一种门控光电倍增管的控制电路的制作方法

本发明涉及光电探测、应用光谱技术、光谱分析、检测与计量等技术领域，具体涉及一种门控光电倍增管的控制电路。

背景技术：

光电倍增管是具有很高灵敏度和较宽线性动态测量范围的光脉冲探测器。采用特定的分压器结构,可以使其工作在某一线性范围内,满足常规测量的要求。但是在一些辐射脉冲的探测场合中，往往需要探测脉冲后沿。比如在激光诱导形成的等离子辐射探测中，激光诱导等离子体会发出很强的电子韧致辐射，这种强的白光背景信号会使得PMT处于非线性状态，即使电子轫致辐射消失后，由于分压器效应的存在，光电倍增管的线性也难以迅速恢复。此时，将无法捕捉到需要的原子辐射信号。目前，解决这一问题的主要方法有采用光开关或采用带门控功能的光电倍增管组件，但这类系统价格都较为昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种门控光电倍增管的控制电路，使得光电倍增管实现门操作，通过光电倍增管的门电路控制使得光电倍增管免受探测样本强光的影响，避免光电倍增管发生饱和，有助于微弱光信号的探测。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种门控光电倍增管的控制电路，所述控制电路包括：光电倍增管、门控电路、分压电路以及脉冲延时控制器，其中，所述光电倍增管包括光阴级K、阳极P和倍增极Dy1、Dy2、Dy3、Dy4、……、Dyn，n为大于5的正整数，

所述门控电路分别与所述光阴级K、所述倍增极Dy1、Dy2、Dy3相连，所述门控电路由所述脉冲延时控制器的输出控制其打开和关断，当所述门控电路处于关闭状态时，待测信号在所述光阴极K上打出的光电子数目无法被所述倍增极Dy1、Dy2、Dy3放大，当所述门控电路处于打开状态时，待测信号在所述光阴极K上打出的光电子在所述倍增极Dy1、Dy2、Dy3依次倍增；

所述分压电路分别与所述阳极P、所述倍增极Dy4、……、Dyn相连，用于保证所述阳极P、所述倍增极Dy4、……、Dyn处于稳定工作状态。

进一步地，所述光电倍增管为端窗型或侧窗型光电倍增管。

进一步地，所述门控电路包括场效应管FETs，所述场效应管FETs具有源极s端、漏极d端和栅极g端，所述场效应管的源极s端和漏极d端分别连接所述光阴极K和所述倍增极Dy3，所述场效应管的栅极g端与所述脉冲延时控制器的输出端相连接；

所述光阴极K、所述倍增极Dy1、所述倍增极Dy2和所述倍增极Dy3之间各自通过一个电阻R1相连，所述倍增极Dy3再通过一个电阻R1与第一稳压电源相连。

进一步地，所述第一稳压电源提供240V正电压输入到所述倍增极Dy3。

进一步地，所述分压电路包括若干电阻R、若干电容C和电阻R₀，所述电阻R₀阻值是所述电阻R阻值的四倍，所述倍增极Dy4、……、Dyn-1、Dyn之间各自通过一个电阻R相连，所述倍增极Dy4还通过电阻R₀接地，所述倍增极Dyn、Dyn-1、Dyn-2之间各自再连接一个电容C，所述倍增极Dyn通过并联的电阻R和电容C与第二稳压电源相连，所述阳极P通过电阻R与第二稳压电源相连，所述倍增极Dyn与所述阳极P之间通过两个串联的电阻R相连。

进一步地，所述第二稳压电源提供1100V正电压输入到所述倍增极Dyn与所述阳极P。

进一步地，所述控制电路通过所述阳极P连接电容Cc后进行电流输出。

进一步地，所述场效应管FETs的栅极g端的电压由所述脉冲延时控制器提供，此电压称为触发脉冲电压，当所述场效应管FETs的栅极g端电压为0V，即无触发脉冲时，所述场效应管FETs导通，光阴级K与倍增级Dy1、Dy2、Dy3同电位，待测信号在光阴极K上打出的光电子数目无法被倍增级Dy1、Dy2、Dy3放大，所述门控电路处于关闭状态；当所述场效应管FETs的栅极g端电压降为-5V，即有触发脉冲时，所述场效应管FETs处于断开状态，此时倍增级Dy1、Dy2、Dy3上的电压迅速上升至+60V、+120V和+180V，待测信号在光阴极K上打出的光电子在倍增级Dy1、Dy2、Dy3依次倍增，所述门控电路处于打开状态。

进一步地，所述场效应管的栅极g端的触发脉冲的宽度以及其相对探测脉冲信号的延时均由所述脉冲延时控制器来进行调节。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明中光电倍增管采用了正高压的接线方式，门控电路不需要采用光隔离器，设计更为简单。

2、本发明通过门控电路可以有选择性的探测辐射脉冲信号，提高探测的灵敏度。

3、本发明公开的门控光电倍增管的控制电路成本低廉，易于实现。

附图说明

图1是本发明公开的门控光电倍增管的控制电路原理图；

图2是基于门控光电倍增的激光诱导击穿光谱系统示意图；

图3是典型的实验结果图；

其中，1---脉冲激光器，2---聚焦透镜，3---样品及移动平台，4---光二极管，5---脉冲延时控制器，6---光辐射的光学收集系统，7---单色仪或者光谱仪，8---门控光电倍增管，9---数据采集单元，10---电子计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，图1是本发明公开的门控光电倍增管的控制电路原理图，从附图中可知，本实施公开的一种新型门控光电倍增管的控制电路，在此实施例中，选择前三级倍增级进行门控，所述控制电路包括：脉冲延时控制器、门控电路、分压电路，由脉冲延时控制器的输出控制门控电路的打开和关断，分压电路一直处于稳定工作状态。

所述门控电路由光电倍增管的光阴极K和倍增极Dy1至Dy3、4个电阻R1和场效应管FETs组成。光阴级K与Dy1、Dy1与Dy2、Dy2与Dy3之间各自通过一个电阻R1连接，K极接地，Dy3通过一个电阻R1接入240V正电压，此电压可由稳压电源提供；再把场效应管的源极s端和漏极d端分别接K和Dy3，场效应管的栅极g端与脉冲延时控制器的输出端相连接。

场效应管的栅极g端的电压由脉冲延时控制器提供，此电压称为触发脉冲电压，当场效应管栅极g端电压为0V，即无触发脉冲时，场效应管导通，光阴级K与Dy1、Dy2、Dy3同电位，待测信号在光阴极K上打出的光电子数目无法被第一至第三倍增极放大，门控电路处于关闭状态；当场效应管栅极电压降为-5V，即有触发脉冲时，场效应管处于断开状态，此时Dy1、Dy2和Dy3上的电压迅速上升至+60V、+120V和+180V，待测信号在光阴极K上打出的光电子在各个倍增极依次倍增，门控电路处于打开状态。

上述分压电路即为Dy4至阳极P的电路，包括光电倍增管的阳极P和倍增极Dy4、……、Dyn-1、Dyn、240K的电阻R以及0.1μF的电容C，此分压电路与光电倍增管的常用正高压供电工作电路相同，倍增极Dy4通过电阻R₀接地。

在整个控制过程中，上述分压电路可保证光电倍增管的Dy4至阳极P一直处于稳定状态，光电倍增管始终保持在良好的待机状态。

场效应管栅极(g端)触发脉冲的宽度以及其相对探测脉冲信号的延时均可由脉冲延时控制器来进行调节。当无触发脉冲，门控电路处于关闭状态时，光电倍增管处于低增益的状态，阳极P上无电流输出；当有触发脉冲，门控电路处于打开状态时，光电倍增管处于高增益的状态，在阳极P上形成电流输出。

通过调节合适的延时，可以有效的截断探测样本时强光信号的输出，只输出我们需要的微弱光信号。

下面，以采用门控光电倍增管技术进行单脉冲激光诱导等离子体(LIBS，Laser-induced Breakdown Spectroscopy)探测为例，详细分析门控光电倍增管在探测中的性能。

在利用LIBS进行原子信号辐射探测时，激光诱导等离子体形成的初期存在着很强的连续背景辐射(主要是电子的轫致辐射)，这种强白光的背景信号很容易造成光电倍增管的饱和。而所需要的原子辐射信号相较背景辐射信号寿命更长，如果对光电倍增管的增益进行门控，使得在有强的韧致电子辐射的时候，光电倍增管处于低增益状态，而在韧致电子辐射完全消失，在原子辐射的弛豫时间范围内，光电倍增管处于高增益状态，通过选取适当的门控触发信号即可有效降低韧致电子辐射对原子辐射信号检测造成的影响，改善信号与背景之比。具体探测原理如图2。

第一步:脉冲激光器1发出高功率短脉冲激光并经过聚焦透镜2聚焦在待测样品3上产生出等离子体火花。样品3不停地移动保证激光脉冲不会重复打在样品某一固定位置上；

第二步:光二极管4接收到激光脉冲后产生一个脉冲信号去同时触发脉冲延时控制器5和数据采集单元9；

第三步:脉冲延时控制器5被触发后输出一个延时和脉宽均可调的触发脉冲，加在门控光电倍增管8上的场效应管栅极，控制光电倍增管的“开与关”；

第四步:光辐射的光学收集系统6将产生的激光等离子体发光信号收集到单色仪或者光谱仪7的入射狭缝处；

第五步:门控光电倍增管8将光信号转换为电信号；

第六步:数据采集单元9把门控光电倍增管8的电信号采集后传送给电子计算机10作数据分析。电子计算机10同时控制单色仪或者光谱仪7的输出波长或者波长范围；

第七步:电子计算机10选取合适的时间范围(采样门)内的积分信号作为信号的相对值，该值与样品中元素的浓度相对应；

第八步:通过对比待测样品和元素浓度已知的样品的信号强度,分析得出待测样品中的元素浓度值。

如图3所示，记录了激光诱导击穿光谱系统探测的铝合金样品中铝原子辐射信号，检测波长为394.4纳米(铝原子的分析线波长)。其中1为采用普通光电倍增管探测的铝原子辐射信号时域图，光电倍增管分压电路上所加电压为650V；2为采用门控光电倍增管探测的铝原子辐射信号时域图，光电倍增管分压电路上所加电压为1100V。这里触发脉冲相对激光脉冲的延时为2.5μs，此时白光背景信号已基本衰减为零，触发脉冲的脉宽设定为20μs。在0-2.5μs的时间范围内，门控光电倍增管由于处于低增益状态，光电倍增管输出的信号明显减弱，从而避免了光电倍增管由于强白光信号而处于饱和状态，引起非线性输出，大大降低背景信号的强度，同时光电倍增管分压电路上所加电压可以增大至1100V，进行归一化处理后，相较于未使用门控技术，白光信号抑制比可达到60:1。在2.5-22.5μs范围内，光电倍增管处于高增益状态，铝原子辐射的光信号被正常放大。因此门控的技术有助于提高各倍增极上的电压，实现对微弱光信号的放大。

综上所述，本发明采用的光电倍增管门控技术，利用数字延时控制器产生门控信号触发门控电路，仅仅控制光电倍增管的光阴极和前三级倍增级之间的电压，而后面的若干倍增极及阳极的电位与不采用门控技术时相同，通过调节第一至第三倍增极的增益来控制整个光电倍增管的增益。门控电路的性能将直接决定光电倍增管的工作性能，门控电路将光电倍增管探测器的某一倍增级切断，被控制的倍增级不能加上电压，光电倍增管不工作；导通时，被控制的倍增级加上正常电压，光电倍增管正常工作。由于控制脉冲电压的电位值不高，保证了时间响应以及降低了开关过程中所形成的冲击。通过调整门控电路的开关和持续时间，可以使光电倍增管避开辐射探测中先达到的强干扰脉冲或白光背景信号，从而实现微弱待测信号的有效探测。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。