一種門控光電倍增管的控制電路的製作方法

2023-10-09 00:05:24

本實用新型涉及光電探測、應用光譜技術、光譜分析、檢測與計量等技術領域，具體涉及一種門控光電倍增管的控制電路。

背景技術：

光電倍增管是具有很高靈敏度和較寬線性動態測量範圍的光脈衝探測器。採用特定的分壓器結構,可以使其工作在某一線性範圍內,滿足常規測量的要求。但是在一些輻射脈衝的探測場合中，往往需要探測脈衝後沿。比如在雷射誘導形成的等離子輻射探測中，雷射誘導等離子體會發出很強的電子韌致輻射，這種強的白光背景信號會使得PMT處於非線性狀態，即使電子軔致輻射消失後，由於分壓器效應的存在，光電倍增管的線性也難以迅速恢復。此時，將無法捕捉到需要的原子輻射信號。目前，解決這一問題的主要方法有採用光開關或採用帶門控功能的光電倍增管組件，但這類系統價格都較為昂貴。

技術實現要素：

本實用新型的目的是為了解決現有技術中的上述缺陷，提供一種門控光電倍增管的控制電路，使得光電倍增管實現門操作，通過光電倍增管的門電路控制使得光電倍增管免受探測樣本強光的影響，避免光電倍增管發生飽和，有助於微弱光信號的探測。

本實用新型的目的可以通過採取如下技術方案達到：

一種門控光電倍增管的控制電路，所述控制電路包括：光電倍增管、門控電路、分壓電路以及脈衝延時控制器，其中，所述光電倍增管包括光陰極K、陽極P和倍增極Dy1、Dy2、Dy3、Dy4、……、Dyn，n為大於5的正整數，

所述門控電路分別與所述光陰極K、所述倍增極Dy1、Dy2、Dy3相連，所述門控電路由所述脈衝延時控制器的輸出控制其打開和關斷，當所述門控電路處於關閉狀態時，待測信號在所述光陰極K上打出的光電子數目無法被所述倍增極Dy1、Dy2、Dy3放大，當所述門控電路處於打開狀態時，待測信號在所述光陰極K上打出的光電子在所述倍增極Dy1、Dy2、Dy3依次倍增；

所述分壓電路分別與所述陽極P、所述倍增極Dy4、……、Dyn相連，用於保證所述陽極P、所述倍增極Dy4、……、Dyn處於穩定工作狀態。

進一步地，所述光電倍增管為端窗型或側窗型光電倍增管。

進一步地，所述門控電路包括場效應管FETs，所述場效應管FETs具有源極s端、漏極d端和柵極g端，所述場效應管的源極s端和漏極d端分別連接所述光陰極K和所述倍增極Dy3，所述場效應管的柵極g端與所述脈衝延時控制器的輸出端相連接；

所述光陰極K、所述倍增極Dy1、所述倍增極Dy2和所述倍增極Dy3之間各自通過一個電阻R1相連，所述倍增極Dy3再通過一個電阻R1與第一穩壓電源相連。

進一步地，所述第一穩壓電源提供240V正電壓輸入到所述倍增極Dy3。

進一步地，所述分壓電路包括若干電阻R、若干電容C和電阻R0，所述電阻R0阻值是所述電阻R阻值的四倍，所述倍增極Dy4、……、Dyn-1、Dyn之間各自通過一個電阻R相連，所述倍增極Dy4還通過電阻R0接地，所述倍增極Dyn、Dyn-1、Dyn-2之間各自再連接一個電容C，所述倍增極Dyn通過並聯的電阻R和電容C與第二穩壓電源相連，所述陽極P通過電阻R與第二穩壓電源相連，所述倍增極Dyn與所述陽極P之間通過兩個串聯的電阻R相連。

進一步地，所述第二穩壓電源提供1100V正電壓輸入到所述倍增極Dyn與所述陽極P。

進一步地，所述控制電路通過所述陽極P連接電容Cc後進行電流輸出。

進一步地，所述場效應管FETs的柵極g端的電壓由所述脈衝延時控制器提供，此電壓稱為觸發脈衝電壓，當所述場效應管FETs的柵極g端電壓為0V，即無觸發脈衝時，所述場效應管FETs導通，光陰極K與倍增級Dy1、Dy2、Dy3同電位，待測信號在光陰極K上打出的光電子數目無法被倍增級Dy1、Dy2、Dy3放大，所述門控電路處於關閉狀態；當所述場效應管FETs的柵極g端電壓降為-5V，即有觸發脈衝時，所述場效應管FETs處於斷開狀態，此時倍增級Dy1、Dy2、Dy3上的電壓迅速上升至+60V、+120V和+180V，待測信號在光陰極K上打出的光電子在倍增級Dy1、Dy2、Dy3依次倍增，所述門控電路處於打開狀態。

進一步地，所述場效應管的柵極g端的觸發脈衝的寬度以及其相對探測脈衝信號的延時均由所述脈衝延時控制器來進行調節。

本實用新型相對於現有技術具有如下的優點及效果：

1、本實用新型中光電倍增管採用了正高壓的接線方式，門控電路不需要採用光隔離器，設計更為簡單。

2、本實用新型通過門控電路可以有選擇性的探測輻射脈衝信號，提高探測的靈敏度。

3、本實用新型公開的門控光電倍增管的控制電路成本低廉，易於實現。

附圖說明

圖1是本實用新型公開的門控光電倍增管的控制電路原理圖；

圖2是基於門控光電倍增的雷射誘導擊穿光譜系統示意圖；

圖3是典型的實驗結果圖；

其中，1---脈衝雷射器，2---聚焦透鏡，3---樣品及移動平臺，4---光二極體，5---脈衝延時控制器，6---光輻射的光學收集系統，7---單色儀或者光譜儀，8---門控光電倍增管，9---數據採集單元，10---電子計算機。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

實施例

如圖1所示，圖1是本實用新型公開的門控光電倍增管的控制電路原理圖，從附圖中可知，本實施公開的一種新型門控光電倍增管的控制電路，在此實施例中，選擇前三級倍增級進行門控，所述控制電路包括：脈衝延時控制器、門控電路、分壓電路，由脈衝延時控制器的輸出控制門控電路的打開和關斷，分壓電路一直處於穩定工作狀態。

所述門控電路由光電倍增管的光陰極K和倍增極Dy1至Dy3、4個電阻R1和場效應管FETs組成。光陰極K與Dy1、Dy1與Dy2、Dy2與Dy3之間各自通過一個電阻R1連接，K極接地，Dy3通過一個電阻R1接入240V正電壓，此電壓可由穩壓電源提供；再把場效應管的源極s端和漏極d端分別接K和Dy3，場效應管的柵極g端與脈衝延時控制器的輸出端相連接。

場效應管的柵極g端的電壓由脈衝延時控制器提供，此電壓稱為觸發脈衝電壓，當場效應管柵極g端電壓為0V，即無觸發脈衝時，場效應管導通，光陰極K與Dy1、Dy2、Dy3同電位，待測信號在光陰極K上打出的光電子數目無法被第一至第三倍增極放大，門控電路處於關閉狀態；當場效應管柵極電壓降為-5V，即有觸發脈衝時，場效應管處於斷開狀態，此時Dy1、Dy2和Dy3上的電壓迅速上升至+60V、+120V和+180V，待測信號在光陰極K上打出的光電子在各個倍增極依次倍增，門控電路處於打開狀態。

上述分壓電路即為Dy4至陽極P的電路，包括光電倍增管的陽極P和倍增極Dy4、……、Dyn-1、Dyn、240K的電阻R以及0.1μF的電容C，此分壓電路與光電倍增管的常用正高壓供電工作電路相同，倍增極Dy4通過電阻R0接地。

在整個控制過程中，上述分壓電路可保證光電倍增管的Dy4至陽極P一直處於穩定狀態，光電倍增管始終保持在良好的待機狀態。

場效應管柵極(g端)觸發脈衝的寬度以及其相對探測脈衝信號的延時均可由脈衝延時控制器來進行調節。當無觸發脈衝，門控電路處於關閉狀態時，光電倍增管處於低增益的狀態，陽極P上無電流輸出；當有觸發脈衝，門控電路處於打開狀態時，光電倍增管處於高增益的狀態，在陽極P上形成電流輸出。

通過調節合適的延時，可以有效的截斷探測樣本時強光信號的輸出，只輸出我們需要的微弱光信號。

下面，以採用門控光電倍增管技術進行單脈衝雷射誘導等離子體(LIBS，Laser-induced Breakdown Spectroscopy)探測為例，詳細分析門控光電倍增管在探測中的性能。

在利用LIBS進行原子信號輻射探測時，雷射誘導等離子體形成的初期存在著很強的連續背景輻射(主要是電子的軔致輻射)，這種強白光的背景信號很容易造成光電倍增管的飽和。而所需要的原子輻射信號相較背景輻射信號壽命更長，如果對光電倍增管的增益進行門控，使得在有強的韌致電子輻射的時候，光電倍增管處於低增益狀態，而在韌致電子輻射完全消失，在原子輻射的弛豫時間範圍內，光電倍增管處於高增益狀態，通過選取適當的門控觸發信號即可有效降低韌致電子輻射對原子輻射信號檢測造成的影響，改善信號與背景之比。具體探測原理如圖2。

第一步:脈衝雷射器1發出高功率短脈衝雷射並經過聚焦透鏡2聚焦在待測樣品3上產生出等離子體火花。樣品3不停地移動保證雷射脈衝不會重複打在樣品某一固定位置上；

第二步:光二極體4接收到雷射脈衝後產生一個脈衝信號去同時觸發脈衝延時控制器5和數據採集單元9；

第三步:脈衝延時控制器5被觸發後輸出一個延時和脈寬均可調的觸發脈衝，加在門控光電倍增管8上的場效應管柵極，控制光電倍增管的「開與關」；

第四步:光輻射的光學收集系統6將產生的雷射等離子體發光信號收集到單色儀或者光譜儀7的入射狹縫處；

第五步:門控光電倍增管8將光信號轉換為電信號；

第六步:數據採集單元9把門控光電倍增管8的電信號採集後傳送給電子計算機10作數據分析。電子計算機10同時控制單色儀或者光譜儀7的輸出波長或者波長範圍；

第七步:電子計算機10選取合適的時間範圍(採樣門)內的積分信號作為信號的相對值，該值與樣品中元素的濃度相對應；

第八步:通過對比待測樣品和元素濃度已知的樣品的信號強度,分析得出待測樣品中的元素濃度值。

如圖3所示，記錄了雷射誘導擊穿光譜系統探測的鋁合金樣品中鋁原子輻射信號，檢測波長為394.4納米(鋁原子的分析線波長)。其中1為採用普通光電倍增管探測的鋁原子輻射信號時域圖，光電倍增管分壓電路上所加電壓為650V；2為採用門控光電倍增管探測的鋁原子輻射信號時域圖，光電倍增管分壓電路上所加電壓為1100V。這裡觸發脈衝相對雷射脈衝的延時為2.5μs，此時白光背景信號已基本衰減為零，觸發脈衝的脈寬設定為20μs。在0-2.5μs的時間範圍內，門控光電倍增管由於處於低增益狀態，光電倍增管輸出的信號明顯減弱，從而避免了光電倍增管由於強白光信號而處於飽和狀態，引起非線性輸出，大大降低背景信號的強度，同時光電倍增管分壓電路上所加電壓可以增大至1100V，進行歸一化處理後，相較於未使用門控技術，白光信號抑制比可達到60:1。在2.5-22.5μs範圍內，光電倍增管處於高增益狀態，鋁原子輻射的光信號被正常放大。因此門控的技術有助於提高各倍增極上的電壓，實現對微弱光信號的放大。

綜上所述，本實用新型採用的光電倍增管門控技術，利用數字延時控制器產生門控信號觸發門控電路，僅僅控制光電倍增管的光陰極和前三級倍增級之間的電壓，而後面的若干倍增極及陽極的電位與不採用門控技術時相同，通過調節第一至第三倍增極的增益來控制整個光電倍增管的增益。門控電路的性能將直接決定光電倍增管的工作性能，門控電路將光電倍增管探測器的某一倍增級切斷，被控制的倍增級不能加上電壓，光電倍增管不工作；導通時，被控制的倍增級加上正常電壓，光電倍增管正常工作。由於控制脈衝電壓的電位值不高，保證了時間響應以及降低了開關過程中所形成的衝擊。通過調整門控電路的開關和持續時間，可以使光電倍增管避開輻射探測中先達到的強幹擾脈衝或白光背景信號，從而實現微弱待測信號的有效探測。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護範圍之內。