本發(fā)明涉及光電探測(cè)、應(yīng)用光譜技術(shù)、光譜分析、檢測(cè)與計(jì)量等技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種門控光電倍增管的控制電路。

背景技術(shù)：

光電倍增管是具有很高靈敏度和較寬線性動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍的光脈沖探測(cè)器。采用特定的分壓器結(jié)構(gòu),可以使其工作在某一線性范圍內(nèi),滿足常規(guī)測(cè)量的要求。但是在一些輻射脈沖的探測(cè)場(chǎng)合中，往往需要探測(cè)脈沖后沿。比如在激光誘導(dǎo)形成的等離子輻射探測(cè)中，激光誘導(dǎo)等離子體會(huì)發(fā)出很強(qiáng)的電子韌致輻射，這種強(qiáng)的白光背景信號(hào)會(huì)使得PMT處于非線性狀態(tài)，即使電子軔致輻射消失后，由于分壓器效應(yīng)的存在，光電倍增管的線性也難以迅速恢復(fù)。此時(shí)，將無法捕捉到需要的原子輻射信號(hào)。目前，解決這一問題的主要方法有采用光開關(guān)或采用帶門控功能的光電倍增管組件，但這類系統(tǒng)價(jià)格都較為昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)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(shí)現(xiàn)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(cè)樣本強(qiáng)光的影響，避免光電倍增管發(fā)生飽和，有助于微弱光信號(hào)的探測(cè)。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)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、分壓電路以及脈沖延時(shí)控制器，其中，所述光電倍增管包括光陰級(jí)K、陽極P和倍增極Dy1、Dy2、Dy3、Dy4、……、Dyn，n為大于5的正整數(shù)，

所述門控電路分別與所述光陰級(jí)K、所述倍增極Dy1、Dy2、Dy3相連，所述門控電路由所述脈沖延時(shí)控制器的輸出控制其打開和關(guān)斷，當(dāng)所述門控電路處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，待測(cè)信號(hào)在所述光陰極K上打出的光電子數(shù)目無法被所述倍增極Dy1、Dy2、Dy3放大，當(dāng)所述門控電路處于打開狀態(tài)時(shí)，待測(cè)信號(hào)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，用于保證所述陽極P、所述倍增極Dy4、……、Dyn處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

進(jìn)一步地，所述光電倍增管為端窗型或側(cè)窗型光電倍增管。

進(jìn)一步地，所述門控電路包括場(chǎng)效應(yīng)管FETs，所述場(chǎng)效應(yīng)管FETs具有源極s端、漏極d端和柵極g端，所述場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管的柵極g端與所述脈沖延時(shí)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(gè)電阻R1相連，所述倍增極Dy3再通過一個(gè)電阻R1與第一穩(wěn)壓電源相連。

進(jìn)一步地，所述第一穩(wěn)壓電源提供240V正電壓輸入到所述倍增極Dy3。

進(jìn)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(gè)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(gè)電容C，所述倍增極Dyn通過并聯(lián)的電阻R和電容C與第二穩(wěn)壓電源相連，所述陽極P通過電阻R與第二穩(wěn)壓電源相連，所述倍增極Dyn與所述陽極P之間通過兩個(gè)串聯(lián)的電阻R相連。

進(jìn)一步地，所述第二穩(wěn)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(jìn)一步地，所述控制電路通過所述陽極P連接電容Cc后進(jìn)行電流輸出。

進(jìn)一步地，所述場(chǎng)效應(yīng)管FETs的柵極g端的電壓由所述脈沖延時(shí)控制器提供，此電壓稱為觸發(fā)脈沖電壓，當(dāng)所述場(chǎng)效應(yīng)管FETs的柵極g端電壓為0V，即無觸發(fā)脈沖時(shí)，所述場(chǎng)效應(yīng)管FETs導(dǎo)通，光陰級(jí)K與倍增級(jí)Dy1、Dy2、Dy3同電位，待測(cè)信號(hào)在光陰極K上打出的光電子數(shù)目無法被倍增級(jí)Dy1、Dy2、Dy3放大，所述門控電路處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)所述場(chǎng)效應(yīng)管FETs的柵極g端電壓降為-5V，即有觸發(fā)脈沖時(shí)，所述場(chǎng)效應(yīng)管FETs處于斷開狀態(tài)，此時(shí)倍增級(jí)Dy1、Dy2、Dy3上的電壓迅速上升至+60V、+120V和+180V，待測(cè)信號(hào)在光陰極K上打出的光電子在倍增級(jí)Dy1、Dy2、Dy3依次倍增，所述門控電路處于打開狀態(tài)。

進(jìn)一步地，所述場(chǎng)效應(yīng)管的柵極g端的觸發(fā)脈沖的寬度以及其相對(duì)探測(cè)脈沖信號(hào)的延時(shí)均由所述脈沖延時(shí)控制器來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

1、本發(fā)明中光電倍增管采用了正高壓的接線方式，門控電路不需要采用光隔離器，設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單。

2、本發(fā)明通過門控電路可以有選擇性的探測(cè)輻射脈沖信號(hào)，提高探測(cè)的靈敏度。

3、本發(fā)明公開的門控光電倍增管的控制電路成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明公開的門控光電倍增管的控制電路原理圖；

圖2是基于門控光電倍增的激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)示意圖；

圖3是典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；

其中，1---脈沖激光器，2---聚焦透鏡，3---樣品及移動(dòng)平臺(tái)，4---光二極管，5---脈沖延時(shí)控制器，6---光輻射的光學(xué)收集系統(tǒng)，7---單色儀或者光譜儀，8---門控光電倍增管，9---數(shù)據(jù)采集單元，10---電子計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例

如圖1所示，圖1是本發(fā)明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(shí)施公開的一種新型門控光電倍增管的控制電路，在此實(shí)施例中，選擇前三級(jí)倍增級(jí)進(jìn)行門控，所述控制電路包括：脈沖延時(shí)控制器、門控電路、分壓電路，由脈沖延時(shí)控制器的輸出控制門控電路的打開和關(guān)斷，分壓電路一直處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

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(gè)電阻R1和場(chǎng)效應(yīng)管FETs組成。光陰級(jí)K與Dy1、Dy1與Dy2、Dy2與Dy3之間各自通過一個(gè)電阻R1連接，K極接地，Dy3通過一個(gè)電阻R1接入240V正電壓，此電壓可由穩(wěn)壓電源提供；再把場(chǎng)效應(yīng)管的源極s端和漏極d端分別接K和Dy3，場(chǎng)效應(yīng)管的柵極g端與脈沖延時(shí)控制器的輸出端相連接。

場(chǎng)效應(yīng)管的柵極g端的電壓由脈沖延時(shí)控制器提供，此電壓稱為觸發(fā)脈沖電壓，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管柵極g端電壓為0V，即無觸發(fā)脈沖時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，光陰級(jí)K與Dy1、Dy2、Dy3同電位，待測(cè)信號(hào)在光陰極K上打出的光電子數(shù)目無法被第一至第三倍增極放大，門控電路處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓降為-5V，即有觸發(fā)脈沖時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管處于斷開狀態(tài)，此時(shí)Dy1、Dy2和Dy3上的電壓迅速上升至+60V、+120V和+180V，待測(cè)信號(hào)在光陰極K上打出的光電子在各個(gè)倍增極依次倍增，門控電路處于打開狀態(tài)。

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(gè)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一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，光電倍增管始終保持在良好的待機(jī)狀態(tài)。

場(chǎng)效應(yīng)管柵極(g端)觸發(fā)脈沖的寬度以及其相對(duì)探測(cè)脈沖信號(hào)的延時(shí)均可由脈沖延時(shí)控制器來進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)無觸發(fā)脈沖，門控電路處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，光電倍增管處于低增益的狀態(tài)，陽極P上無電流輸出；當(dāng)有觸發(fā)脈沖，門控電路處于打開狀態(tài)時(shí)，光電倍增管處于高增益的狀態(tài)，在陽極P上形成電流輸出。

通過調(diào)節(jié)合適的延時(shí)，可以有效的截?cái)嗵綔y(cè)樣本時(shí)強(qiáng)光信號(hào)的輸出，只輸出我們需要的微弱光信號(hào)。

下面，以采用門控光電倍增管技術(shù)進(jìn)行單脈沖激光誘導(dǎo)等離子體(LIBS，Laser-induced Breakdown Spectroscopy)探測(cè)為例，詳細(xì)分析門控光電倍增管在探測(cè)中的性能。

在利用LIBS進(jìn)行原子信號(hào)輻射探測(cè)時(shí)，激光誘導(dǎo)等離子體形成的初期存在著很強(qiáng)的連續(xù)背景輻射(主要是電子的軔致輻射)，這種強(qiáng)白光的背景信號(hào)很容易造成光電倍增管的飽和。而所需要的原子輻射信號(hào)相較背景輻射信號(hào)壽命更長(zhǎng)，如果對(duì)光電倍增管的增益進(jìn)行門控，使得在有強(qiáng)的韌致電子輻射的時(shí)候，光電倍增管處于低增益狀態(tài)，而在韌致電子輻射完全消失，在原子輻射的弛豫時(shí)間范圍內(nèi)，光電倍增管處于高增益狀態(tài)，通過選取適當(dāng)?shù)拈T控觸發(fā)信號(hào)即可有效降低韌致電子輻射對(duì)原子輻射信號(hào)檢測(cè)造成的影響，改善信號(hào)與背景之比。具體探測(cè)原理如圖2。

第一步:脈沖激光器1發(fā)出高功率短脈沖激光并經(jīng)過聚焦透鏡2聚焦在待測(cè)樣品3上產(chǎn)生出等離子體火花。樣品3不停地移動(dòng)保證激光脈沖不會(huì)重復(fù)打在樣品某一固定位置上；

第二步:光二極管4接收到激光脈沖后產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)去同時(shí)觸發(fā)脈沖延時(shí)控制器5和數(shù)據(jù)采集單元9；

第三步:脈沖延時(shí)控制器5被觸發(fā)后輸出一個(gè)延時(shí)和脈寬均可調(diào)的觸發(fā)脈沖，加在門控光電倍增管8上的場(chǎng)效應(yīng)管柵極，控制光電倍增管的“開與關(guān)”；

第四步:光輻射的光學(xué)收集系統(tǒng)6將產(chǎn)生的激光等離子體發(fā)光信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；

第六步:數(shù)據(jù)采集單元9把門控光電倍增管8的電信號(hào)采集后傳送給電子計(jì)算機(jī)10作數(shù)據(jù)分析。電子計(jì)算機(jī)10同時(shí)控制單色儀或者光譜儀7的輸出波長(zhǎng)或者波長(zhǎng)范圍；

第七步:電子計(jì)算機(jī)10選取合適的時(shí)間范圍(采樣門)內(nèi)的積分信號(hào)作為信號(hào)的相對(duì)值，該值與樣品中元素的濃度相對(duì)應(yīng)；

第八步:通過對(duì)比待測(cè)樣品和元素濃度已知的樣品的信號(hào)強(qiáng)度,分析得出待測(cè)樣品中的元素濃度值。

如圖3所示，記錄了激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)探測(cè)的鋁合金樣品中鋁原子輻射信號(hào)，檢測(cè)波長(zhǎng)為394.4納米(鋁原子的分析線波長(zhǎng))。其中1為采用普通光電倍增管探測(cè)的鋁原子輻射信號(hào)時(shí)域圖，光電倍增管分壓電路上所加電壓為650V；2為采用門控光電倍增管探測(cè)的鋁原子輻射信號(hào)時(shí)域圖，光電倍增管分壓電路上所加電壓為1100V。這里觸發(fā)脈沖相對(duì)激光脈沖的延時(shí)為2.5μs，此時(shí)白光背景信號(hào)已基本衰減為零，觸發(fā)脈沖的脈寬設(shè)定為20μs。在0-2.5μs的時(shí)間范圍內(nèi)，門控光電倍增管由于處于低增益狀態(tài)，光電倍增管輸出的信號(hào)明顯減弱，從而避免了光電倍增管由于強(qiáng)白光信號(hào)而處于飽和狀態(tài)，引起非線性輸出，大大降低背景信號(hào)的強(qiáng)度，同時(shí)光電倍增管分壓電路上所加電壓可以增大至1100V，進(jìn)行歸一化處理后，相較于未使用門控技術(shù)，白光信號(hào)抑制比可達(dá)到60:1。在2.5-22.5μs范圍內(nèi)，光電倍增管處于高增益狀態(tài)，鋁原子輻射的光信號(hào)被正常放大。因此門控的技術(shù)有助于提高各倍增極上的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱光信號(hào)的放大。

綜上所述，本發(fā)明采用的光電倍增管門控技術(shù)，利用數(shù)字延時(shí)控制器產(chǎn)生門控信號(hào)觸發(fā)門控電路，僅僅控制光電倍增管的光陰極和前三級(jí)倍增級(jí)之間的電壓，而后面的若干倍增極及陽極的電位與不采用門控技術(shù)時(shí)相同，通過調(diào)節(jié)第一至第三倍增極的增益來控制整個(gè)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(cè)器的某一倍增級(jí)切斷，被控制的倍增級(jí)不能加上電壓，光電倍增管不工作；導(dǎo)通時(shí)，被控制的倍增級(jí)加上正常電壓，光電倍增管正常工作。由于控制脈沖電壓的電位值不高，保證了時(shí)間響應(yīng)以及降低了開關(guān)過程中所形成的沖擊。通過調(diào)整門控電路的開關(guān)和持續(xù)時(shí)間，可以使光電倍增管避開輻射探測(cè)中先達(dá)到的強(qiáng)干擾脈沖或白光背景信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)微弱待測(cè)信號(hào)的有效探測(cè)。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。