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关于光电倍增管(PMT)模块的选型与使用

2019-12-27 15:52
滨松
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关于光电倍增管(PMT)模块的选型与使用

关于光电倍增管(PMT)模块的选型与使用

关于光电倍增管(PMT)模块的选型与使用

关于光电倍增管(PMT)模块的选型与使用

PMT模块的选型

PMT模块中不仅都集成了PMT裸管、分压电路和高压电源,还根据信号输出的不同需求集成了其他的功能组件。按照PMT模块的信号输出类型,滨松的PMT模块产品可以分为电流输出模块、电压输出模块和光子计数探测器。他们的区别是这样的:

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PS.图中灰色方框内的各种产品/附件滨松也有提供~可以移步至滨松中国官网了解

目前滨松有40多个系列,工程师梳理了一张系列型号及基础参数参考表,在选型时可以有所帮助:

关于光电倍增管(PMT)模块的选型与使用

在同一系列的滨松PMT模块中,会以后缀来区分不同的产品型号。这些后缀往往代表着不同的含义,了解它们,也可以有助于我们的产品选型。这里,我们选出了用途最为广泛的φ8端窗PMT模块,针对其中关键的名词项,来深入一一解读。

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滨松φ8 PMT模块命名规则

Settling time是什么?

在PMT模块中,加在PMT上的高压会随着控制电压(一般在0.5-1.1V)的变化而变化;但这个过程是有一定延迟的,且根据PMT模块中分压电路的设计有长有短。

从调节完控制电压,到施加在PMT的高压到达设定电压——其时间间隔称之为Settling time,也就是稳定时间,简而言之,就是PMT调完控制电压后等多久能用。

在滨松PMT模块的彩页中,标注的Settling time数值一般是控制电压从+1.0V到+0.5V所对应的Settlingtime。如果控制电压的变化幅度较小,响应的Settling time也会相应变小。

纹波噪声是什么?

PMT模块中,除了PMT裸管之外,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(ripple,见图)。

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“Ripple noise(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。

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纹波噪声示意

为高压电源选择合适的电路设计可以大幅减小纹波噪声。虽然纹波噪声不可能完全消除,但在当前已经商业化的PMT模块中,纹波噪声已经小到基本可以不予考虑。如果特定情况下确实需要降低纹波噪声,可以考虑以下两种方法:

(1)在模块信号输出之后加入低通滤波器,过滤掉一部分;

(2)提高控制电压——此时光电倍增管的增益与纹波的绝对值都会增加,但是增益的增长要更快,所以能够实际上降低纹波的影响。

PMT模块的电流输出与电压输出的区别?电压输出的PMT模块的Conversion factor是什么?

PMT最原始的输出信号为电流。相对于电流输出模块,电压输出的PMT模块中多了一个跨阻放大器(Current-Voltage Conversion Amp)将电流已经转换成了电压(可以翻到上文看看图)。对应的转换系数就是conversion factor(或者称作Current-to-voltage conversion factor)。

此外,由于跨阻放大器本身是有带宽的,如H10722和H10723采用了不同的跨阻放大器,所以其输出信号的带宽也就不一样。

总的说来,电压输出模块和电流输出模块在使用中的优劣如下:

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插针式与导线式有什么区别?

插针式(下图左,如H10720,H11900)与导线式(下图右,如H10721,H11901)的两种光电倍增管模块没有本质区别。前者可以直接插在电路板上;后者在安装上则更加灵活。可以根据实际使用环境和条件选择。

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H10720和H10721外观

光谱响应参数的解析

PMT模块的光谱响应范围主要由光阴极面的材料和窗材决定。

光阴极面的材料决定了PMT光谱响应的波长上限,更长波长的光子由于能量不足就较难转化成光电子从而被探测了。

管壁材料(窗材)决定了PMT光谱响应的波长下限。对于波长更短的光子,理论上只要能够轰击到光阴极面都能够产生光电子。但PMT是一个真空管结构,光子到达光阴极面之前需要先通过管壁。过短波长的光子会被管壁所阻碍,所以管壁材料(窗材)一般决定了PMT光谱响应的波长下限。

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光电倍增管工作示意图

在滨松样本资料中,一般会给出波长范围(如H10720-110的230-700nm)。其下限代表的是管壁透光率曲线的拐点;其上限,对于多碱材料是灵敏度峰值的0.1%,对于双碱材料是灵敏度峰值的1%。

关于功耗更多的解析

H1072X系列最吸引人的是其低功耗;H10720/H10721系列所要求的电压(input voltage)甚至只有2.8-5.5V,电流也只是mA级别。这意味着,3节普通的5号电池就足以作为PMT模块的电源。加上H10720/H10721本身的小体积,使得其非常适合用于手持式设备。

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H10720/H10721,H11900/H11901系列与功耗相关的参数

PMT模块的使用

根据实际应用中数据测量的需求,PMT模块的使用可以分为如下3类。

1. 在示波器上读出PMT模块输出的模拟信号

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2. 在电脑上读出PMT模块输出的模拟信号

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3. 在电脑上读出光子计数结果

 

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