光电技术第4章第4-5节

发射光谱仪的光源为
被测光源，而吸收光谱仪 的光源为已知光谱分布的 光源。吸收光谱仪与发射 光谱仪相比，它比发射光
图4-10
谱仪多一个承载被测物的
样品池。
时间分辨荧光免疫分析中的应用
1983年，由Pettersson 和Eskola等提出了用时间分辨 荧光免疫分析（time-resolved fluoroimmunoassay， TRFIA）法测定人绒毛膜促性腺激素和胰磷脂酶在临床 医学研究中的应用，在10多年中，获得迅速发展。成为最 有发展前途的一种全新的非同位素免疫分析技术。
IR≥10Ia
（4-25）
选择得太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度 升高导致性能的降低，以至于温升太高而无法工作。 选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值R
R=Ubb/IR
U bb 各分压电阻 Ri (N 1.5)I R
(4-26)
(4-28)
而R1应为
R1=1.5 Ri
2、电源电压
4.14 光电倍增管GDB44F的阴极光照灵敏度为0.5μA/lm， 阳极光照灵敏度为 50A/lm，长期使用时阳极允许电流应 限制在2μA以内。 问: 3）若已知该光电倍增管为12级的Cs3Sb倍增极，其倍 增系数为 δ=0.2(UDD) 0.7，试计算它的供电电压值？
4）当要求输出信号的稳定度为1%时，求高压电源电 压的稳定度 bb G N G U bb
由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkφ vRL，因此， 输出信号的稳定度与增益的稳定度有关 U bb U G N (4-33) U G U bb
在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认 为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电 压稳定度为1%时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%。
图4-11
图4-12所示为载荷配位体β -NTA的螯合物荧光时间 特性。图中，激发光刚刚结束的时刻为初始时刻t=0，在 最初的很短时间内，短寿命荧光很快结束，长寿命荧光在 400ns时间内也会消失或降低到很低的程度，而有用的荧 光出现在400ns~800ns时间段内（图中斜线所标注的时间 段）。 在800ns~1000ns时 间内有用的荧光将 衰减到零。1000ns 后开始新的循环。
由于G=δN，N=8，因此，每一级的增益δ =4.227，另外， SbCs倍增极材料的增益δ 与极间电压UDD有， ， 0.7 0 . 2 ( U ) 可以计算出 δ =4.227时的极间电压UDD DD
U DD / 0.2 78V
0.7
总电源电压Ubb为 :
Ubb=（N+1.5）UDD=741V
图4-12
2、TRFIA的测量原理
图4-13

思考题与习题4
4.14 光电倍增管GDB44F的阴极光照灵敏度为0.5μA/lm， 阳极光照灵敏度为 50A/lm，长期使用时阳极允许电流应 限制在2μA以内。 问: 1）阴极面上最大允许的光通量为多少lm？
2）当阳极电阻为75KΩ时，问其最大的输出电压为多 少？
4.15 试用表4-4所示的光电倍增管GDB-151设计探测光谱 强度为2×10-9lm的光谱时，若要求输出信号电压不小于 0.3mV，稳定度要求高于0.1%，试设计该光电倍增管的供 电电路。
4.16 设入射到PMT光敏面上的最大光通量为φ v=8×106lm左右，当采用GDB-239型倍增管为光电探测器探测入 射，已知GDB-239为11级的光电倍增管，阴极为AgOCs阴 极，倍增极为AgMg合金材料，阴极灵敏度为10μ A/lm， 若要求入射在8×10-6lm时的输出电压幅度不低于0.15V， 试设计该PMT的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到 0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达 到多少？
(2) 计算偏置电路电阻链的阻值
偏置电路采用如图4-8所示的供电电路，设流过电阻链 的电流为IRi，流过阳极电阻Ra的最大电流为
Iam=GSKφvm=1.02×105×40×10-6×12×10-6=48.96μA
取IRi≥10 Iam，则
IRi=500μA
因此，电阻链的阻值Ri= UDD/ IRi=156kΩ 取Ri=120 kΩ，R1=1.5Ri=180 kΩ。 (3) 计算偏置根据式（4-33）输出信号电压的稳定度最 高为 U bb U N 8 0.01% 0.08% U U bb
1、电阻链的设计
考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级的 电子流按放大倍率分布，其中，阳极电流Ia最大。因此， 电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但是，当 流过分压电阻的电流IR远远大于Ia时，即 IR ＞＞ Ia时，流 过各分压电阻Ri的电流近似相等。工程上常设计IR大于等 于10倍的Ia电流。
例4-1 设入射到PMT上的最大光通量为φ v=12×10-6 lm 左右，当采用GDB-235型倍增管为光电探测器，已知它 的倍增级数为8级，阴极为SbCs材料，倍增极也为SbCs 材料，SK=40μ A/lm。若要求入射光通量在6×10-6lm时 的输出电压幅度不低于0.2V，试设计该PMT的变换电路。 若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换 电路输出信号的稳定度最高能达到多少？
70NI am C1 LU DD
式中N为倍增极数，Iam为阳极峰值电流，τ 为脉冲的 持续时间，UDD为极间电压，L为增益稳定度的百分数。
C2
C1

C3
2
C1
4、电源电压的稳定度
对式（4-8）与式（4-9）进行微分，并用增量形式 表示，可得到光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压 稳定度的关系 U bb G G U DD 0.7 N 对锑化铯倍增极 G 0.7 N U G U bb DD
极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数δ， 或管子的增益G。因此，根据增益G的要求可以设计出极 间供电电压UDD与电源电压Ubb。
由 G (0.2) U
N
0.7N DD
G (0.025) U
N
N DD
可以计算出UDD与Ubb。
3、末极的并联电容
当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级 倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管 增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、 C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。 电容C1、C2与C3的计算公式为
4.4 光电倍增管的供电电路
光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点， 使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为 首选的光电探测器。
电阻链分压型供电电路
光电倍增管的供电电路种类很多，可以根据应用的 情况设计出各具特色的供电电路。本节介绍最常用的电 阻分压式供电电路。
如图 4-8 所示为典型光电倍增管的电阻分压式供电 电路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向10级 倍增极提供电压UDD。
光电倍增管不但具有极高的光电灵敏度、极快的响应 速度、极低的暗电流低和噪声，还能够在很大范围内调 整内增益。因此，它在微光探测、快速光子计数和微光 时域分析等领域得到广泛的应用。
光谱探测领域的应用
1、发射光谱
发射光谱分析仪的基 本原理如图4-9所示
图4-9
2、吸收光谱
吸收光谱仪是光谱分析中的另一种重要的仪器。吸 收光谱仪的原理图如图4-10所示，它与发射光谱仪的主 要差别是光源。
例4-2 如果GDB-235的阳极最大输出电流为2mA，试
问阴极面上的入射光通量不能超过多少lm？
解 由于Iam=G SKφVm
故阴极面上的入射光通量不能超过
Vm
2 10 3 I am /G S K 0.4910 (lm) 5 6 1.0210 4010
3
4.5 光电倍增管的典型应用
解 (1) 首先计算供电电源的电压
根据题目对输出电压幅度的要求和PMT的噪声特性，可以 选择阳极电阻Ra=82kΩ ，阳极电流应不小于Iamin，因此
Iamin=UO/Ra=0.2V /82 kΩ=2.439μA 入射光通量为0.6×10-6lm时的阴极电流为 IK= SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA 此时，PMT的增益G应为 I a min 2.439 5 G 1 . 02 10 IK 24106
1、时间分辨荧光免疫分析法TRFIA的原理
时间分辨荧光免疫分析法是用镧系元素为标记物， 标记抗原或抗体，用时间分辨技术测量荧光，同时利用 波长和时间两种分辨，极其有效地排除了非特异荧光的 干扰，大大地提高了分析灵敏度。
图4-11所示为镧系元素螯合物与典型配位体β -NTA 的吸收光谱与发光光谱图。图中曲线1为镧系元素螯合物 与配位体β -NTA的吸收光谱。由曲线1可以看出螯合物与 配位体β -NTA对320~360 nm的紫外光具有很高的吸收， 因此，常用含有320~360 nm光的脉冲氙灯或氮激光器为 激发光源使装载配位体的螯合物激发荧光。 Eu3+β -NTA螯合物在激 发光源的作用下将发出如图中 曲线2与3所示的荧光光谱。曲 线3光谱载荷着配位体β -NTA 的信息。 图4-11为双坐标曲线图， 其中re,r为螯合物的相对吸收系 数，Iv为螯合物激发出的荧光 光强。