光电探测器装置及用于偏压光电倍增管的方法与流程

本发明涉及一种构建有光电倍增管及偏压电路的光电探测器装置。

背景技术：
光电倍增管用于探测光电子并且表现出很高的增益系数。通常光电倍增管的增益系数可大于1,000,000。光电倍增管包含光电阴极，所述光电阴极接收光电子并作为回应而发射电子；多个倍增电极，每个倍增电极设置为从先前倍增电极接收电子并发射比所接收的电子更多的电子；及阳极，所述阳极设置为接收由最后倍增电极发射的电子并输出电探测信号。通常，构建有光电倍增管的光电探测器装置具有偏压电路，所述偏压电路通过一系列串联的电阻器而提供偏压至光电阴极、阳极及倍增电极。电容器可并联连接至所述电阻器，以改善在短光脉冲时的输出线性。当在高增益下工作时，每个倍增电极所消耗的电流(与一倍增电极接收到的电子和所述倍增电极发射的电子之间的差异等效)在各倍增电极之间变化较大。因此，“弱电流”倍增电极(即光电阴极之后的倍增电极)消耗的电流比“强电流”倍增电极(即阳极之前的倍增电极)小(小几个数量级)。Mitchell提交的标题名称为“Lowpowerstabilizedvoltagedividernetwork(低功率稳定分压器网络)”的美国专利第7005625号明确地区分了(a)光电阴极及所述光电阴极之后的“弱电流”倍增电极与(b)阳极及在所述阳极之前的“强电流”倍增电极之间的区别。前者通过电阻器偏压，而后者通过晶体管偏压。因此越来越需要提供一有效的光电探测器，所述光电探测器构建有光电倍增管且因而将能够在宽增益范围及宽入射光强度范围下操作。

技术实现要素：
根据本发明的一实施例，提供了一种光电探测器装置，所述光电探测器装置包含：光电倍增管，所述光电倍增管包含多个电极，所述多个电极包含光电阴极、阳极、第一倍增电极、多个中间倍增电极以及最后倍增电极；以及偏压电路，所述偏压电路包含一序列的电压跟随器元件、分压器以及电流源；其中所述分压器是跨高压电源而耦合；其中不同的倍增电极耦合至所述一序列的电压跟随器元件中的不同的电压跟随器元件；其中不同电压跟随器元件的各控制输入耦合至所述分压器的不同接合处；其中所述电流源耦合至所述分压器、所述序列的电压跟随器元件、所述阴极以及所述高压电源的阴极；以及其中所述阳极耦合至负载元件，所述负载元件耦合至所述高压电源的正极，并且设置为接收所述阳极的输出信号并将所述输出信号转换为所述光电探测器装置的输出信号。根据本发明的一个实施例，所述电流源耦合在第一倍增电极与阴极之间。根据本发明的另一实施例，所述一序列的电压跟随器元件中的一电压跟随器元件耦合在所述阴极与所述第一倍增电极之间，且所述电流源耦合在高压电源的负极与所述阴极之间。根据本发明的各实施例，所述电压跟随器元件包含晶体管，或者包含晶体管与齐纳二极管(Zenerdiode)。根据本发明的实施例，所述偏压电路还包含第一序列的电容器，所述电容器各自并联耦接至所述分压器的一序列的电阻器中的一电阻器。根据本发明的另一实施例，所述偏压电路还包含第一电容器，所述第一电容器并联耦合至所述分压器。根据本发明的另一实施例，所述光电探测器装置还包含第二序列的电容器，其中所述第二序列的电容器中的每一电容器耦合在一对倍增电极之间。根据本发明的一实施例，所述电流源设置为供应恒定电流至所述分压器，并且其中无论所述倍增电极消耗的电流如何变化，所述电压跟随器元件均设置为输出基本上恒定的电压。根据本发明的一实施例，所述光电探测器装置设置为在一增益下操作，所述增益不超过10,000。根据本发明的另一实施例，所述光电探测器装置设置为在一增益下操作，所述增益超过1,000,000。根据本发明的一实施例，提供了一种操作光电探测器装置的方法，所述方法包含：将照射在光电探测器装置的光电倍增管的阴极上的光转换为所述光电探测器装置的输出信号；及通过所述光电探测器装置的偏压电路，维持所述光电倍增管的多个倍增电极中每一倍增电极的电压基本上恒定，而不论由所述倍增电极消耗的电流如何变化；其中所述多个倍增电极包括第一倍增电极、多个中间倍增电极及最后倍增电极；其中所述光电倍增管还包含阳极及阴极；其中所述偏压电路包含一序列的电压跟随器元件、分压器及电流源；其中所述分压器跨高压电源而耦合；其中不同的倍增电极耦合至所述序列的电压跟随器元件中的不同电压跟随器元件；其中不同的电压跟随器元件的控制输入耦合至所述分压器的不同接合处；其中所述电流源耦合至所述分压器、所述序列的电压跟随器元件、所述高压电源的负极、以及所述阴极；以及其中所述阳极耦合至负载元件，所述负载元件耦合至所述高压电源的正极，并且设置为接收所述阳极的输出信号并将所述输出信号转换为所述光电探测器装置的输出信号。根据本发明的一实施例，所述用于操作光电探测器装置的方法包含：在一增益下操作所述光电探测器装置，所述增益不超过10,000。附图说明将参考附图，描述本发明的更多细节、方面以及实施例(仅为举例)。在所述附图中，相同的元件符号用于代表相同或功能相似的元件。为简便和清晰起见，各附图中图示的元件并不一定按比例绘制。图1图示根据本发明的一实施例的一种光电探测器装置；图2图示根据本发明的一实施例的一种光电探测器装置；图3及图4图示根据本发明的各实施例的光电探测器装置中的各元件；图5图示根据本发明的一实施例的一种光电探测器装置；图6图示根据本发明的一实施例的一种光电探测器装置；以及图7图示根据本发明的一实施例的一种方法。具体实施方式在本说明书的结尾部分中特别地指出并清楚地主张了本发明的主题。然而，在参照附图阅读以下详细描述后，可最佳地理解本发明的结构、操作方法、目标、特征结构及优点。在以下详细描述中，阐述了许多具体的细节，以提供对本发明的透彻理解。然而，本领域熟练技术人员将理解可实践本发明而无需这些细节。在其他实例中，并未详细描述熟知的方法、程序及部件，以免模糊本发明。本文提供了一种偏压电路，所述偏压电路设置为向光电倍增管(PMT)供能，所述光电倍增管用于具有宽输入光强度范围及宽增益范围的精密光电探测器。根据本发明的实施例，所述偏压电路可符合以下设计基本标准中的至少一种标准：●在宽入射光强度范围下，或者相应地在宽PMT电极电流范围下，维持恒定的电极电压；●最小化常见在快速负荷变化时发生于高压(HV)电源的输出端上的电压瞬变，或者相应地最小化高压电源电流变化；●在宽PMT增益范围下维持上述特性；●限制流过PMT的最大电流为最低可能水平，以增加PMT使用寿命；所述PMT电流极限值不应取决于PMT增益，也即不应取决于所应用的高压。●最小化从高压电源得到的电流。根据本发明的各实施例，所述PMT可在低增益下操作——与PMT的通常使用方法相反。当在低增益下操作所述PMT时，需要考虑由所述倍增电极中的每一倍增电极所消耗的电流。相对于流过所述阳极及所述阳极之前的倍增电极的电流，流过所述光电阴极及所述光电阴极之后的倍增电极的电流无法忽略不计。对于低增益应用，使用电阻器以偏压倍增电极中的一些倍增电极，同时使用晶体管以偏压其他倍增电极可导致照射在所述光电阴极上的光电子的数量及/或能量的变化，从而引起由所述PMT的所述电极消耗的电流变化，进而使得所述电极电压变化，最终导致所述增益发生不可接受的变化。通过使用电压跟随器元件偏压所述PMT的所有倍增电极，可避免这些不期望的增益变化，使用的所述电压跟随器元件为有源元件。电压跟随器元件可包含晶体管。使用诸如电压跟随器元件之类的有源元件以偏压所有的倍增电极虽然可能会增加所述偏压电路的成本，并且甚至与仅使用无源元件时所获得的使用寿命相比可能会缩短所述偏压电路的使用寿命，但是使得即使在低增益及强电流模式下操作所述PMT时，仍可维持增益的线性(即无论由倍增电极诱发的电流变化如何，增益均恒定)。检查系统可包含多个光电倍增管，所述多个光电倍增管可在结构上彼此相同，但是在不同的增益模式下操作。使用相同的光电倍增管使得检查工具的维护容易，并且简化了此类检查工具的设计。期望探测明视场(反射)光的光电倍增管可在低增益下操作，而期望探测暗视场或者灰视场(散射而非反射)光的光电倍增管可在高增益下操作。同时应注意所述检查系统可包含在不同增益下操作的光电倍增管(或者具有在不同时间点不同增益下操作的相同光电倍增管)——从而增加动态探测范围。所提出的光电探测器装置提供了线性阳极电流，所述线性阳极电流最高可达由电流源设定的极限值，并且几乎不依赖由高压电源单元供应的高压值。与大部分已知的拓扑结构相比，所述光电探测器装置的功率需要是最小的，从而减少了功率损耗及光电探测器装置的管加热(tubeheating)。所述光电探测器装置提供固有的特征结构，即在光电倍增管过载的情况下限制阳极电流。所述阳极电流受限于所述电流源所供应的电流。所述光电探测器装置提供由所述电流源设定的恒定负载电流给所述高压电源。图1图示根据本发明的一实施例的光电探测器装置10。光电探测器装置10包含光电倍增管200，所述光电倍增管200包含多个电极，诸如光电阴极C201、阳极A203、第一倍增电极Dy1202(1)、中间倍增电极202(2)-202(K-1)，以及最后倍增电极202(K)。光电探测器装置10还包含偏压电路301，所述偏压电路301包含一序列的电压跟随器元件VF1–VFK228；分压器，所述分压器包含电阻器R1–R(K+1)224；以及电流源290。电压跟随器元件228可具有控制输入端、输出端以及另外的输入端。由电压跟随器元件提供的电压遵照被提供给所述电压跟随器元件的控制输入端的电压。电压跟随器元件228是有源元件，并且可包含晶体管或者晶体管与二极管的组合。图3图示根据本发明的一实施例的电压跟随器元件228(1)与228(2)的两个非限定性实例。电压跟随器元件228(1)包含MOSFET晶体管312与齐纳二极管314，所述齐纳二极管314耦合在所述MOSFET晶体管312的栅极与源极之间。所述栅极用作所述电压跟随器元件228(1)的控制输入端。所述源极用作所述电压跟随器228(1)的输出端。电压跟随器元件228(2)包含双极晶体管316与齐纳二极管318，所述齐纳二极管318耦合在所述双极晶体管316的基极与发射极之间。所述基极用作所述电压跟随器元件228(2)的控制输入端，并且所述发射极用作所述电压跟随器元件228(2)的输出端。返回参照图1——所述分压器与高压电源230并联连接。虽然高压电源230在图1中图示为包含在光电探测器装置10中；但是高压电源230可能不属于光电探测器装置10，而仅连接到光电探测器装置10。输出负载270图示为包含在光电探测器装置10中；但是输出负载270可能不属于光电探测器装置10，而仅连接到光电探测器装置10。输出负载270连接到偏压电路301以及所述阳极，并且图示为从偏压电路301接收负载电流272并提供负载电流272给阳极203。负载元件270设置为接收所述阳极的输出信号并将所述输出信号转换为光电探测器装置10的输出信号。中间倍增电极202(2)-202(K-1)中的不同倍增电极以及最后倍增电极202(K)连接到所述一序列的电压跟随器元件中不同的对应电压跟随器元件VF1–VFK。具体来说，第j个电压跟随器元件VFj的输出节点连接到第j个倍增电极202(j)，其中j介于2到K的范围之间。不同电压跟随器元件V1-VFK的控制输入端耦合至所述分压器的不同对应接合处，这些接合处定义于连续的电阻器R(K+1)至R2之间。电流源290的第一端连接到VF1以及第一倍增电极202(1)，且电流源290的第二端连接到阴极201、R1224的第一端，以及高压电源230的负极。高压电源230的正极连接到负载元件270的参考端口(以提供负载电流272)、分压器中的R(K+1)，以及电压跟随器元件VFK。图1将高压电源230的正极图示为接地的，但是高压电源230的正极可设置为提供与接地电平电压不同的电压。高压电源230维持分压器224上的恒定电压，使得恒定电压提供给电压跟随器元件228的控制输入端，所述电压跟随器元件228的所述控制输入端设置为输出恒定电压至多个倍增电极——无论这些倍增电极消耗的电流如何变化——从而维持所述PMT的增益基本不变。在光电探测器装置10中，流经电压跟随器元件的电流可由提供恒定电流的电流源290设定。电流电平可设定为超出最大需要阳极电流10－20％的电平。在全暗情况下，阳极电流与倍增电极电流是可以忽略不计的(暗电流)。在此情况下，由电流源产生的所有电流可经由电压跟随器，从高压电源230的正极流向负极。图2图示根据本发明的一实施例的光电探测器装置20。光电探测器装置20具有偏压电路302。图2的光电探测器装置20与图1的光电探测器装置10的区别在于：(a)具有另外的电压跟随器VFC，所述另外的电压跟随器VFC连接在第一倍增电极202(1)与阴极201之间；(b)具有电流源290，所述电流源290连接在高压电源230的负极与阴极201之间，而不是连接在第一倍增电极与阴极201之间；以及(c)具有另外的电阻器RC224，所述附加电阻器RC224连接在所述电流源与所述分压器的第一电阻器R1224之间。在图2所图示的实施例中，阴极201处的电压也维持恒定，不依赖于阴极电流。此外，阴极电流的瞬变不会施加到高压电源230的输出端。因此高压电源230提供无瞬变的输出电压。因此，基本上避免了PMT增益调制。图4图示根据本发明的各实施例的电流源290(1)–290(3)。这些电流源可替换图1或图2的电流源290，或者被用作图5以及图6中的电流源。电流源290(1)包含耗尽型MOSFET晶体管291以及电阻器R'1292。电阻器R'1292连接在耗尽型MOSFET晶体管291的栅极与源极之间。电流源290(2)包含增强型MOSFET晶体管291、电阻器R'1292与R'2293以及齐纳二极管D'294。电阻器R'1292连接在增强型MOSFET晶体管291的栅极与漏极之间。齐纳二极管294连接在增强型MOSFET晶体管291的栅极与电流源290(2)的输出节点之间。电阻器R'2293连接在增强型MOSFET晶体管291的源极与电流源290(2)的输出节点之间。电流源290(3)包含双极晶体管291、电阻器R'1292与R'2293，以及齐纳二极管D'294。电阻器R'1292连接在双极晶体管291的基极与集电极之间。齐纳二极管294连接在双极晶体管291的基极与电流源290(2)的输出节点之间。电阻器R'2293连接在双极晶体管291的发射极与电流源290(2)的输出节点之间。图5图示根据本发明的一实施例的光电探测器装置50。光电探测器装置50具有偏压电路305。图5的光电探测器装置50与图1的光电探测器装置10的区别在于：a.图1的电压跟随器元件VF1-VFK228(在图5中)图示为包含MOSFET晶体管Q1-QK211与齐纳二极管D1-DK226。图5的每一电压跟随器元件具有图3中电压跟随器元件228(1)的配置。b.图1的电流源290(在图5中)图示为包含耗尽型MOSFET晶体管QCS210与电阻器Res225。电阻器Res225连接在耗尽型MOSFET晶体管QCS210的栅极与源极之间。c.光电探测器装置50包含第一序列的电容器，所述第一序列的电容器包含K+1个电容器，所述K+1个电容器表示为CR1-CR(K+1)。所述第一序列并联耦合至所述分压器，其中第j个(j介于1与K+1的范围之间)电容器CR(j)并联连接至分压器的第j个电阻器R(j)。R(K+1)与CR(K+1)连接在QK的栅极与负载270之间。d.光电探测器装置50包含第二序列的电容器，所述第二序列的电容器包含K个电容器，所述K个电容器表示为Cdy1-CdyK222。CdyK连接在负载与最后倍增电极DyK之间，并且所述第二序列的每一其他电容器耦合在一对连续的倍增电极之间。图6图示根据本发明的一实施例的光电探测器装置60。光电探测器装置60具有偏压电路306。图6的光电探测器装置60与图2的光电探测器装置20的区别在于：a.图2的电压跟随器元件VF1–VFK228与VFC(在图6中)图示为包含MOSFET晶体管Q1-QK与QC211、齐纳二极管D1-DK以及DC226。图6的每一电压跟随器元件具有图3的电压跟随器元件228(1)的配置。b.图2的电流源290(在图6中)图示为包含耗尽型MOSFET晶体管Qcs291与电阻器Rcs292。电阻器Rcs292连接在耗尽型MOSFET晶体管Qcs291的栅极与源极之间。c.光电探测器装置60包含第一序列的电容器，所述第一序列的电容器包含K+1个电容器。所述K+1个电容器表示为CR1–CR(K+1)。所述第一序列并联耦合至所述分压器，其中第j个(j介于1与K+1的范围之间)电容器CR(j)并联连接至所述分压器的第j个电阻器R(j)。R(K+1)与CR(K+1)连接在QK与负载270之间。d.光电探测器装置60包含第二序列的电容器，所述第二序列的电容器包含K个电容器，所述K个电容器表示为Cdy1-CdyK222。CdyK连接在所述负载与最后倍增电极DyK之间，并且所述第二序列的每一其他电容器耦合在一对连续的倍增电极之间。在图5与图6所图示的实施例中，第一序列的电容器223减少了由分压器的电阻器224产生的热噪音。此优点还可以通过跨分压器或者分压器的一部分/多个部分耦合电容器来实现。第二序列的电容器222通过针对电压跟随器(元件226与211)的有限响应时间补偿对应倍增电极中的电流波动，而用于维持倍增电极202上的恒定电压。应注意的是，所述第一序列的电容器与所述第二序列的电容器中的任意一者可从图5与图6的光电探测器装置中省略，并且光电探测器装置10与20中的任意一者可包含第一和第二序列的电容器中的至少一者。在图5与图6所图示的实施例中，第一和第二序列的电容器中的每一者包含多个电容器元件。电容器的数量取决于电压跟随器的数量。本发明并不限于所图示的实施例，并且所述序列的电容器可通过使用更少的电容器来实施。图5与图6所图示的偏压电路并不限于电压跟随器元件的特定实施例228(1)。可以等效地使用在图3中图示的实施例228(2)。此外，可以一起使用不同的电压跟随器实施例，并且所有电压跟随器元件将不必具有共同的结构。图5与图6所图示的偏压电路并不限于电流源的特定实施例290(1)。图4中所图示的其他实施例及可使用另外的、未图示的电流源结构中的任意一者。图7图示根据本发明的一实施例的一种方法900。方法900包含阶段910和920，阶段910和920可以与彼此同时执行。阶段910可包含：将照射在光电探测器装置的光电倍增管的阴极上的光转换为所述光电探测器装置的输出信号；阶段920可包含通过所述光电探测器装置的偏压电路，维持所述光电倍增管的多个倍增电极中每一倍增电极的电压基本上恒定，而不论由所述倍增电极消耗的电流如何变化；其中所述多个倍增电极包括第一倍增电极、多个中间倍增电极及最后倍增电极；其中所述光电倍增管还包含阳极及阴极；其中所述偏压电路包含一序列的电压跟随器元件、分压器及电流源；其中所述分压器与高压电源耦合；其中所述中间倍增电极中的不同倍增电极与最后倍增电极耦合至所述一序列的电压跟随器元件中的不同电压跟随器元件；其中不同的电压跟随器元件的控制输入端耦合至所述分压器的不同接合处；其中所述电流源耦合至所述分压器、所述一序列的电压跟随器元件，以及所述阴极；以及其中所述阳极耦合至负载元件，所述负载元件设置为接收所述阳极的输出信号并将所述输出信号转换为所述光电探测器装置的输出信号。方法900可由光电探测器装置10、20、50与60中的任意一者执行。可执行阶段910，同时在一增益下操作所述光电探测器装置，所述增益可为低增益(例如，可低于10,000)、极低增益、中等增益、高增益(例如，可超过一百万)或者极高增益。根据本发明的一实施例，提供了一种维持光电倍增管电极处的恒定电压的方法，所述方法包含：通过对应串联的电压跟随器元件供应所有的倍增电极电压；以及将恒定电流从共同的电流源供应至所有串联的电压跟随器元件。所述电压跟随器中的每一电压跟随器可由一对应的电阻分压器供应，其中所有的电阻分压器是串联连接的。根据本发明的一个实施例，所述方法还包含：通过另外的电压跟随器供应阴极电压，其中所述电流源连接在所述高压电源的负极与所述阴极之间。根据本发明的另一实施例，所述方法还包含：将所述阴极连接至所述高压电源的负极，并且将所述电流源连接在所述高压电源的负极与多个倍增电极中的第一倍增电极之间。根据本发明的其他实施例，可实施以下步骤中的一个或多个：在一个或多个相邻的倍增电极之间提供多个电容器；在所述阴极与相邻的倍增电极之间提供电容器；在高压电源的正极与所述相邻的倍增电极之间提供电容器；将多个电容器并联连接至多个电阻元件中的部分电阻元件或者所有电阻元件，或者所述多个电阻元件的任意组合。为了便于解说，本发明利用K个倍增电极说明各实施例。但应理解倍增电极的数量可根据特定应用的要求而变化。通常，市售的PMT包含6至14个倍增电极，但是这不应限制本发明。本发明可利用具有任何数量的倍增电极的PMT实施，倍增电极的数量从1开始。虽然本文已经图示及描述了本发明的某些特征结构，但是本领域普通技术人员自此将可进行许多修改、替换以及等效变化。因此，可理解所附权利要求书旨在覆盖落入本发明的真正精神内的所有这类修改及变化。