如何挑选光电倍增管用高压电源,看这一篇就够了
来源:滨松光子 | 作者:李洪刚 | 发布时间: 658天前 | 1278 次浏览 | 分享到:
高压电源主要功能是为PMT提供正常工作所需的高压,目前PMT用高压电源绝大部分是DC-DC式高压电源,其工作原理是将输入直流电压转变为高频交流电压,然后通过变压器升压,最终经过整流、滤波转换为直流高压输出,再通过反馈控制电路保证输出高压的稳定
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01.猜猜我是谁?



我是光电倍增管(PMT)的灵魂搭档,
没有我PMT根本无法工作。
别看我个头小,
却能将输入电压升高几十,
甚至几百倍。
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 答案 :高压电源 
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北京滨松高压电源系列产品

左:CC228/CC255系列 中:CC238系列 右:CC356系列



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02.关于高压电源

高压电源主要功能是为PMT提供正常工作所需的高压,目前PMT用高压电源绝大部分是DC-DC式高压电源,其工作原理是将输入直流电压转变为高频交流电压,然后通过变压器升压,最终经过整流、滤波转换为直流高压输出,再通过反馈控制电路保证输出高压的稳定(图1)。
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图1 DC-DC高压电源工作原理框图

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03.高压电源的重要指标




特性指标:如高压电源输出高压的极性、输出高压及调节范围、输出电流等;
质量指标:该类指标反映了高压电源的优劣,如输入电压调整率、负载调整率、纹波、温度系数以及稳定性等。

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04.如何选择合适的高压电源


特性指标选择 


1.输出高压极性选择:PMT既可以工作在正高压下(图2),也可以工作在负高压下(图3)。选用负高压时,PMT可以工作在直流模式、交流模式或脉冲模式;而选用正高压时,输出端加隔直电容,因此PMT只能工作在交流模式或脉冲模式。
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图2 阴极接地阳极接正高压
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图3 阳极接地阴极接负高压


2.输出高压选择:高压电源最大输出高压最好不超过PMT最高工作电压,防止因误操作致高压过高,从而对PMT造成损伤。另外,输出高压需要在一定范围内连续可调,以便为PMT设置工作点。

3.输出电流选择:高压电源配合PMT工作时,实际输出电流约为PMT所加高压除以分压器电阻的总和。以图2为例,高压电源实际输出电流Id的计算,见公式(1):


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公式(1)


为保证工作稳定可靠,选择高压电源输出电流能力时,最好按PMT最大工作电压除以分压器电阻总和,所得电流值的1.5倍进行考虑。比如CR131型PMT,其最大工作电压为1250V,分压器电阻总和为3.3MΩ,即电流为1250V/3.3MΩ=0.38mA,再乘以1.5为0.57mA,所以选择高压电源输出电流时最好≥0.5mA。


质量指标选择  
PMT电流增益的计算方法见公式(2)
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公式(2)


其中:μ为PMT电流增益;A为一固定系数,与收集效率、倍增级数、以及k有关;V为PMT工作电压;k由电极结构和材料决定,一般取0.7~0.8;n倍增级数。

按工作电压1000V、倍增极10级、k取0.8计算,当PMT输出信号变化(即PMT电流增益变化)1%时,通过公式(2)计算可得工作电压V变动0.124%。所以要想保证PMT输出信号稳定性在1%以内,高压电源输出高压的综合稳定性必须小于0.1%,也就是说高压电源输出高压的综合稳定性至少要优于所要求的PMT稳定性1个数量级。

高压电源输出高压的综合稳定性与其各项质量指标有关,这里简单说明一下各项指标的意义:

1.输入电压调整率:由于输入电压在规定范围内变化,而引起输出高压的相对变化量。例如,高压电源规定输入电压范围为5V~6V,输入电压调整率为0.1%,输出高压设定为1000V;如果初始输入电压为6V,随着工作一段时间输入电压下降到5V,那么输出高压的变化即为1000V×0.1%=1V。

2.负载调整率:负载由满载到空载,或由空载到满载转变,引起输出高压的相对变化量。这个参数对于一块高压电源配一支PMT的应用来说重要性不高,因为PMT的分压器就等同于高压电源的负载,而在整个工作过程中负载是基本没有变化的。而对于一块高压电源配多支PMT的应用来说,高压电源的负载是随PMT数量的变化而变化的,因此需确认此参数带来的高压变动。

3.稳定性:在不受外界因素(如输入变化、负载变化、环境温度变化等)影响下,预热后的高压电源,在指定时间内,其输出高压的最大变化,该指标与电源设计有关。

4.温度系数:环境温度每变化1℃,输出高压的相对变化。例如,高压电源温度系数为0.01%/℃,高压设定为1000V;环境温度从20℃变化为30℃时,输出高压变化为1000V×0.01%/℃×10℃=1V。

5.纹波:叠加在直流输出高压上的交流分量的周期波动。纹波太大会直接影响输出高压的稳定性;另外,纹波还会叠加到PMT的输出信号上,给输出信号带来干扰。

总之,高压电源各项指标越优秀,PMT工作就越稳定。但指标越高对高压电源的设计来说难度越大,且成本也会越高。表(1)给出了常规应用时,高压电源各项指标的推荐值:

表1 高压电源各项指标推荐值

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北京滨松依据客户多样化的需求,开发了多款高压电源系列产品,能够匹配各种应用场景(表2):

表2 高压电源系列产品性能指标


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注:CC356系列为高温高压电源,工作环境-40℃~175℃,主要应用于石油测井领域。