CN104753512A - 一种用于计数光电倍增管的快速开关调制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于计数光电倍增管的快速开关调制系统，包括有信号发生器、高压开关电路、高压叠加电路和光电倍增管，所述的信号发生器的输出端与高压开关电路的输入端连接，高压开关电路输出电压为HV1，高压开关电路的输出端与高压叠加电路的输入端连接，高压叠加电路的另一输入端有固定电压HV2输入，高压叠加电路输出电压HV3，HV3=HV1+HV2，高压叠加电路的输出端与光电倍增管的阴极连接，光电倍增管的第一倍增极有固定电压HV4输入。本发明使用高压开关电路，具有超短的延迟时间和上升（下降）沿时间，实现电压的快速通断和转换；本发明使用的高压叠加电路稳定高效，噪声干扰小。

Description

一种用于计数光电倍增管的快速开关调制系统

技术领域

    本发明涉及荧光、光子信号探测技术领域，尤其涉及一种用于计数光电倍增管的快速开关调制系统。

背景技术

激光诱导荧光技术测量OH自由基技术主要是使用激光激发大气中的自由基基团，使其跃迁至高能级，然后由于其状态不稳定跃迁回低能级，同时产生荧光。使用计数光电倍增管和光子计数器测量产生的荧光信号，以此分析OH自由基浓度。

由于自由基浓度特别低，且较为活跃，激发产生的荧光信号寿命短（低压下约160ns），其监测和测量需要在很短的时间内进行。同时由于激发光与荧光处于相同波长，难以通过滤光片去除激光杂散光的干扰，需要对光电倍增管进行门控，在激光杂散光强的时候，关断计数光电倍增管，避免激光杂散光对计数光电倍增管的损坏。在激发光过后约100ns，快速开启（小于20ns）计数光电倍增管，开始测量荧光信号。快速开关需要高速稳定的控制电路。同时为了增加采样时间段内的荧光总强度，需要采用高重复频率（5kHz-10kHz）的激光光源，因此需要门控电路的快速转换。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于计数光电倍增管的快速开关调制系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于计数光电倍增管的快速开关调制系统，包括有信号发生器、高压开关电路、高压叠加电路和光电倍增管，所述的信号发生器的输出端与高压开关电路的输入端连接，高压开关电路输出电压为HV1，高压开关电路的输出端与高压叠加电路的输入端连接，高压叠加电路的另一输入端有固定电压HV2输入，高压叠加电路输出电压HV3，HV3=HV1+HV2，高压叠加电路的输出端与光电倍增管的阴极连接，光电倍增管的第一倍增极有固定电压HV4输入；通过信号发生器产生的TTL信号控制高压开关电路的输出，TTL信号为低电平时，高压开关电路关闭，HV1为0，HV3小于HV4，光电倍增管关闭，TTL信号为高电平时，高压开关电路开启，HV1大于0，HV3大于HV4，光电倍增管开启。

所述的高压叠加电路包括有电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C5和电容C6，电阻R3的一端连接高压开关电路的输出端，另一端接地，将电阻R4、电容C6和电阻R5依次串联，电阻R4的另一端连接高压开关电路的输出端，电容R5的另一端为固定电压HV2的输入端，电容C6和电阻R5之间输出电压HV3，电容C5的一端连接在电阻R4和电容C6之间，另一端接地。

所述的高压开关电路包括有电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C10和电容C7、电容C8，以及高速光耦U1、反相驱动器U2、高速MOS管驱动器U3、MOS管Q1，将电阻R7和电阻R6串联，电容C7与电阻R6并联，电阻R6的另一端连接高速光耦U1内部二极管的正极，二极管的负极和电阻R7均连接所述的信号发生器的输出端，所述的反相驱动器U2的输入端和电阻R8的一端均连接高速光耦内部光敏三极管的集电极，电阻R8的另一端连接5V电源，反相驱动器U2的输出端连接高速MOS管驱动器U3的IN脚，高速MOS管驱动器U3的VCC脚连接5V电源，GND脚和光敏三极管的发射极均接地，高速MOS管驱动器U3的OUT脚连接电容C8的一端，电容C8的另一端分别连接电阻R10和电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接1V电源的负极，电阻R10的另一端连接MOS管Q1的栅极，1V电源的正极连接MOS管Q1的漏极，MOS管Q1的漏极和原极分别为高压输入端和高压输出端。

所述的高速光耦U1的信号为6N137；所述的反相驱动器U2的型号为7404；所述的高速MOS管驱动器U3的型号为IXDN414。

通过TTL信号控制高压开关的通断，以此改变光电倍增管阴极的叠加电压，结合倍增管设计原理，通过控制阴极与第一倍增极间的电势差来控制倍增管的通断，在高重频光源和信号条件下，实现特定时间内的信号选择测量。

所述的快速高压转换开关电路由高速开关MOS管、MOS管驱动电路、TTL信号输入电路、逻辑电源输入、高压输入、高压输出电路组成。快速高压转换开关电路具有很快的响应速度，通过TTL信号触发后，开关打开时间非常短，小于20ns。在高频TTL信号下可以进行快速的电压转换。即实现将快速高压转换开关电路输入的高电压按TTL信号的变化规律从其输出端输出。

所述的高压叠加电路稳定可靠，实现高压的精确叠加。带有高频干扰滤波设计，可以减少电源和开关的干扰噪声。

所述的光电倍增管分压电路经过精确计算，根据内部电路设计阴极和第一倍增极的电压设定及其外围电路，实现电压电流合理稳定。使用高压开关控制阴极电压高于或低于第一倍增极所加电压，来实现倍增管的开启或关闭。

所述的光电倍增管是高灵敏高增益倍增管，或可选择MCP。

本发明的优点是：1、本发明使用高压开关电路，具有超短的延迟时间和上升（下降）沿时间，实现电压的快速通断和转换；

2、本发明使用的高压叠加电路稳定高效，噪声干扰小；

3、本发明结合倍增管内部结构设计电压供给和外围电路，通过阴极上的电压变化来实现光电倍增管的通断，实现信号的选择测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明高压叠加电路图。

图3为高压开关电路与高压叠加电路连接电路图。

图4为高压开关电路图。

图5为光电倍增管分压电路图。

图6为电压变换示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于计数光电倍增管的快速开关调制系统，包括有信号发生器1、高压开关电路2、高压叠加电路3和光电倍增管4，所述的信号发生器1的输出端与高压开关电路2的输入端连接，高压开关电路2输出电压为HV1，高压开关电路2的输出端与高压叠加电路3的输入端连接，高压叠加电路3的另一输入端有固定电压HV2输入，高压叠加电路3输出电压HV3，HV3=HV1+HV2，高压叠加电路3的输出端与光电倍增管4的阴极连接，光电倍增管4的第一倍增极有固定电压HV4输入；通过信号发生器1产生的TTL信号控制高压开关电路2的输出，TTL信号为低电平时，高压开关电路2关闭，HV1为0，HV3小于HV4，光电倍增管4关闭，TTL信号为高电平时，高压开关电路2开启，HV1大于0，HV3大于HV4，光电倍增管4开启。

如图2所示，所述的高压叠加电路3包括有电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C5和电容C6，电阻R3的一端连接高压开关电路的输出端，另一端接地，将电阻R4、电容C6和电阻R5依次串联，电阻R4的另一端连接高压开关电路的输出端，电容R5的另一端为固定电压HV2的输入端，电容C6和电阻R5之间输出电压HV3，电容C5的一端连接在电阻R4和电容C6之间，另一端接地。

如图3、5所示，系统采用通过信号发生器1产生的TTL信号控制高压开关电路2的输出，TTL信号连接到高压开关电路2的Ctrl端，5V逻辑电源连接到高压开关电路2的VCC端，通过连接到地的电容C1进行缓冲。需要控制的高压连接到高压开关电路2的高压输入端。在5V逻辑电源供电的情况下，当TTL信号为低电平时，高压开关电路2内的MOS管驱动电路输出低电平，从而控制高速开关MOS管截止，即开关关闭，高压开关电路2的高压输出端输出电压为0（HV1=0）；当TTL信号为高电平时，高压开关电路2内的MOS管驱动电路输出高电平，从而控制高速开关MOS管导通，即开关开启，高压开关电路2的高压输出端输出电压为HV（HV1=HV）。开关正负输出间通过电阻R2和电容C3相连，同时使用电容C2连接到地，减少输出电压HV1的高频干扰。开关可实现在高重复频率（5kHz-10kHz）的调制和转换。

如图4所示，所述的高压开关电路2包括有电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C10和电容C7、电容C8，以及高速光耦U1、反相驱动器U2、高速MOS管驱动器U3、MOS管Q1，将电阻R7和电阻R6串联，电容C7与电阻R6并联，电阻R6的另一端连接高速光耦U1内部二极管的正极，二极管的负极和电阻R7均连接所述的信号发生器的输出端，所述的反相驱动器U2的输入端和电阻R8的一端均连接高速光耦内部光敏三极管的集电极，电阻R8的另一端连接5V电源，反相驱动器U2的输出端连接高速MOS管驱动器U3的IN脚，高速MOS管驱动器U3的VCC脚连接5V电源，GND脚和光敏三极管的发射极均接地，高速MOS管驱动器U3的OUT脚连接电容C8的一端，电容C8的另一端分别连接电阻R10和电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接1V电源的负极，电阻R10的另一端连接MOS管Q1的栅极，1V电源的正极连接MOS管Q1的漏极，MOS管Q1的漏极和原极分别为高压输入端和高压输出端。

所述的高速光耦U1的信号为6N137；所述的反相驱动器U2的型号为7404；所述的高速MOS管驱动器U3的型号为IXDN414。

外部输入的TTL信号首先经过高压开关电路2内部的电阻R6,R7限流后，控制高速光耦U1输入端发光二极管，当外部输入端为高电平时，二极管发光，U1的光敏三极管感光导通，使反相驱动器U2的输入端为低电平，U2输出高电平，这个高电平输入到高速MOS管驱动器U3，U3的输出端OUT也为高电平，经过电容C7耦合到MOS管Q1的栅极，在R9、R10和1V电源的共同作用下使MOS管Q1导通，即高压输入HV通过Q1输出同样幅值的高压，即HV1=HV。当外部输入端为低电平时，二极管不发光，U1的光敏三极管截止，使反相驱动器U2的输入端为高电平，U2输出低电平，这个低电平输入到高速MOS管驱动器U3，U3的输出端OUT也为低电平，经过电容C8耦合到MOS管Q1的栅极，在R9、R10和1V电源的共同作用下使MOS管Q1截止，即高压输入HV不能通过Q1输出，即HV1=0。

来自高压开关电路2高压输出端的脉冲高压HV1，经过高压叠加电路3中的电阻R3、R4、电容C5、C6优化下降沿时间和去除噪声干扰，其中HV1通过R3连接到地，R4一端连接到HV1、另一端与电容C6串联，R4、C6之间通过C5与地相连。固定电压HV2经过电阻R5后，与HV1进行叠加，在电阻R5和电容C6之间获得叠加电压HV3。再将HV3加到计数光电倍增管4的光电阴极，同时在光电倍增管第一倍增极上加另一个固定电压HV4（HV2<HV4<（HV2+HV1））。高压开关HV1开通时，HV3大于HV4，光电倍增管开启；HV1关闭（为0）时，HV3小于HV4，光电倍增管关闭，整体电压变化实例如图5所示。

通过上述过程实现不同时间段内的信号测量和超快门控转换，在特定时序获取激活倍增管功能，测量高重频光源下产生的荧光信号。

Claims (4)

1.一种用于计数光电倍增管的快速开关调制系统，其特征在于：包括有信号发生器、高压开关电路、高压叠加电路和光电倍增管，所述的信号发生器的输出端与高压开关电路的输入端连接，高压开关电路输出电压为HV1，高压开关电路的输出端与高压叠加电路的输入端连接，高压叠加电路的另一输入端有固定电压HV2输入，高压叠加电路输出电压HV3，HV3=HV1+HV2，高压叠加电路的输出端与光电倍增管的阴极连接，光电倍增管的第一倍增极有固定电压HV4输入；通过信号发生器产生的TTL信号控制高压开关电路的输出，TTL信号为低电平时，高压开关电路关闭，HV1为0，HV3小于HV4，光电倍增管关闭，TTL信号为高电平时，高压开关电路开启，HV1大于0，HV3大于HV4，光电倍增管开启。

2.根据权利要求1所述的一种用于计数光电倍增管的快速开关调制系统，其特征在于：所述的高压叠加电路包括有电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C5和电容C6，电阻R3的一端连接高压开关电路的输出端，另一端接地，将电阻R4、电容C6和电阻R5依次串联，电阻R4的另一端连接高压开关电路的输出端，电容R5的另一端为固定电压HV2的输入端，电容C6和电阻R5之间输出电压HV3，电容C5的一端连接在电阻R4和电容C6之间，另一端接地。

3.根据权利要求1所述的一种用于计数光电倍增管的快速开关调制系统，其特征在于：所述的高压开关电路包括有电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C10和电容C7、电容C8，以及高速光耦U1、反相驱动器U2、高速MOS管驱动器U3、MOS管Q1，将电阻R7和电阻R6串联，电容C7与电阻R6并联，电阻R6的另一端连接高速光耦U1内部二极管的正极，二极管的负极和电阻R7均连接所述的信号发生器的输出端，所述的反相驱动器U2的输入端和电阻R8的一端均连接高速光耦内部光敏三极管的集电极，电阻R8的另一端连接5V电源，反相驱动器U2的输出端连接高速MOS管驱动器U3的IN脚，高速MOS管驱动器U3的VCC脚连接5V电源，GND脚和光敏三极管的发射极均接地，高速MOS管驱动器U3的OUT脚连接电容C8的一端，电容C8的另一端分别连接电阻R10和电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接1V电源的负极，电阻R10的另一端连接MOS管Q1的栅极，1V电源的正极连接MOS管Q1的漏极，MOS管Q1的漏极和原极分别为高压输入端和高压输出端。

4.根据权利要求1所述的一种用于计数光电倍增管的快速开关调制系统，其特征在于：所述的高速光耦U1的信号为6N137；所述的反相驱动器U2的型号为7404；所述的高速MOS管驱动器U3的型号为IXDN414。