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光电倍增管(PMT)使用注意

光电倍增管(PMT)使用注意


在光电探测器的世界里,光电倍增管(Photo Multiplier Tube, PMT)是非常重要的存在。它非常灵敏,十分擅长极微弱光的探测。远至宇宙求索、生命探寻、科研前沿,近至能源、环保、医疗、食品安全,与人类现在以及未来的方方面面,都息息相关。不过,其对使用环境、使用操作都是极为有要求的,在与它打交道的时候得特别注意,以免出现PMT无法工作甚至是损坏的情况。以下将详细地介绍,在使用PMT时的多个常规的注意事项。


保持洁净


请牢记,哪怕一点污渍,也会给PMT的工作带来困扰,以至于影响探测数据。这一点虽然很好理解,但是其实很多人并没有去在意。解决办法很简单,注意到以下几点,基本都能避免:


1、保持光窗洁净


1)光窗保持清洁,以提高光入射的透过率。如有污染,可用无水酒精、丙酮擦拭;
2)操作时,手直接触碰光窗很可能会留下汗渍、油渍等附着物,这些附着物在一些光的照射下可能会产生荧光,造成PMT信噪比的下降,要特别注意。


2、保持管基及管针洁净


这样可以减少漏电流。管基和管针上面一般应用的是上千伏的高压,如此高压下产生漏电流,一定会对PMT的使用产生影响。


注意插拔安装


PMT是一个真空玻璃管制品,比较脆弱,千万不要以蛮力相待。玻璃被刮伤或受到冲击都会造成裂纹,特别是对过渡封接玻璃管产品。使用时也一定要注意插拔,当插上或拔下管子时,必须保持垂直,但凡用力不当,很有可能导致玻管破裂,产生漏气,管子就会完全报废掉。玻璃管基也需要小心谨慎,当将电阻和电容焊接到管座上制作分压器电路时,应将管基完全插入管座。当然,插拔操作的时候要戴上手套,防止油污、汗渍等影响PMT后续的使用。


注意使用环境


作为一个精密的探测器,PMT对温度、湿度、磁场、强光、放射源等等环境因素都十分敏感。


1、温度


其实,任何一个探测器都会谈到温度因素。对于PMT来说,一方面工作温度有不同的规范;另一方面,不同的应用温度环境,有不同的PMT选择。大部分PMT使用是在常温下,温度区间在-30℃~50℃,而滨松可以提供零下180多摄氏度下使用的PMT,也有可耐200多摄氏度的PMT。在选择的时候,要注意使用环境与所选PMT使用温度范围的匹配性。而不合适的温度或者变温,则会对PMT的暗噪声、灵敏度、饱和特性等方面造成影响:


1)不同波长、不同阴极材料,对温度的敏感度是不一样的,会造成不同的灵敏度变化(见图1)。比如双碱PMT,每升高1℃,灵敏度会下降0.3~0.4%。(可以参考具体产品的参数进行换算:阳极灵敏度=阴极灵敏度*电流增益)



图1 不同波长、不同阴极材料,温度造成的不同灵敏度变化


2)温度会影响PMT的饱和电流,从下面图2可以看到,无论是双碱PMT还是多碱PMT,都会受到这样的影响。



                 图2 温度影响双碱、多碱PMT的饱和电流


3)任何一个光电探测器在高温下都会有热噪声的上升。PMT这里主要会表现出两点:阳极的暗电流提升(见下图3左);在光子计数法里暗计数的提升。(见下图3右)


图3 PMT在高温下热噪声上升


4)温变切勿太过剧烈。过大的温度梯度变化主要会造成两个问题:灵敏度衰退,以至于工作不稳定;对一些特殊的PMT,例如石英光窗的PMT,因为有过渡节的存在,膨胀系数是不一样的,变温太过急剧,管壳封接处有炸裂的危险。


上述诸多问题,归根究底我们该怎么去避免温度带来的影响呢?主要有两种办法:


1)制冷降温;
2)通风散热。


其中比较推荐的是通风散热。如果使用制冷,可能需要考虑到干扰,以及冷凝的一些现象,这些都是在应用过程中比较难处理的一些问题。还有点需要注意的是,PMT为真空器件,热传导速度慢,导致温漂现象的呈现,是具有一定滞后性的(不论升温、降温)。


2、湿度


前面说到,PMT本身会加上千伏的电压,而湿度过高,则会带来漏电流的增加。所以,我们需要尽可能地保证使用环境的干燥,湿度建议低于60%。如果在高湿环境下使用,PMT就得进行封胶处理,或者直接选用PMT模块。要知道,PMT模块在90%的湿度下工作都是没问题的。


3、磁场


极高的增益是PMT一个核心优势,是由电子运动轰击倍增级来实现的。一旦有磁场作用,电子轨迹会产生偏移,此将直接导致PMT灵敏度的变化。PMT对磁场可以说是极为敏感,即使地磁场那样的强度,对其特性也有着不利的影响。




图4 这是一款滨PMT模块受磁场影响的情况


针对这个问题,一般有个解决办法:



1)远离磁场源:最简单、最粗暴又最有效;
2)采取屏蔽:在精密测光及在强磁场中测光的时候,必须使用磁屏蔽筒或磁屏蔽暗箱。屏蔽材料一般以坡莫合金为最好。对于端窗型PMT,得特别注意屏蔽光阴极到第一倍增极这一段,屏蔽筒应长出光阴极面半个到一个PMT的直径长度;
3)选择抗磁PMT:在一些在高磁场环境下,最好去选择抗磁结构设计的PMT。


4、其他敏感项的排除


除了刚刚我们说到的温度、湿度、磁场,PMT的敏感项还有强光、放射源等等,对于此类种种,其实只要牢记两个字"屏蔽"就可以了,这对PMT 来说非常非常重要:


1)不工作的时候,PMT切忌暴露在直射阳光下或其它强光下,这样会影响PMT的使用性能;
2)PMT在使用时如果漏光,会带来极大的噪声。工作中要严格避光,否则信噪比会受到影响;如果工作时候有强光直射,会直接造成PMT的损坏;
3)放射源应远离使用中的PMT,以免增加噪声;
4)与光窗相接触的任何材料均应保持在阴极同电位,避免玻璃发光现象。
5)氦气能穿透玻璃,增加噪声,导致光电倍增管损坏而无法使用。应避免在有氦气的环境中使用或存储。



配置好后续电路和附件

 



再好的PMT,不搭配适合的后续电路和附件,是没法发挥出真正的实力的。


一方面,PMT需要根据具体的工作条件,采用合适的输出电路(负载电阻、放大器增益、光子电路等)。每个用户到底该怎么选,是不尽相同的,要具体问题具体分析,关于这方面,可以直接找滨松工程师咨询:4000-746-866(滨松中国全国服务热线)。


另外,我们还要选择正确的高压电源,选择正确的电源极性,保证足够的稳定性和尽量低的纹波。



图5 PMT的高压电源要求

关于后续电路和附件,滨松的工程师们也经常收到用户这方面的咨询,以下为一些常见问题的解答:


1)工作电压要低于规定的工作电压,并选择合理的工作电压区间


如果电压过高超出规定范围,会造成放电等现象,造成信噪比的下降,这一点很好了解也很避免,而容易搞不定的,是怎么在规定范围内,去找到最佳的工作电压。首先请见图6:



图6


图6中可以看到一个等效的阳极暗电流输出的光强功率曲线,有一段是比较平坦的,使用这一段区域中的电压,PMT会具有比较好的信噪比。一般工程师也会向用户推荐这样的一个电压范围,基本在高于500 V,低于最高电压的90%以下。在这个区间用户可以再通过实验,去找到一个最为合适自己系统的工作电压值。


再来看看图7:


图7


图7可以看到,暗电流、阳极输出都与工作电压相关,a段是噪声大于输出电流的,在c段噪声的变化要大于输出信号的变化。所以,一般滨松工程师会推荐b段的电压,去获得较高的信噪比,对应的也是正是上一幅中比较平坦的区域。


我们并不建议用户使用很低的电压或者过高的电压,除了刚刚提到的影响信噪比以外,还会影响寿命。


随着PMT的工作,其增益会慢慢下降,称之为增益的劣化。这里所说的PMT寿命,是指阳极输出比初期输出相比降到50% 的时间。寿命只是和总输出电荷相关,所以在使用时,能让输出电荷更小,是可以有效提升寿命的。



图8


但实际上,也不用太多担心寿命这个问题。滨松H10682是应用于化学发光免疫分析仪的一款光子计数探头,在平均的光强之下,其可连续工作几十万小时,这是远高于设备和器件寿命的。


2)阴极电流、阳极电流不可超过产品样本所给的最大值。否则,会影响PMT输出线性特性和寿命。


3)分压器电流应足够大。这样,才能保证输出电流的线性。一般的要求,是分压器电流为阳极平均电流的50~100倍;


4)在高的阳极电压下,必须考虑分压电阻的功耗以及发热的现象:


最典型的,就是PMT在石油测井的应用中,我们可以用到1800V的高压。井下的设备,其实对于供电、功耗要求是非常高的,这时候我们选择的分压器其整个电阻都非常大,一般采用的是每个2兆,整个可达20兆或30兆的分压器电阻链。



安全预防措施


光电倍增管在工作时需要施加高压。请采取足够的安全措施,防止操作人员或维修人员遭受电击和设备损坏。


讲座视频:光电倍增管原理及应用


原视频(有可拖拽进度条),可点击此处跳转观看


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