正确使用光电倍增管是非常重要的。不恰当的分压器会引起PMT的能量分辨率、脉冲线性或稳定性等性能指标变差。所以分压器的设计要根据对光电倍增管的要求(如:最佳信噪比、高增益、大电流输出等)来考虑。


实际应用中,在阴极和阳极之间用数个电阻(100KΩ~1MΩ)进行分压,按照产品的推荐分压比即可得到各极间的规定电压。各个倍增极间合适的电压分配,对于某些性能的实现是起决定性作用的。


# PMT分压器设计


光电倍增管的分压器可细分为三个部分:前级(阴极—第一倍增极),中间级,末极。

1、阴极—第一倍增极

维持阴极与第一倍增极间具有适当高的电场是很重要的。前级电压的分配是由电子收集效率、第一倍增极次级电子发射系数和时间特性、信噪比的需要决定。

2、中间级

中间级的电压可根据需要的增益来选择。

3、末极

末极倍增极分压器由输出线性决定。在某些应用中(比如高能物理)有强脉冲信号输出,为了降低空间电荷效应,在电荷密度较高的后几个倍增极和阳极上所加电压应适当高,增加后几个倍增极和阳极的电位梯度。为了避免在最后几个倍增极由于脉冲电流过大而影响倍增极电位分布,往往需要在最后几个倍增极上接上去耦电容。

4、常用分压器电路图(图1、图2)


 


图1 直流(DC)输出型分压器电路


 


图2 脉冲信号型分压器电路


 


图3 快速时间响应型分压器电路

在高压供给回路中,接入由R1和C1组成低通带滤波器,可以减小来自高压供电的噪声。通常电阻为数10千欧,电容为0.001~0.05μF的耐高压瓷介电容。


输出上升时间为10ns以下的高速脉冲时,如图3所示,在末级倍增级和响应的前级倍增级里接入阻尼电阻R9、R10,则可减小波形的振荡。阻尼电阻通常用10~200Ω左右的无感电阻,如果阻尼电阻过大,将会引起时间响应特性变化,一般通过观察实际波形来决定其必要的最小限定值。如图4是分别用通常的分压器回路和加阻尼电阻的分压器观察到的输出波形。显而易见,加有阻尼电阻的回路振荡减小很多。


 

图4 阻尼电阻的效果


 

图5 高线性(大电流)输出型分压器电路

最佳的脉冲线性特性的分压器电压配比随光电倍增管种类而异。在高能物理应用领域,因为多要求高的脉冲输出,所以在光电倍增管的样本里,都给有推荐的高脉冲线性用分压器电压配比(俗称锥形分压器)和最大输出电流值。用这种锥形分压器(图5)和通常分压器测得的脉冲线性结果,如图6所示,显而易见,使用锥形分压器可提高脉冲线性约10倍。另外,使用锥形分压器的阳极输出,要比通常分压器的输出下降1/5左右,所以使用时必须提高工作电压。


 

图6 采用锥形分压器的线性特性

注:脉冲宽度:50(ns);振动频率:1(kHz);工作电压:1500(V)


# PMT工作环境


1、光屏蔽

光电倍增管是灵敏度非常高的光探测器件,检测的信号是微弱的,因此,必须特别注意对杂散光的屏蔽。在可能漏光的地方,必须用黑色橡皮密封,暗箱内部要涂覆防止光反射、散射的黑色吸光材料。


2、电场屏蔽

外罩(光电倍增管用的外壳)通常是用铝金属等做成的,如保持接地,则可有效屏蔽外部电场。为了防止光的散射和反射,外罩内部需要进行黑化处理。并特别要确保接地线和连接处的接触良好。还有就是,如果接地电位的物体靠近光电倍增管的管壳,这样会使得噪声增大。因此,外罩和光电倍增管必须保持一定的距离。


3、磁场屏蔽

光电倍增管对磁场非常敏感,即使地磁场那样的强度对特性也有不利的影响。为此,在精密测光及在强磁场中测光的场合,必须使用磁屏蔽筒或者磁屏蔽暗箱。作为屏蔽材料一般以坡莫合金为最好。对端窗型PMT,特别要注意屏蔽光阴极到第一倍增极这一段,并且,屏蔽筒应长出光阴极面半个到一个PMT的直径长度。


4、降噪方法

噪声的主要原因之一是热电子发射,在一般的使用电压范围内,热电子发射占支配地位。如果使用的环境需要降噪,则采用降低温度的方法是可行的。下图为不同光电阴极的暗脉冲温度特性曲线。


 

图7 暗电流脉冲的温度特性


光电倍增管是一种灵敏度非常高的光电器件,如何能更好地使用它,让其发挥最佳的性能,设计匹配的分压比是非常重要的。另外,使用过程中,也要注意屏蔽,避免环境影响到光电倍增管的性能。

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