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1、第20卷第3期核电子学与探测技术Vol120No132000年5月NuclearElectronics&DetectionTechnologyMay2000低功耗和快速补偿的光电倍增管偏置电路张思玲,董成富,原振东,古中道(中国科学院近代物理研究所,兰州730000)摘要:介绍了由晶体管化的光电倍增管偏置电路的研究,该电路具有功耗低、稳定可靠、输出脉冲上升时间快、能量分辨高、脉冲线性好、恢复时间快等优点。关键词:光电倍增管;偏置;恢复时间;低功耗;晶体管化中图分类号:TL8文献标识码:A文章编号:025820934(2000)03
2、202362040引言在原子核衰变和原子核反应过程中所放出的各种射线,人们用感官器官无法直接感觉到,必须通过射线仪器来测量各种射线的存在,以及它们的各种性质,如射线的强度、粒子的电荷、质量、能量,从而达到鉴别射线的种类等目的。测量射线的仪器包括产生电信号的元件和测量电信号的电子学仪器两大部分。在闪烁计数等应用中,光电倍增管就是其中一种产生电信号的元件部分,光电倍增管是微光测量,特别是极限微弱光探测技术的重要探测器。它具有分辨时间短、探测效率高等优点。因此,在不少领域中用闪烁探测代替了其它探测器,它是目前使用最多的核辐射探测器之一。
3、1电路分析与基本原理当射线进入闪烁体时,在某一地点产生次级电子,它使闪烁体分子电离和激发,退激时发出大量光子,由于通过加在光电倍增管上的高压电源和分压电阻的作用,使阳极到各个倍增极再到阴极之间建立从高到低的电位分布。当光子入射到光阴极上后,由于光电效应会产生光电子,这些光电子受极间电场加速和聚焦,被打在第1个倍增极上,每个光电子在倍增极上产生3～6个二次电子,这些二次电子又射向第2倍增极上,再经倍增后射向第3个倍增极,直到最49后一个倍增极,最后在阳极上可接收到10～10个电子,这样使大量的电子在阳极负载上建立起电信号,然后通过阻
4、抗匹配作用将信号送到电子学仪器中去。光电倍增管中各电极的电位由外加电阻分压器抽头供给,在通常的使用中,一般采用如图1所示的形式,所加高压根据管子的要求决定。收稿日期:1999-04-19作者简介:张思玲(1960-),女,甘肃人,助理实验师,研究方向核电子学技术;董成富(1954-),男,甘肃人,高工,学士,研究方向核电子学技术。236图1光电倍增管的RC偏置电路的基本形式由于阴极面积较大,到第1倍增极间的距离也较远,在这一段路程上光电子的渡越时间分散对整个管子的渡越时间分散影响较大,为了增加工作稳定性,如果采用稳压二极管代替K～
5、B1之间的分压电阻,它更有利于提高信噪比和能量分辨率。在中间倍增极间一般采用均匀分压器,其电压值根据需要来调节。由于在最末几级倍增极中的电流较大,一般使用非均匀分压器,使最末二三级倍增极之间有较高的电压,以避免空间电荷效应,否则,倍增管的线性工作范围要受到限制。同时,为了避免在最后几个倍增极上由于脉冲电流过大使级间电压下降,一般在分压电阻上并联旁路电容,末级倍增极到阳极之间的电压一般选得较低。但是,当光电倍增管用在高计数率场合时,经常会发生输出线性变差等一系列问题,对于这种情况,如果用晶体管来代替光电倍增管偏置的后级分压器,用常规
6、的电阻分压法,这种由分压器电流引起的输出线性降低的问题就能够达到改善和提高,由于光电流首先流入第1倍增极,然后由二次电子流入第2倍增极,依次类推。再从倍增极流进晶体管的集电极,其结果是发射极电位上升,基极电流和集电极电流同时减小,此时,集电极电流的减小差不多和流入光电倍增管的电流相当,因而,表面上就是晶体管供给光电倍增管电流。晶体管的级数要根据光电倍增管的使用条件来决定。例如,CsI(Tl)晶体的衰变时间由0.5Ls和7Ls两种时间常数构成,这对于一个一定幅度的信号,其总电荷远远大于其它闪烁体通常给出的电荷。这样,光电倍增管对每个
7、信号要传送较高的电荷输出,而这个要求对光电倍增管偏置提出了更高的要求,因此,不能应用普通的RC链偏置的分压电路形式,必须采取有效的措施。2电路设计根据光电倍增管的基本原理和在使用条件中的特殊要求,我们研制了如图2所示的低功耗和快速补偿的晶体管化光电倍增管偏置电路,所使用的光电倍增管型号为CR110,它共有11个倍增极(B1～B11),倍增极的电荷由电容Ck到C11来提供,电容又通过倍增极来放电,然后又由偏置电流Ib对电容Ck～C11进行尽快的充电,以维持倍增极之间电压的稳定性和平衡。如果阳极和阴极之间加上1200V的电压时,它要求
8、阴极与第1倍增极间的电压必须为200V,在其它10个倍增极之间电压可平均分配为100V,由于最大输出信号在阳极,所以电容C11传送电荷最大,即Q11=QA,并且通过晶体管T11的导通由Ib电流来充电,以便总的偏置电流Ib流入C11来很快弥补失去的电
