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【FAQ】光电倍增管(PMT)

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FAQ内容按照参数类(灵敏度、暗噪声、响应特性、寿命等)、通用的使用问题、光子计数等内容整理如下:


# 参数类(灵敏度、量子效率、噪声、时间响应、线性等)


        Q1. PMT的灵敏度随温度如何变化?


        Q2. PMT的灵敏度离散性如何?


        Q3. PMT灵敏度/增益如何调节?


        Q4. PMT的量子效率主要和哪些参数相关?


        Q5. 如何估算PMT的量子效率?


        Q6. PMT暗电流产生的原因主要有哪些?


        Q7. PMT后脉冲产生原因是什么?


        Q8. 在有的文献或者实验测试结果中,会提到HPD有一定概率产生一个'super pulse',原因是什么?


        Q9. H10721的纹波噪声怎么一般怎么定义的?


        Q10. PMT模块中对于setting time的描述是什么意思?


        Q11. PMT的带宽如何估算?


        Q12. PMT的电流信号输出线性由什么决定?


        Q13. PMT如何调节线性范围?


        Q14. PMT脉冲输出饱和度随电压如何变化?


        Q15. 闪烁体和PMT耦合一般用什么材料?


        Q16. PMT HA涂覆层的作用主要是什么?


        Q17. R3809U MCP PMT的MCP-阳极电容大小是多少?


        Q18. PMT和MPPC都有倍增功能,是否可以互相替代使用?


# 使用(储存、使用中的问题)


        Q19. 在初次使用PMT模块时候,需要注意些什么?


        Q20. PMT装配到仪器时应注意什么问题?


        Q21. PMT为什么要预热,怎么预热?


        Q22. PMT长期存储后,需要预热或者老化吗?


        Q23. PMT存放温度会导致灵敏度变化吗?


        Q24. PMT保存环境湿度过大有什么影响吗?


        Q25. 如何减轻电场、磁场对PMT干扰?


        Q26. 氦气对PMT会有什么影响?


        Q27. 为什么用同样的标准光源和PMT模块做重复性测试,存在差异?


        Q28. 能否用模拟输出的PMT模块进行化学发光测量?


        Q29. 门控型PMT可以关闭状态下可以接收强光曝光吗?


        Q30. 根据PMT datasheet上的分压电路数据设计电路,为什么实际测试线性范围较小?


        Q31. 使用PMT时,如果想延长输出线的长度,在线材选择上有什么建议?


        Q32. 在使用PMT时,暗室设计过程中具体要怎么做,如:选用什么材料,厚度等?


        Q33. H7422为什么会出现在正常采集信号时突然没信号?


        Q34. 插针式光电倍增管模块H10720焊接温度要求是什么?


        Q35. C8855-01连接PMT模块为啥没有输出? New


        Q36. 在使用PMT检测脉冲信号时,如何提升线性上限?


        Q37. 使用PMT时,如何选择适当的高压电源?


        Q38. 电压型PMT,暗输出和offset电压有什么关系?


        Q39. 流式细胞仪中,PMT均匀性有何影响?


        Q40. 流式细胞术中,选择高量子效率PMT有什么优势?


        Q41. CC228高压电源的纹波、调整率是如何测试?


        Q42. 如何防止因冷凝水进入PMT产生的失效问题? NEW


# 光子计数


        Q1. 光子计数PMT模块脉冲对分辨率时间指的是什么时间间隔?


        Q2. CH297电源线接头断了,如何区分正负极?


        Q3. 光子计数单元CH297除了使用电脑进行数据采集,还可以通过什么方式进行?


        Q4. PMT的工作寿命有多长?


        Q5. 光子计数探头曝光后立即使用,暗计数偏高是否正常?


        Q6. 光子计数探头一般只有5M的线性,怎么提高线性上限?


        Q7. 在测试暗计数时,有跳点出现,是否正常?


        Q8. CH297脉冲对分辨率设置错误会有什么问题?


        Q9. CH297出现上位机读值为0的原因是什么?


        Q10. C8855-01计数模块中general output section如何使用?


        Q11. 如何提高光子计数PMT模块的计数线性上限?


        Q12. H10682-110在400nm~500nm波段的输出随温度如何变化?


        Q13. CH297如果门控时间设置为100 ms以下会有什么问题?


        Q14. C8855-01连接PMT模块为啥没有输出?


        Q15. C8855-01计数模块中general output section如何使用?



# 参数类(灵敏度、量子效率、噪声、时间响应、线性等)


Q1.  PMT的灵敏度随温度如何变化?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


不同光阴极面的PMT阳极灵敏度随温度变化并不完全一样,且针对不同波长,灵敏度变化系数也不同。可以参考下图:



Q2. PMT的灵敏度离散性如何?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


相比半导体类光电产品,由于工艺材料等原因,PMT的灵敏度离散性比较大。为了调整不同PMT输出一致性,可以通过调节增益控制电压改变阳极灵敏度。


Q3. PMT灵敏度/增益如何调节?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


电流型/电压型PMT模块,都提供控制电压输入口,可以通过控制电压改变内部高压设定,从而改变光电倍增管增益,从而改变灵敏度。


Q4. PMT的量子效率主要和哪些参数相关?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


主要和光窗阴极面的反射系数,材料光子吸收系数,光吸收后能够激励到真空能级以上的几率,激励电子的平均逸出距离,表面电子真空发射几率等参数有关。


Q5. 如何估算PMT的量子效率?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


有时候数据手册只给出了阴极辐射灵敏度Sk典型分布曲线,这时候为了估算量子效率,我们可以采用以下公式来计算:



Q6. PMT暗电流产生的原因主要有哪些?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


暗电流按原因分类如下:
(a) 由光阴极面及倍增极表面的热电子发射引起的电流;
(b) 管内阳极和其它电极之间,以及芯柱阳极管脚和其它管脚之间的漏电电流;
(c) 因玻璃及电极支持材料发光产生的光电流;
(d) 场致发射电流;
(e) 因残留气体电离产生的电流(离子反馈) ;
(f) 因宇宙射线、玻璃中的放射性同位素发出放射线、环境γ射线等导致玻璃发光引起的噪声电流。


Q7. PMT后脉冲产生原因是什么?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


光电倍增管以脉冲方式工作,在对应于信号输出脉冲的后面有时可看到一小的杂散脉冲。将这样的输出脉冲叫做后脉冲。其中后脉冲包括紧随信号的快后脉冲,还有延迟到微秒级的慢后脉冲。前者产生原因主要是前级倍增级弹性散射。后者主要由于气体电离产生的离子反馈。


Q8. 在有的文献或者实验测试结果中,会提到HPD有一定概率产生一个'super pulse',原因是什么?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


这种情况一般是由于产生的光电子加速轰击雪崩管时,有一定几率产生X射线发射,如果射线打到阴极面,就会产生大量的光电子发射,从而有super pulse产生。在高光量入射情况下,这种现象也会增多。


Q9. H10721的纹波噪声怎么一般怎么定义的?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


PMT模块中,除了光电倍增管(PMT)之外,还至少会集成高压电源和分压电路。其中高压电源中使用的振荡电路(oscillation circuit)会带来额外微小的电压抖动,继而使得加在PMT上的高压、PMT的增益以及最终输出的信号上都会出现相应的抖动,即纹波。纹波现象所带来的纹波噪声在滨松PMT模块的彩页中一般被标注为"Ripplenoise(peak to peak)",是在特定控制电压下,采用特定的读出参数所测得的电压曲线中波峰和波谷的差值。


Q10. PMT模块中对于setting time的描述是什么意思?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


当光电倍增管模块控制增益大小的参考电压变化的时候,实际施加到光电倍增管的高压会有些滞后,因此稳定时间指的是控制电压从某个特定值(一般从+1.0 到0.5 V)变化到另外一个值的时候,高压达到稳定时的时间即稳定时间。


Q11. PMT的带宽如何估算?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


PMT电流模拟输出方式下,截止频率可以根据下式估算:fc(MHz)=350/tr(ns)。其中tr为PMT上升时间。


Q12. PMT的电流信号输出线性由什么决定?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


决定阳极线性的主要因素有:分压器回路的影响和倍增系统的大电流时空间电荷效应的影响。直流运用主要是因为分压器回路的影响,而脉冲运用则是因空间电荷效应限制了线性。 脉冲方式是由于空间电荷效应的影响;直流方式是分压器电压随信号电流而变化的影响。


Q13. PMT如何调节线性范围?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


PMT可以通过调节工作电压来改变增益,从而改变线性范围。


Q14. PMT脉冲输出饱和度随电压如何变化?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


随工作电压降低,饱和输出值变小,主要是受到空间电场影响。


Q15. 闪烁体和PMT耦合一般用什么材料?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


为了使闪烁体和PMT耦合时减少因折射率不匹配引起的光损失,一般选择和玻璃折射率相近的材料作为光耦合剂,比如硅油。


Q16. PMT HA涂覆层的作用主要是什么?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


PMT在负高压条件工作时,由于侧管外壁加了负高压,而PMT外壳可能接地。这样周围电位差会引起输出噪声。在侧管玻璃外壁涂覆导电层并加上阴极电位(HA涂覆层),就可以避免光电倍增管直接接触金属类外壳,避免产生额外噪声问题。


Q17. R3809U MCP PMT的MCP-阳极电容大小是多少?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


两好。


Q18. PMT和MPPC都有倍增功能,是否可以互相替代使用?


李昆(lk@hamamatsu.com.cn)


两类器件都是高增益探测器,但是MPPC本身的性质导致噪声特性不如PMT控制的好,所以一般建议在入射光10pW以下的情况还是用PMT比较好


# 使用类(储存、使用中的问题)


Q19. 在初次使用PMT模块时候,需要注意些什么?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


PMT模块在使用时,一般要注意以下几个方面:
1.在安装、使用、移动、接线等操作时,一定注意断电操作;
2.产品入射窗口处一般会有黑色贴子或盖子保护,是用于一般性的光窗保护,并不能完全避光,使用时应做好避光措施;
3.产品工作状态下禁止强光入射窗口,以免强光对产品造成永久性损害;
4.断电状态下,不建议将光窗暴露在强光下,如日光;
5.采用电压调节控制增益时,参考电压输出线注意悬空,避免与其他器件接触;
6.上电前请仔细检查电源电压和极性是否正确;
7.注意保持入射窗口的清洁,阴极面上的手印、灰尘等会影响光的透过,可用无尘纸蘸酒精或酒精棉擦拭干净,不可使用其他物品以防止划伤;
8.产品应在尽量稳定的环境下贮存及工作,避免震动;避免在电磁干扰较强的环境下工作;
9.氦气能穿透玻璃,引起PMT噪声增加,气压变坏等,因此避免在有氦气的环境中使用或存储;
10.在仪器设计时,考虑互锁装置,避免对PMT造成意外影响,比如突然曝光等;
11.保持干净清洁的操作,避免湿气或灰尘等进入PMT模块内部;
12.不建议自行拆卸产品;
13.产品不使用时,需避光保存,切勿使光电倍增管曝露在强光下;
14.如有其他方面的使用问题,可以和我们联系。


Q20. PMT装配到仪器时应注意什么问题?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


除了通常需要注意的事项外,在装配时候可以关注下面几点:1.避免阴极面见光;2.不要磕碰;3.保持光窗干净;4.注意暗室避光;5.保持Pin脚干净无脏污。


Q21. PMT为什么要预热,怎么预热?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


一般来说,PMT工作时间越长,稳定性越好,而且,工作后放置期间,这种倾向也会保持一段时间。所以,管子使用前把管子预热(即让管子进行工作状态一段时间),可以得到较好的工作稳定性。为使光电倍增管稳定工作,先进行数十分钟到数小时的预热准备是必要的。在间断使用的情况,开始使用时,预热时间要长一些,使用后的预热时间可以短一些。预热时阳极电流大,则时间可以短一些,阳极电流小,可以长一点,其效果是相同的。一般是加上实际使用大小的电源,流过的阳极电流数微安,预热准备一小时左右。只将光电倍增管加上电压,暗中放置1~2小时,也可达到预热准备的效果。


Q22. PMT长期存储后,需要预热或者老化吗?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


PMT长期存储后,内部的碱平衡可能存在不稳定。建议可以进行一段时间的老化后使用。


Q23. PMT存放温度会导致灵敏度变化吗?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


光电倍增管的灵敏度即使是在室温中放置多少也会有些变化。这可认为是激活光阴极及倍增极面的碱金属的移动所致。在高温下放置时,灵敏度变化加速,所以要尽可能在室温或室温以下保存 。


Q24. PMT保存环境湿度过大有什么影响吗?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


因为长时间在高湿度下放置,会使玻璃芯柱表面的漏电流增加,管脚表面生锈而造成接触不良。另外,还会使UV(透紫)玻璃失透而使透过率下降等,所以必须要保存在干燥的地方。再有,表面脏也是漏电流增加和生锈的原因,所以不要用手直接接触玻璃芯柱、管脚、塑料管基的阳极管针周围。万一粘污时,必须使用无水乙醇等擦洗干净。


Q25. 如何减轻电场、磁场对PMT干扰?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


可以通过加磁屏蔽和绝缘套避免。另外,一般要求PMT距离产生磁场的物体10 cm以上,距离接地外壳3 mm以上避免电场造成暗噪声增大。


Q26. 氦气对PMT会有什么影响?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


在氦气中存放或工作,都会使管内气体增加,导致暗电流增加,气压变坏, 最后产生放电,致使光电倍增管寿命终了。


Q27.为什么用同样的标准光源和PMT模块做重复性测试,存在差异?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


光程和入射光角度,对PMT输出影响比较大,如果每次测试重复安装光源的情况下,会出现结果不一致的现象。


Q28. 能否用模拟输出的PMT模块进行化学发光测量?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


通常来讲,由于化学发光的光强水平可以达到光子的级别,模拟输出由于无法分离暗噪声,目前还做不到单光子级计数。因此优先选择光子计数模块来进行化学发光探测。


Q29. 门控型PMT可以关闭状态下可以接收强光曝光吗?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


即使使用门控,也必须注意阳极电流不要超过光电倍增管的最大额定值。再有,像激光这样能量强的光照射光电倍增管的情况下,即使门控进行动作,光电面本身也会被破坏。必须避免强光照射光电倍增管。


Q30. 根据PMT datasheet上的分压电路数据设计电路,为什么实际测试线性范围较小?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


datasheet提供的分压电路电阻比值是通用性的数据,由于输出线性受分压器电流和空间电荷影响,为了提高线性上限,需要使用者对分压器电路进行优化。


Q31. 使用PMT时,如果想延长输出线的长度,在线材选择上有什么建议?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


一般信号输出线,高压线,接地线等线材和接头的选择可以参考下图中的线材建议:


Q32. 在使用PMT时,暗室设计过程中具体要怎么做,如:选用什么材料,厚度等?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


从经验出发,常会使用铝材作为暗室材料,内外侧均涂有黑色吸光材料或发黑处理,防止光的反射、散射。部件连接处可加垫橡胶圈等避免漏光。厚度方面,一般几层涂有黑色吸光材料的铝箔已足够实现遮光效果。


Q33. H7422为什么会出现在正常采集信号时突然没信号?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


在确保正常使用条件下,如果存在突然没信号情况,可能是由于采集信号期间某段时刻光较强,超过PMT内部设定的输出电流保护阈值导致PMT关闭。这时候可以重新按照说明书重置PMT即可。


Q34. 插针式光电倍增管模块H10720焊接温度要求是什么?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


380 ℃以下电烙铁焊接,3 s以内完成。


Q35. C8855-01连接PMT模块为啥没有输出?


李昆(lk@hamamatsu.com.cn)


软件中需要把external power OFF改为ON方可正常使用。


Q36. 在使用PMT检测脉冲信号时,如何提升线性上限?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


一般PMT模块的脉冲响应与信号的频率、脉宽、PMT的倍增极、分压器、电压等有关。在倍增极方面,不同结构其电场分布不同,脉冲线性特性有所区别。图左是不同倍增结构线性特性的一个大致描述。另外,改变分压器配比、增加去耦电容、增加极间电压、通过抑制高光强下倍增极/阳极电压变化、提高电场强度,从而可以提升线性上限,图右采用锥形分压提高了脉冲线性上限,图3改变电压能够改善线性上限。


图1

图3


Q37. 使用PMT时,如何选择适当的高压电源?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


滨松提供了多种类型的高压电源模块,用户在使用时一般可以从以下两个方面考虑选择:
1.输出电压范围,电压输出电压需要高于所用PMT的最大供电电压;
2.输出电流,通常来讲高压电源的输出电流最大值要高于分压器流过电流的1.5倍。分压器的电流可以通过实际使用时的供电电压计算得到。


Q38. 电压型PMT,暗输出和offset电压有什么关系?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


当PMT内部控制电压为0时,仍然会有很小的电压输出,这是因为电压型PMT内部集成有运放单元,所以在PMT通电时会有波动的微小电压输出。
而当PMT加上控制电压后,在完全暗环境下的暗输出包含了PMT的暗电流和offset电压的总输出。


Q39. 流式细胞仪中,PMT均匀性有何影响?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


流通池中细胞XY位置的不同,如果PMT均匀性差别较大,会导致不同位置相同光强输出的强度不稳定。因此需要选用均匀性好的PMT。


Q40. 流式细胞术中,选择高量子效率PMT有什么优势?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


对于检测波段选择高量子效率PMT的场景,对于改善仪器的分辨率有帮助。


Q41. CC228高压电源的纹波、调整率是如何测试?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


以CC228P-01Y为例,测试条件: 固定负载电阻:2.5 MΩ ± 0.5%,输出测试端的输入阻抗:>75 MΩ
1.纹波测试:①示波器带宽要求DC-20 MHz,-3 dB;②测试用连接电容0.1 μF/2 KV
2.输入调整率:Vcc 12±0.5 V
3.负载调整率:输出测试端输入阻抗>1000 MΩ条件下,空载与固定负载2.5 MΩ相比


# 光子计数


Q1.  光子计数PMT模块脉冲对分辨率时间指的是什么时间间隔?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


一般指的是输出相邻脉冲间隔,如下图:


Q2. CH297电源线接头断了,如何区分正负极?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


如果电源线无正负极标志,可参考下图,利用万用表确认极性。



Q3. 光子计数单元CH297除了使用电脑进行数据采集,还可以通过什么方式进行?


CH297我们除了提供完整的光子技术软件外,还提供RS232串口的通讯协议控制命令集和DLL动态链接库,客户可以根据自己的实际应用选择开发方式,如单片机采集等。



版本:V1.0.39


版本:V1.0.00


版本:V6.1.10


Q4. PMT的工作寿命有多长?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


正常弱光探测下能到几万小时到几十万小时的寿命。


Q5. 光子计数探头曝光后立即使用,暗计数偏高是否正常?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


PMT见曝光后,会出现暗计数偏高的情况,放置或使用一段事件后暗计数会恢复正常。但是需要避免带电见强光,会损伤PMT。


Q6. 光子计数探头一般只有5M的线性,怎么提高线性上限?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


我们可以提供线性校正公式提高上限。另外,利用CH297计数模块(内置线性校正电路)可以达到20 M线性。


Q7. 在测试暗计数时,有跳点出现,是否正常?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


如果在长时间如几个小时的监测中,偶尔出现跳点是正常现象。原因是阴极面热电子随机发射产生。


Q8. CH297脉冲对分辨率设置错误会有什么问题?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


CH297在校正计数值时会通过含有脉冲对分辨率的公式进行计算,若果该值与配套使用的光子技术探头标称不一致,会造成校正值失真,影响数据真实程度。


Q9. CH297出现上位机读值为0的原因是什么?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


可能是上位机命令与CH297软件通讯协议或者其他文件有冲突。


Q10. C8855-01计数模块中general output section如何使用?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


该接口为开集输出,通常在使用的时候需要外接上拉电阻,从而才能进行驱动其他器件。一般情况下,可以接74LS06或等同的驱动器,增大驱动能力从而驱动下一级器件。


Q11. 如何提高光子计数PMT模块的计数线性上限?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


当入射光逐渐增强时,发生脉冲重叠的概率随之增大,从而导致对脉冲的计数不准,出现饱和计数下降现象。为了提升计数上限,比较重要的时降低高计数率下脉冲重叠概率,可以通过以下三个方法改善:
1.提升脉冲生成电路的脉冲对的分辨率;
2.采用预分频器,也是为了提升脉冲对分辨率;
3.使用校正公式,从概率上补偿计数损失,这种种方法是比较容易操作的。



Q12. H10682-110在400 nm~500 nm波段的输出随温度如何变化?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


由于PMT比较容易受外部温度影响,灵敏度会随温度不同而改变,因此光子计数输出值也会变化。不同的光电阴极面材料和波长,灵敏度变化都不太一样。根据图4所示的典型光电倍增管温度系数和波长关系曲线,我们可以看到采用双碱材料的H10682-110在400 nm~500 nm波段的阳极灵敏度为负温度系数,可以推断其输出随温度上升而降低。图5是H10682-110在470 nm随温度变化的参考输出曲线,可以看到从0℃~50 ℃计数值输出逐渐下降。

图4                                                                                                 图5


Q13. CH297如果门控时间设置为100 ms以下会有什么问题?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


一般建议设置门控时间为100ms以上,如果设置为100 ms以下,需要注意上位机主频能够满足采集时间要求,防止造成丢值现象。


Q14. C8855-01连接PMT模块为啥没有输出?


李昆(lk@hamamatsu.com.cn)


软件中需要把external power OFF改为ON方可正常使用。


Q15. C8855-01计数模块中general output section如何使用?


于杰(yujie@hamamatsu.com.cn)


该接口为开集输出,通常在使用的时候需要外接上拉电阻,从而才能进行驱动其他器件。一般情况下,可以接74LS06或等同的驱动器,增大驱动能力从而驱动下一级器件。


Q42. 如何防止因冷凝水进入PMT产生的失效问题


杨春晓(ycx@hamamatsu.com.cn)


1. 设定制冷时,保持与环境温度温差不能太大; 2. 扫风 ;3. 制造密闭空间隔离。


# 相关工程师


 

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