光電倍增管（PMT）模塊的選型與使用

PMT模塊的選型

PMT模塊中不僅都集成了PMT裸管、分壓電路和高壓電源，還根據(jù)信號輸出的不同需求集成了其他的功能組件。按照PMT模塊的信號輸出類型，濱松的PMT模塊產(chǎn)品可以分為電流輸出模塊、電壓輸出模塊和光子計數(shù)探測器。他們的區(qū)別是這樣的：

PS.圖中灰色方框內(nèi)的各種產(chǎn)品/附件濱松也有提供~可以移步至濱松中國官網(wǎng)了解

目前濱松有40多個系列，工程師梳理了一張系列型號及基礎參數(shù)參考表，在選型時可以有所幫助：

在同一系列的濱松PMT模塊中，會以后綴來區(qū)分不同的產(chǎn)品型號。這些后綴往往代表著不同的含義，了解它們，也可以有助于我們的產(chǎn)品選型。這里，我們選出了用途最為廣泛的φ8端窗PMT模塊，針對其中關鍵的名詞項，來深入一一解讀。

濱松φ8 PMT模塊命名規(guī)則

Settling time是什么？

在PMT模塊中，加在PMT上的高壓會隨著控制電壓（一般在0.5-1.1V）的變化而變化；但這個過程是有一定延遲的，且根據(jù)PMT模塊中分壓電路的設計有長有短。

從調(diào)節(jié)完控制電壓，到施加在PMT的高壓到達設定電壓——其時間間隔稱之為Settling time，也就是穩(wěn)定時間，簡而言之，就是PMT調(diào)完控制電壓后等多久能用。

在濱松PMT模塊的彩頁中，標注的Settling time數(shù)值一般是控制電壓從+1.0V到+0.5V所對應的Settlingtime。如果控制電壓的變化幅度較小，響應的Settling time也會相應變小。

紋波噪聲是什么？

PMT模塊中，除了PMT裸管之外，還至少會集成高壓電源和分壓電路。其中高壓電源中使用的振蕩電路（oscillation circuit）會帶來額外微小的電壓抖動，繼而使得加在PMT上的高壓、PMT的增益以及最終輸出的信號上都會出現(xiàn)相應的抖動，即紋波（ripple，見圖）。

紋波現(xiàn)象所帶來的紋波噪聲在濱松PMT模塊的彩頁中一般被標注為“Ripple noise（peak to peak）”，是在特定控制電壓下，采用特定的讀出參數(shù)所測得的電壓曲線中波峰和波谷的差值。

紋波噪聲示意

為高壓電源選擇合適的電路設計可以大幅減小紋波噪聲。雖然紋波噪聲不可能完全消除，但在當前已經(jīng)商業(yè)化的PMT模塊中，紋波噪聲已經(jīng)小到基本可以不予考慮。如果特定情況下確實需要降低紋波噪聲，可以考慮以下兩種方法：

（1）在模塊信號輸出之后加入低通濾波器，過濾掉一部分；

（2）提高控制電壓——此時光電倍增管的增益與紋波的絕對值都會增加，但是增益的增長要更快，所以能夠?qū)嶋H上降低紋波的影響。

PMT模塊的電流輸出與電壓輸出的區(qū)別？電壓輸出的PMT模塊的Conversion factor是什么？

PMT最原始的輸出信號為電流。相對于電流輸出模塊，電壓輸出的PMT模塊中多了一個跨阻放大器（Current-Voltage Conversion Amp）將電流已經(jīng)轉(zhuǎn)換成了電壓（可以翻到上文看看圖）。對應的轉(zhuǎn)換系數(shù)就是conversion factor（或者稱作Current-to-voltage conversion factor）。

此外，由于跨阻放大器本身是有帶寬的，如H10722和H10723采用了不同的跨阻放大器，所以其輸出信號的帶寬也就不一樣。

總的說來，電壓輸出模塊和電流輸出模塊在使用中的優(yōu)劣如下：

插針式與導線式有什么區(qū)別？

插針式（下圖左，如H10720，H11900）與導線式（下圖右，如H10721，H11901）的兩種光電倍增管模塊沒有本質(zhì)區(qū)別。前者可以直接插在電路板上；后者在安裝上則更加靈活?？梢愿鶕?jù)實際使用環(huán)境和條件選擇。

H10720和H10721外觀

光譜響應參數(shù)的解析

PMT模塊的光譜響應范圍主要由光陰極面的材料和窗材決定。

光陰極面的材料決定了PMT光譜響應的波長上限，更長波長的光子由于能量不足就較難轉(zhuǎn)化成光電子從而被探測了。

管壁材料（窗材）決定了PMT光譜響應的波長下限。對于波長更短的光子，理論上只要能夠轟擊到光陰極面都能夠產(chǎn)生光電子。但PMT是一個真空管結(jié)構(gòu)，光子到達光陰極面之前需要先通過管壁。過短波長的光子會被管壁所阻礙，所以管壁材料（窗材）一般決定了PMT光譜響應的波長下限。

光電倍增管工作示意圖

在濱松樣本資料中，一般會給出波長范圍（如H10720-110的230-700nm）。其下限代表的是管壁透光率曲線的拐點；其上限，對于多堿材料是靈敏度峰值的0.1%，對于雙堿材料是靈敏度峰值的1%。

關于功耗更多的解析

H1072X系列最吸引人的是其低功耗；H10720/H10721系列所要求的電壓（input voltage）甚至只有2.8-5.5V，電流也只是mA級別。這意味著，3節(jié)普通的5號電池就足以作為PMT模塊的電源。加上H10720/H10721本身的小體積，使得其非常適合用于手持式設備。

H10720/H10721，H11900/H11901系列與功耗相關的參數(shù)

PMT模塊的使用

根據(jù)實際應用中數(shù)據(jù)測量的需求，PMT模塊的使用可以分為如下3類。

1. 在示波器上讀出PMT模塊輸出的模擬信號

2. 在電腦上讀出PMT模塊輸出的模擬信號

3. 在電腦上讀出光子計數(shù)結(jié)果