基于PMT检测电路相关问题

简 介： 对于PMT光电检测电路相关问题进行讨论， 给出了初步实验测试电路。后期的改动可以基于实验中信号的变化动态特性调整放大电路中滤波环节中的时间常数。

关键词： PMT，光电倍增管

§01 问题提出

一、项目概述

  偶然机会购买一台二手分析仪器，其中基于PMT实现流动液体荧光检测的部分非常有意思。通过文档检索概括其工作机理，待测样品在比色皿中被紫外光激发（一般光源使用337.1nm），在550nm处显现荧光，通过倍增管检测荧光强度进而实现定量分析。

二、工作流程

  其工作时序图如下

1、信号处理分析

  根据上面采样的波形来看， 样品的荧光在激光脉冲激励之后按照指数衰减。如果上面波形是按照比例的话，大体上可以看到荧光衰减的时间常数大约在 $50\mu s$ 左右。

三、提问与回答

1、PMT 负高压驱动

（1）PMT基本参数

  通过拆解设备该部分分析电路使用的PMT型号为：R6357 ，分压器底座： E850-13。

（2）负高压模块

• 原设备使用电源模块：
  

  ▲ 图1.3.2 原设备的负高压模块

• 已采购负高压模块

  注意改电源内部不是隔离的， 而是输出输出的负高压地线与输入电源地线内部是直接连通的。

2、PMT信号调理电路

…恳请卓老师提出解决方案…

  在 PMT Pulse Processing 给出了光电倍增管信号处理的基本原理。 通过电流-电压转换电路（跨导放大电路）将光电流转换成电压信号。下图给出了放大电路图。

  电路中电流转电压增益是由其中的电阻 $R_2$ 决定。 $$V_{out}=I\cdot 1k\Omega$$ 按照 $R_2=1k$ ，光电流 1mA 输出电压为 1V。

  输入输出阻抗匹配电阻 $R_1,R_3$ 都选取为 $50\Omega$ ， 与连接信号的同轴电流阻抗匹配。

  上述电路运放 OPA354 采用单电源供电。 可以考虑将其中的电源从 3.3V 修改成 5V。

  上述电路图中所使用到的OPA354 是一种高速CMOS运放， 是为了能够检测高速脉冲所使用的的运放。 考虑到本电路中荧光衰减的时间常数大约为 $50\mu s$ ， 对应的信号频带宽度为 20kHz， 所以也可以考虑使用 AD8606 来替代 OPA354。 AD8606的单位增益带宽为 10MHz， OPA354 的单位增益带宽为 250MHz。

3、PMT接线图

…恳请卓老师提出解决方案…

  为了形象说明信号连接电路图， 下面是直接将前面各部分电路图进行连接。

4、放大电路动态范围

根据测量信号如何动态调整检测限与测量范围，…目前还不了解荧光量在什么数量级，因此需要测量电路具备可动态调整的功能，恳请卓老师提出解决方案…

  前面的电路图中，控制信号放大倍数，也就是信号动态变化范围是由 $R_2$ 的阻值决定。 在实际实验中，通过改变改电阻的阻值来调整电路的放大动态范围。

  如果需要在应用中能够动态改变电路的放大倍数， 可以考虑使用

• 模拟电路开关来切换不同的 R2 阻值；
• 利用微型继电器来动态改变 R2 阻值；
• 后面级联增益可编程放大电路对信号进行猴急放大。

※ 总  结 ※

  对于PMT光电检测电路相关问题进行讨论， 给出了初步实验测试电路。后期的改动可以基于实验中信号的变化动态特性调整放大电路中滤波环节中的时间常数。

■ 相关文献链接:

• PMT Pulse Processing
• OPA354
• AD8606

● 相关图表链接:

• 图1.1.1 分析仪器内部结构
• 图1.1.2 荧光测量时序工作流程
• 图1.2.2 应该信号变化波形
• 图1.3.1 PMT 参数与推荐电路
• 图1.3.2 原设备的负高压模块
• 图1.3.3 已经采购到的负高压模块
• 图1.3.4 PMT电流放大电路
• 图1.3.5 PMT光脉冲信号
• 图1.3.6 OPA354数据手册中的特性
• 图1.3.7 PMT 电源与信号放大接线图