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4.4 光电倍增管的供电电路. 光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点，使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为首选的光电探测器。. 4.4.1 电阻链分压型供电电路. 光电倍增管的供电电路种类很多，可以根据应用的情况设计出各具特色的供电电路。本节介绍最常用的电阻分压式供电电路。. 如图 4-8 所示为典型光电倍增管的电阻分压式供电电路。电路由 11 个电阻构成电阻链分压器，分别向 10 级倍增极提供电压 U DD 。. 1 、电阻链的设计.
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4.4 光电倍增管的供电电路 光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点，使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为首选的光电探测器。 • 4.4.1 电阻链分压型供电电路 光电倍增管的供电电路种类很多，可以根据应用的情况设计出各具特色的供电电路。本节介绍最常用的电阻分压式供电电路。
如图4-8所示为典型光电倍增管的电阻分压式供电电路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向10级倍增极提供电压UDD。 1、电阻链的设计
考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级的电子流按放大倍率分布，其中，阳极电流Ia最大。因此，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但是，当流过分压电阻的电流IR远远大于Ia时，即 IR ＞＞Ia时，流过各分压电阻Ri的电流近似相等。工程上常设计IR大于等于10倍的Ia电流。 IR≥10Ia（4-25） 选择的太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度升高导致性能的降低，以至于温升太高而无法工作。 选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值R
R=Ubb/IR （4-26） 各分压电阻Ri为 (4-28) 而R1应为 R1=1.5 Ri 2、电源电压 极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数δ，或管子的增益G。因此，根据增益G的要求可以设计出极间供电电压UDD与电源电压Ubb。 由 可以计算出UDD与Ubb。
当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。 • 3. 末极的并联电容 电容C1、C2与C3的计算公式为 式中N为倍增极数，Iam为阳极峰值电流，τ为脉冲的持续时间，UDD为极间电压，L为增益稳定度的百分数。
对式（4-8）与式（4-9）进行微分，并用增量形式表示，可得到光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度的关系对式（4-8）与式（4-9）进行微分，并用增量形式表示，可得到光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度的关系 对锑化铯倍增极 • 4.4.3 电源电压的稳定度 对银镁合金倍增极 由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkφvRL，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关
在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电压稳定度为1%时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%。 例4-1 设入射到PMT上的最大光通量为φv=12×10-6lm左右，当采用GDB-235型倍增管为光电探测器，已知它的倍增级数为8级，阴极为SbCs材料，倍增极也为SbCs材料，SK=40μA/lm，若要求入射光通量在6×10-6lm时的输出电压幅度不低于0.2V，试设计该PMT的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？ 解(1) 首先计算供电电源的电压 根据题目对输出电压幅度的要求和PMT的噪声特性，可以选择阳极电阻Ra=82kΩ，阳极电流应不小于Iamin，因此
Iamin=UO/Ra=0.2V /82 kΩ=2.439μA 入射光通量为0.6×10-6lm时的阴极电流为 IK= SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA 此时，PMT的增益G应为 由于G=，N=8，因此，每一级的增益δ=4.227，另外，SbCs倍增极材料的增益δ与极间电压UDD有， ，可以计算出δ=4.227时的极间电压UDD 总电源电压Ubb为 Ubb=（N+1.5）UDD=741V
(2) 计算偏置电路电阻链的阻值 偏置电路采用如图4-8所示的供电电路，设流过电阻链的电流为IRi，流过阳极电阻Ra的最大电流为 Iam=GSKφvm=1.02×105×40×10-6×12×10-6=48.96μA 取IRi≥10 Iam，则 IRi=500μA 因此，电阻链的阻值Ri= UDD/ IRi=156kΩ 取Ri=120 kΩ，R1=1.5Ri=180 kΩ。 (3) 计算偏置根据式（4-35）输出信号电压的稳定度最高为
例4-2 如果GDB-235的阳极最大输出电流为2mA，试问阴极面上的入射光通量不能超过多少lm？ 解 由于Iam=G SKφVm 故阴极面上的入射光通量不能超过
4.5光电倍增管的典型应用 光电倍增管不但具有极高的光电灵敏度、极快的响应速度、极低的暗电流低和噪声，还能够在很大范围内调整内增益。因此，它在微光探测、快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用。 4.5.1 光谱探测领域的应用 1、发射光谱 发射光谱分析仪的基本原理如图4-10所示
吸收光谱仪是光谱分析中的另一种重要的仪器。吸收光谱仪的原理图如图4-11所示，它与发射光谱仪的主要差别是光源。 • 2．吸收光谱 发射光谱仪的光源为被测光源，而吸收光谱仪的光源为已知光谱分布的光源。吸收光谱仪与发射光谱仪相比，它比发射光谱仪多一个承载被测物的样品池。
1983年，由Pettersson 和Eskola等提出了用时间分辨荧光免疫分析（time-resolved fluoroimmunoassay，TRFIA）法测定人绒毛膜促性腺激素和胰磷脂酶在临床医学研究中的应用，在10多年中，获得迅速发展。成为最有发展前途的一种全新的非同位素免疫分析技术。 • 4.5.2 时间分辨荧光免疫分析中的应用 1. 时间分辨荧光免疫分析法TRFIA的原理 时间分辨荧光免疫分析法是用镧系元素为标记物，标记抗原或抗体，用时间分辨技术测量荧光，同时利用波长和时间两种分辨，极其有效地排除了非特异荧光的干扰，大大地提高了分析灵敏度。
图4-12所示为镧系元素螯合物与典型配位体β-NTA的吸收光谱与发光光谱图。图中曲线1为镧系元素螯合物与配位体β-NTA的吸收光谱。由曲线1可以看出螯合物与配位体β-NTA对320~360 nm的紫外光具有很高的吸收，因此，常用含有320~360 nm光的脉冲氙灯或氮激光器为激发光源使装载配位体的螯合物激发荧光。 Eu3+β-NTA螯合物在激发光源的作用下将发出如图中曲线2与3所示的荧光光谱。曲线3光谱载荷着配位体β-NTA的信息。 图4-12为双坐标曲线图，其中re,r为螯合物的相对吸收系数，Iv为螯合物激发出的荧光光强。
图4-13所示为载荷配位体β-NTA的螯合物荧光时间特性。图中，激发光刚刚结束的时刻为初始时刻t=0，在最初的很短时间内，短寿命荧光很快结束，长寿命荧光在400ns时间内也会消失或降低到很低的程度，而有用的荧光出现在400ns~800ns时间段内（图中斜线所标注的时间段）。图4-13所示为载荷配位体β-NTA的螯合物荧光时间特性。图中，激发光刚刚结束的时刻为初始时刻t=0，在最初的很短时间内，短寿命荧光很快结束，长寿命荧光在400ns时间内也会消失或降低到很低的程度，而有用的荧光出现在400ns~800ns时间段内（图中斜线所标注的时间段）。 在800ns~1000ns时间内有用的荧光将衰减到零。1000ns后开始新的循环。
4.14 光电倍增管GDB44F的阴极光照灵敏度为0.5μA/lm，阳极光照灵敏度为50A/lm，长期使用时阳极允许电流应限制在2μA以内。 问: 1）、阴极面上最大允许的光通量为多少lm？ 2）、当阳极电阻为75KΩ时，问其最大的输出电压为多少？ 3）、若已知该光电倍增管为12级的Cs3Sb倍增极，其倍增系数为 δ=0.2(UDD) 0.7，试计算它的供电电压值？ 4）、当要求输出信号的稳定度为1%时，求高压电源电压的稳定度应为多少？ • 思考题与习题4
4.15 试用表4-4所示的光电倍增管GDB-151设计探测光谱强度为2×10-9lm的光谱时，若要求输出信号电压不小于0.3mV，稳定度要求高于0.1%，试设计该光电倍增管的供电电路。 4.16 设入射到PMT光敏面上的最大光通量为φv=8×10-6lm左右，当采用GDB-239型倍增管为光电探测器探测入射，已知GDB-239为11级的光电倍增管，阴极为AgOCs阴极，倍增极也为AgMg合金材料，阴极灵敏度为10μA/lm，若要求入射在8×10-6lm时的输出电压幅度不低于0.15V，试设计该PMT的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？
