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光电倍增管(PMT)分压器设计原理

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分压器的作用是给光电倍增管的倍增级提供正确的分压,使倍增级实现连续的倍增,从而进行放大。所以分压器的设计会影响光电倍增管的分辨率、线性和稳定性。一般分压器我们可以分为三个部分:前级(阴极和第一倍增级)、中间级、末级,每个部分对光电倍增管的影响各不相同。


(1)阴极和第一倍增级
前级的设计主要影响的是电子的收集效率、第一倍增级二次电子发射系数、时间特性、信噪比等,所以在设计前级分压器时应充分考虑以上因素进行设计,不恰当的前级分压会引起信噪比的劣化和影响光电子的收集。
(2)中间倍增级
中间倍增级一般采用均匀分压器,只需要提供连续的稳定放大即可,分压大小可以根据需要的增益来选择。在一些特殊应用中,可以在中间倍增级部分设计电路,满足对增益放大能力的调节。
(3)末级分压器
末级分压器决定了光电倍增管的输出线性,在一些应用场合中,如果有较强的脉冲信号输出,为了降低空间电荷效应的影响,可以在电荷密度较高的后几个倍增级和阳极之间施加更大的电压来克服空间电荷效应的影响,一般可以采取使用锥形分压器。为了避免最后几个倍增级由于信号脉冲电流过大而影响倍增级电位的分布,往往需要在最后若干个倍增级之间接上去耦电容。



常见分压器设计


1. 直流(DC)输出型

此种分压器的设计,在阳极输出电流比较小的时候可以忽略后面倍增级的影响。但是当入射光通量增大时,会导致后面几级倍增级的电压下降,导致前面电极间的电压升高,所以此种分压器的设计只适用于阳极输出电流较小的直流信号输出中。

2. 脉冲信号型

为了改善脉冲信号的线性,我们可以在末级倍增级上接上去耦电容,在脉冲期间,补充光电倍增管的电荷,以抑制末级分压器和阳极之间的电压下降,从而改善脉冲线性。


3. 高线性(大电流)输出分压器电路

① 锥形分压器


为了克服由于入射光过强导致末级分压器空间电荷效应的影响,我们可以使后面几级分压器的阻值变大,使用锥形的分压设计,可以有效的提高阳极输出线性。

② 稳压管分压器

可以在前级和末级之间使用齐纳二极管来代替电阻,不管阴极和阳极之间所加多大的电压,都能维持电极电压的稳定性,确保光电倍增管稳定工作,并取得最大的输出线性。

③ 倍压整流分压器

可以在回路里串联二极管,每个接点各串联一个电容(倍压整流)。这种兼有电源的分压电路,具有高输出线性外,还具有小型、低功耗的特性。

④ 晶体管分压器

在闪烁计数应用中,当光电倍增管在高计数率的时候,常发生输出线性的问题,在这种场合中,可以使用晶体管来代替分压器电阻,这时由分压器电阻引起的输出线性降低可以得到改善。


4. 减少震荡分压器

在输出上升时间为10纳秒以下的快速脉冲时,我们在末级分压器接上阻尼电阻,可以减轻输出波形的振荡。阻尼电阻常用10——200 Ω左右的无感应电阻,如果该阻值过大,将会引起时间响应特性变坏,一般可以通过观察实际波形来决定其必要的最小限度值。

5. 增益可调节的分压器

光电倍增管的输出控制,我们可以改变所加的电压来控制,但有时希望不改变高压,让光电倍增管工作在增益比较高、工作电压低的场合中,我们可以参考以下的设计。

① 倍增级和阳极短接

如图所示,可以直接减少倍增级级数来控制增益,并提高极间电压、提高信噪比。可以从阳极或者倍增级输出。

② 调节中间倍增级电位

如图所示,我们可以在中间倍增级中添加可调节电阻。调节中间倍增级电压控制光电倍增管增益,试验表明保持前级电位恒定,仅仅改变中间倍增级电压来调节光电倍增管增益是有效的。


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