光電倍增管模塊(PMT module)的選型與使用

發布日期:2023-05-31 17:16:03   瀏覽量 :617
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一、PMT模塊的選型

PMT模塊中不僅集成了PMT裸管、分壓電路和高壓電源,還根據信號輸出的不同需求集成了其他的功能組件。按照PMT模塊的信號輸出類型,濱松的PMT模塊產品可以分為電流輸出模塊、電壓輸出模塊光子計數探測器。他們的區別是這樣的:

目前濱松有40多個系列,下面一張系列型號及基礎參數參考表,在選型時可以有所幫助:

在同一系列的濱松PMT模塊中,會以后綴來區分不同的產品型號。這些后綴往往代表著不同的含義,了解它們,也可以有助于我們的產品選型。這里,我們選出了用途最為廣泛的φ8端窗PMT模塊,針對其中關鍵的名詞項,來深入一一解讀。

濱松φ8 PMT模塊命名規則

Settling time是什么?

在PMT模塊中,加在PMT上的高壓會隨著控制電壓(一般在0.5-1.1V)的變化而變化;但這個過程是有一定延遲的,且根據PMT模塊中分壓電路的設計有長有短。

從調節完控制電壓,到施加在PMT的高壓到達設定電壓——其時間間隔稱之為Settling time,也就是穩定時間,簡而言之,就是PMT調完控制電壓后等多久能用。

在濱松PMT模塊的彩頁中,標注的Settling time數值一般是控制電壓從+1.0V到+0.5V所對應的Settlingtime。如果控制電壓的變化幅度較小,響應的Settling time也會相應變小。

紋波噪聲是什么?

PMT模塊中,除了PMT裸管之外,還至少會集成高壓電源和分壓電路。其中高壓電源中使用的振蕩電路(oscillation circuit)會帶來額外微小的電壓抖動,繼而使得加在PMT上的高壓、PMT的增益以及最終輸出的信號上都會出現相應的抖動,即紋波(ripple,見圖)。

紋波現象所帶來的紋波噪聲在濱松PMT模塊的彩頁中一般被標注為“Ripple noise(peak to peak)”,是在特定控制電壓下,采用特定的讀出參數所測得的電壓曲線中波峰和波谷的差值。 

紋波噪聲示意

為高壓電源選擇合適的電路設計可以大幅減小紋波噪聲。雖然紋波噪聲不可能完全消除,但在當前已經商業化的PMT模塊中,紋波噪聲已經小到基本可以不予考慮。如果特定情況下確實需要降低紋波噪聲,可以考慮以下兩種方法: 

(1)在模塊信號輸出之后加入低通濾波器,過濾掉一部分;

(2)提高控制電壓——此時光電倍增管的增益與紋波的絕對值都會增加,但是增益的增長要更快,所以能夠實際上降低紋波的影響。

PMT模塊的電流輸出與電壓輸出的區別?電壓輸出的PMT模塊的Conversion factor是什么?

 PMT最原始的輸出信號為電流。相對于電流輸出模塊,電壓輸出的PMT模塊中多了一個跨阻放大器(Current-Voltage ConversionAmp)將電流已經轉換成了電壓(可以翻到上文看看圖)。對應的轉換系數就是conversion factor(或者稱作Current-to-voltage conversion factor)。

 此外,由于跨阻放大器本身是有帶寬的,如H10722和H10723采用了不同的跨阻放大器,所以其輸出信號的帶寬也就不一樣。

 總的說來,電壓輸出模塊和電流輸出模塊在使用中的優劣如下:

4 插針式與導線式有什么區別?

 插針式(下圖左,如H10720,H11900)與導線式(下圖右,如H10721,H11901)的兩種光電倍增管模塊沒有本質區別。前者可以直接插在電路板上;后者在安裝上則更加靈活??梢愿鶕嶋H使用環境和條件選擇。

H10720和H10721外觀

 5 光譜響應參數的解析

PMT模塊的光譜響應范圍主要由光陰極面的材料和窗材決定。

 光陰極面的材料決定了PMT光譜響應的波長上限,更長波長的光子由于能量不足就較難轉化成光電子從而被探測了。

 管壁材料(窗材)決定了PMT光譜響應的波長下限。對于波長更短的光子,理論上只要能夠轟擊到光陰極面都能夠產生光電子。但PMT是一個真空管結構,光子到達光陰極面之前需要先通過管壁。過短波長的光子會被管壁所阻礙,所以管壁材料(窗材)一般決定了PMT光譜響應的波長下限。

光電倍增管工作示意圖

在濱松樣本資料中,一般會給出波長范圍(如H10720-110的230-700nm)。其下限代表的是管壁透光率曲線的拐點;其上限,對于多堿材料是靈敏度峰值的0.1%,對于雙堿材料是靈敏度峰值的1%。

6 關于功耗更多的解析

H1072X系列最吸引人的是其低功耗;H10720/H10721系列所要求的電壓(input voltage)甚至只有2.8-5.5V,電流也只是mA級別。這意味著,3節普通的5號電池就足以作為PMT模塊的電源。加上H10720/H10721本身的小體積,使得其非常適合用于手持式設備。

 H10720/H10721,H11900/H11901系列與功耗相關的參數

 二、PMT模塊的使用

根據實際應用中數據測量的需求,PMT模塊的使用可以分為如下3類。

 1. 在示波器上讀出PMT模塊輸出的模擬信號

2. 在電腦上讀出PMT模塊輸出的模擬信號

3. 在電腦上讀出光子計數結果

模塊
PMT
光電倍增管
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