CN110426731A - 一种门控光电倍增管第一打拿极的控制电路 - Google Patents

Abstract

一种门控光电倍增管第一打拿极的控制电路，包括：光电倍增管分压电路主路，一端配置为与待控制光电倍增管阴极相连，另一端配置为接地；第一打拿极门控支路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和一场效应管，其中所述电阻R1、电阻R2和电阻R3为串联连接，电阻R1的一端连接电源，电阻R3的一端配置为接地，所述电阻R1和电阻R2的连接点配置为连接待控制光电倍增管的第一打拿极，所述场效应管一端与电阻R2和电阻R3的连接点相连，另一端配置为接地；场效应管控制器，与所述场效应管连接，用于控制所述场效应管的导通或截止。

Description

一种门控光电倍增管第一打拿极的控制电路

技术领域

本发明涉及核探测、能谱分析等技术领域，具体涉及一种门控光电倍增管的控制电路。

背景技术

光电倍增管是具有很高灵敏度和较宽线性动态测量范围的光脉冲探测器。调整光电倍增管各个打拿极的偏置电压值，可以使光电倍增管工作在特定的线性区。在核探测领域，光电倍增管与闪烁体组合成闪烁探测器，应用于不同需求的场合中，有些场合需要探测器工作在高计数率条件下。在高计数率条件下，电子学系统为了保证信号不出错，采用直流耦合方式传输数据。此时光电倍增管的输出信号会受到各种因素的干扰，进而导致能谱测量时能谱发生偏移现象，这将严重影响数据分析的精度。对于这种现象，定期重置光电倍增管的输出就可以排除干扰，使能谱稳定，不发生偏移。通过重置光电倍增管的输出可以由光电倍增管门控电路来实现。

目前，解决这一问题的方法主要有五类技术。分别是：对高压电源门控、对光阴极门控、对多个打拿极成组门控、对聚焦极门控以及对第一打拿极门控。

高压电源门控的方法，高压电源一旦被撤销再恢复，电路会产生大量状态变化，而且不能保证电压恢复至跟初始完全一样的状态。这样一来，电路状态一旦发生变化，在能谱测量时，测量结果就会发生变化，进而影响能谱分析的结果。故此方法并不适用。

光阴极门控的方法，具体实现在分压电路上并不容易操作，需要使用特殊部件来实现，因此也并不适用。

多个打拿极成组门控的方法，此方法对于某些特定结构的光电倍增管是有效的，例如环状聚焦型等；相反，对于直线型光电倍增管，此方法将多个打拿极短路以后，前后打拿极仍有电压差，一些漂移电子仍然会被电场加速，最终形成脉冲输出。此方法不能完全保证门控功能实现，因此此方法不适用。

聚焦极门控方法，适用于有聚焦极的光电倍增管。通过调整与测试可以达到完全控制光电倍增管输出的目标，不能适用于所有种类的光电倍增管。

第一打拿极门控方法，此方法可以通过对第一打拿极单独进行门控，通过电场反向的方法完全控制光电倍增管的通与断，而且不改变电路的工作状态，适用于能谱探测领域。然而，利用此方法制作的门控电路，目前还没有可以实现对任意类型光电倍增管都可以成功操作的结构简单的门控电路。因此，本领域急需一种对任意类型光电倍增管实现门控功能的门控电路设计。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出了一种门控光电倍增管第一打拿极的控制电路，以至少部分填补通过第一打拿极门控方法，实现适用于任意类型光电倍增管且结构简单的门控电路的空白。

(二)技术方案

本发明的目的是提出一种可以实现任意种类光电倍增管输出控制功能的门控电路，并提出其具体的电路结构和控制方法。

为实现上述目的，本发明提出利用耐高压场效应管门控第一打拿极的方案，具体方法是，在光电倍增管的分压电路上，增加一条支路专门给第一打拿极提供偏置电压，并且通过改变支路中场效应管的工作状态来调节支路上某一节点的电压值，进而调整第一打拿极的电压值。

根据本发明的一方面，提供了一种门控光电倍增管第一打拿极的控制电路，包括：光电倍增管分压电路主路，一端配置为与待控制光电倍增管阴极相连，另一端配置为接地；第一打拿极门控支路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和一场效应管，其中所述电阻R1、电阻R2和电阻R3为串联连接，电阻R1的一端连接电源，电阻R3的一端配置为接地，所述电阻R1和电阻R2的连接点配置为连接待控制光电倍增管的第一打拿极，所述场效应管一端与电阻R2和电阻R3的连接点相连，另一端配置为接地；场效应管控制器，与所述场效应管连接，用于控制所述场效应管的导通或截止。

在进一步的方案中，所述的光电倍增管分压电路主路包括多个电阻和多个电容，其中所述多个电阻为串联，所述多个电容与所述多个电阻逐一并联，此外，该光电倍增管分压电路主路与待控制光电倍增管阴极相连的一端还连接有一电阻R0。

在进一步的方案中，所述第一打拿极门控支路的电阻R1、电阻R2和电阻R3为串联连接，所述场效应管与电阻R3并联，当场效应管控制器控制场效应管为截止状态时，电阻R3提供分压，则待控制光电倍增管第一打拿极的电压为：

V_DY1a＝-HV·(R2+R3)/(R1+R2+R3)

其中-HV为待控制光电倍增管供电电压，R1、R2和R3分别为所述第一打拿极门控支路内电阻R1、电阻R2和电阻R3的阻值。

当场效应管控制器控制场效应管为导通状态时，电阻R3被局部短路，不提供分压，则待控制光电倍增管第一打拿极的电压为：

V_DY1b＝-HV·R2/(R1+R2)

这样待控制光电倍增管第一打拿极的电压就存在两个电压值状态，而且该两个电压值可以通过场效应管控制器来互相切换，在进一步的方案中，通过计算第一打拿极所需要的分压值，调整第一打拿极门控支路的电阻R1、电阻R2和电阻R3的阻值，使V_DY1b处于待控制光电倍增管阴极和待控制光电倍增管第二打拿级的分压值之间，进而使待控制光电倍增管电路处于正常工作状态，信号正常输出；使V_Dy1a低于待控制光电倍增管阴极的分压值或者高于待控制光电倍增管第二打拿级的分压值，则待控制光电倍增管第一打拿极与待控制光电倍增管阴极或者待控制光电倍增管第二打拿级之间的电场方向反转，进而使光电倍增管的输出中断。

在进一步的方案中，所述待控制光电倍增管供电电压为负电压输出。

在进一步的方案中，所述场效应管为P沟道场效应管，在截止状态下耐压值的条件为：

|V_gs|＞|HV|·R3/(R1+R2+R3)。

在本发明的另一方面，还提供了一种实现门控光电倍增管的方法，包括：

步骤一：通过场效应管控制器给场效应管施加一个高电平，使场效应管处于截止工作态，进而使待控制光电倍增管第一打拿级工作电压低于其阴极的电压，获取其基线电平信号；

步骤二：通过场效应管控制器给场效应管施加一个低电平，使场效应管处于导通工作态，进而使待控制光电倍增管第一打拿级工作电压升高至高于其阴极的电压，使其输出脉冲信号；

步骤三：重复步骤一和步骤二。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的门控光电倍增管第一打拿极的控制电路通过改变场效应管的通断状态，控制光电倍增管第一打拿极的电压，进而控制光电倍增管的工作状态，同时，通过设置第一打拿极门控支路的电阻阻值可以控制任意类型光电倍增管的工作状态。

附图说明

图1是本发明实施例的门控光电倍增管第一打拿极的控制电路。

图2是本发明另一实施例的门控光电倍增管第一打拿极的控制电路。

图3是本发明实施例的运行流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种门控光电倍增管第一打拿极的控制电路，图1为本发明实施例的门控光电倍增管第一打拿极的控制电路，如图1所示，包括：光电倍增管分压电路主路，一端配置为与待控制光电倍增管阴极相连，另一端配置为接地；第一打拿极门控支路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和一场效应管，其中所述电阻R1、电阻R2和电阻R3为串联连接，电阻R1的一端连接电源，电阻R3的一端配置为接地，所述电阻R1和电阻R2的连接点配置为连接待控制光电倍增管的第一打拿极，所述场效应管一端与电阻R2和电阻R3的连接点相连，另一端配置为接地；场效应管控制器，与所述场效应管连接，用于控制所述场效应管的导通或截止。

所述的光电倍增管分压电路主路包括多个电阻和多个电容，其中所述多个电阻为串联，所述多个电容与所述多个电阻逐一并联，此外，该光电倍增管分压电路主路与待控制光电倍增管阴极相连的一端还连接有一电阻R0。

图2是本发明另一实施例的门控光电倍增管第一打拿极的控制电路，如图2所示，所述光电倍增管包括10个打拿极，同时，还包括一高压电源模块，配置为连接于光电倍增管阴极，用于为所述光电倍增管提供电源。

在本实施例中，所述高压电源模块和光电倍增管阴极之间，还设置一电阻R0，由于R0的存在，光电倍增管阴极的电压高于高压电源模块输出的电压。

在本实施例中，所述光电倍增管分压电路主路包括11个电阻，R4至R14，以及三个电容C3至C5，其中所述电阻R4至R14为串联连接，电容C3与R12并联，C4与R13并联，C5与R14并联，光电倍增管第二打拿极电压由电阻R5和电阻R6的分路电压提供，光电倍增管第三打拿极电压由电阻R6和电阻R7的分路电压提供，以此类推。

在本实施例中，电阻R6到R13电阻的取值相等，使光电倍增管在正常工作时，电压逐级上升，形成均匀的加速电场，有利于电子被电场加速而被下一级收集，电阻R4与R5的取值取决于所述第一打拿极门控支路上电阻R1到R3电阻的取值。

在本实施例中，如图2所述，光电倍增管第一打拿极电压由第一打拿极门控支路提供，所述第一打拿极门控支路的电阻R1、电阻R2和电阻R3为串联连接，所述场效应管与电阻R3并联，当场效应管控制器控制场效应管为截止状态时，电阻R3提供分压，则待控制光电倍增管第一打拿极的电压为：

V_DYla＝-HV·(R2+R3)/(R1+R2+R3)

其中-HV为待控制光电倍增管供电电压，R1、R2和R3分别为所述第一打拿极门控支路内电阻R1、电阻R2和电阻R3的阻值。

当场效应管控制器控制场效应管为导通状态时，电阻R3被局部短路，不提供分压，则待控制光电倍增管第一打拿极的电压为：

V_DY1b＝-HV·R2/(R1+R2)

这样待控制光电倍增管第一打拿极的电压就存在两个电压值状态，而且该两个电压值可以通过场效应管控制器来互相切换，在进一步的方案中，通过计算第一打拿极所需要的分压值，调整第一打拿极门控支路的电阻R1、电阻R2和电阻R3的阻值，V_DY1b使处于待控制光电倍增管阴极和待控制光电倍增管第二打拿级的分压值之间，进而使待控制光电倍增管电路处于正常工作状态，信号正常输出；使V_DY1a低于待控制光电倍增管阴极的分压值或者高于待控制光电倍增管第二打拿级的分压值，则待控制光电倍增管第一打拿极与待控制光电倍增管阴极或者待控制光电倍增管第二打拿级之间的电场方向反转，进而使光电倍增管的输出中断。

在本实施例中，高压电源模块输出HV，主路上各元件取值为R0＝5R，R4＝4R，R5＝1R，R6-R13＝2R，R14＝5R，C1-C3＝10nF，由此可以推出，光电倍增管阴极电压为0.83HV，第二打拿极电压为0.67HV(其中HV＝-1200v，R＝160kΩ)；第一打拿极的控制电路各元件的取值为R1＝3R，R2＝9R，R3＝7.1R，则在场效应管为截止状态时，第一打拿极电压V_DY1a为0.84HV，在场效应管为导通状态时，第一打拿极电压V_DY1b为0.75HV。

在本实施例中，由于所述高压电源模块是负电压输出，所以所述场效应管必须是P沟道场相应管，否则无法工作在两种工作状态下，而且该场效应管的耐压值需要满足以下条件，在截止状态下，Vgs需要大于|HV|·R3/(R1+R2+R3)，否则会由于过高的耐压而被击穿，导致器件损坏。

此外，在本发明还提供了一种实现门控光电倍增管的方法，系统进行测量能谱之前，需要获取系统的基线电平，此基线电平是所采集能谱的能量零点的参考电平。当光电倍增管的输出被关闭时，即光电倍增管不输出脉冲信号时，此时利用电子学系统采集光电倍增管的输出电平，这时的电平就是系统的基线电平，当光电倍增管被打开，处于正常工作状态时，光电倍增管输出的脉冲信号叠加在上面所述基线电平上。

图3是本发明实施例的运行流程图，如图3所示，包括：

通过场效应管控制器使场效应管处于截止工作态，第一打拿极的电压低于光电倍增管阴极的电压，阴极与第一打拿极之间电场方向反偏，阴极产生的电子不能被加速到下一打拿极，光电倍增管不能正常输出脉冲信号，光电倍增管门控电路上的其他部分的各个电阻、电容上的电压值都等于它们在光电倍增管正常工作时各自的电压值，位于第一打拿极门控支路上的场效应管的工作状态变化并不影响光电倍增管分压电路主路上的元件的工作状态，此时由电子学系统获取光电倍增管的输出电平，更新基线。

更新基线后，通过场效应管控制器使场效应管变为导通工作态，此时第一打拿极门控支路上，电阻R3被局部短路，第一打拿极的电压因此而升高，通过选择合适的电阻取值，使第一打拿极的电压处于光电倍增管阴极和第二打拿级的电压之间，电场使电子正常加速，光电倍增管处于正常倍增放大工作状态，进而，光电倍增管有脉冲信号输出，电子学系统可以正常采集能谱。

采集能谱结束后，基线有可能在测量能谱期间发生变化，此时关闭光电倍增管的输出，重新获取并更新系统的基线水平，利用场效应管控制器，改变场效应管的工作状态到截止工作态，电场反向，光电倍增管信号不再输出，然后，开始下一个测量阶段，由此进入工作状态的循环。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种门控光电倍增管第一打拿极的控制电路，包括：

光电倍增管分压电路主路，一端配置为与待控制光电倍增管阴极相连，另一端配置为接地；

第一打拿极门控支路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和一场效应管，其中所述电阻R1、电阻R2和电阻R3为串联连接，电阻R1的一端连接电源，电阻R3的一端配置为接地，所述电阻R1和电阻R2的连接点配置为连接待控制光电倍增管的第一打拿极，所述场效应管一端与电阻R2和电阻R3的连接点相连，另一端配置为接地；

场效应管控制器，与所述场效应管连接，用于控制所述场效应管的导通或截止。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述的光电倍增管分压电路主路包括多个电阻和多个电容，其中所述多个电阻为串联，所述多个电容与所述多个电阻逐一并联。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述的光电倍增管分压电路主路与待控制光电倍增管阴极相连的一端还连接有一电阻R0。

4.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述的待控制光电倍增管第一打拿极的电压在所述场效应管控制器使所述场效应管截止时为：

V_DY1a＝-HV·(R2+R3)/(R1+R2+R3)

所述场效应管控制器使所述场效应管导通时为：

V_DY1b＝-HV·R2/(R1+R2)

其中-HV为待控制光电倍增管供电电压；

R1、R2和R3分别为所述第一打拿极门控支路内电阻R1、电阻R2和电阻R3的阻值。

5.根据权利要求4所述的控制电路，其中所述待控制光电倍增管供电电压为负电压输出。

6.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述场效应管为P沟道场效应管。

7.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述场效应管在截止状态下耐压值的条件为：

|V_gs|＞|HV|·R3/(R1+R2+R3)。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的电路实现门控光电倍增管的方法，包括：

步骤一：通过场效应管控制器给场效应管施加一个高电平，使场效应管处于截止工作态，进而使待控制光电倍增管第一打拿级工作电压低于其阴极的电压，获取其基线电平信号；

步骤二：通过场效应管控制器给场效应管施加一个低电平，使场效应管处于导通工作态，进而使待控制光电倍增管第一打拿级工作电压升高至高于其阴极的电压，使其输出脉冲信号；

步骤三：重复步骤一和步骤二。