介质阻挡放电光电检测装置研究

2022-04-30 08:25:02 | 浏览次数:

zoޛ)j馓M؞-'!jzbZ00C?ii׮]Myӭ49tC00Cn0n3L0CuuE.Muܚ˩.g[~4M'iNu_0CiNj,s@4材料的吸收、散射等有关,这种损耗非常小,可忽略不计。

受数值孔径的影响,光纤的探测区域呈辐射状且满足下式:

d=2tanθ·l

(2)式中:l——探测区域到光纤端面的距离;

d——圆形探测区域的直径;

·——数值孔径角。

光电转换主要由光电转换器件组成,相比APD和PIN光电二极管,PMT高增益的特点使其更适合于探测DBD的微弱光信号。其工作原理为:入射光经PMT光电阴极产生一次光电子,形成阴极电流(/K),一次光电子经倍增级多级倍增后产生大量的二次电子,最后汇聚于阳极形成阳极电流(厶),阳极电流与阴极电流的比值为电流增益Gm

Gm=IA/IK=SA/SK

(3)

光电倍增管一般处于直流或脉冲工作的状态下,针对输出的光电流信号可以通过负载电阻进行电流一电压转换;但负载电阻并不是越大越好,负载过大会影响PMT的时间特性和传输特性,如下式所示:式中:RL——负载;

CS-PMT阳极和其他电极间、PMT与最末倍

增极间的电容以及杂散电容的总和。

上限截止频率为

可见,PMT外围电路的响应频率会受到负载电阻的限制,负载电阻过大时,受上线截止频率的限制,容易使阳极输出电压脉冲堆积,导致PMT输出非线性。

DBD产生的脉冲信号主要为高频信号,负载电阻通常为100 kΩ~1 MΩ,该电阻很难与线路波阻抗匹配,如下式所示:式中:ZC——线路的波阻抗;

Z2——末端阻抗。

信号在线路的始端和末端会发生多次反射,这些反射信号与原信号叠加后输出,使输出信号畸变。

为解决以上问题,本文提出大负载接电压跟随器匹配的信号处理电路,如图3所示。

电路中电压跟随器的输入阻抗高,输出阻抗低,隔离了负载与电缆,既可以实现末端电缆匹配,又可以放大微弱光电流信号。

3 系统结构设计

3.1 光纤排

光纤排由多根光纤(南京迪多科技特种紫外光纤)、金属探头和调整支架构成。其中,光纤的芯径为200 um,属于特种紫外光纤,数值孔径为0.22。按照需求选用8根光纤制排,光纤排的一端集合成直径8 mm的金属探头,每根光纤的间距为150 um,金属探头用于接收光信号;每根光纤的另一端制成直径3 mm、长度10 mm的金属头,这些金属头通过固定原件连接至光电倍增管的阴极入射窗口。根据式(2)可知,光纤排可测的两点间距为350~2450 um。为了方便探测不同区域的光信号,设计调整支架,该支架可以实现上下40 mm、左右1 cm的微调。

3.2 光电转换

针对DBD微弱紫外光信号,选用R212UH(滨松)光电倍增管,其光谱响应范围为185~650 nm,最大响应波长340 nm,阳极脉冲上升时间2.2 ns,电子渡越时间22 ns,增益107。可见,该PMT具有极高的增益并能够快速地响应光信号。通过此PMT,可将DBD的微弱光信号转换为脉冲幅值为1~10 uA,脉冲宽度为ns级的光电流输出。

光电倍增管作为检测微弱光信号的器件,若直接与可见光接触,会受到背景辐射光和空间磁场等外界因素的干扰,严重影响测量结果。因此,为了削弱这些噪声的影响,设计PMT管屏蔽罩(见图4)。该屏蔽罩由坡莫合金制成,分上罩与底座两部分,屏蔽罩内外都涂有黑色绝缘漆,达到了屏蔽磁场和背景辐射光的目的。

3.3信号处理电路

信号处理电路不仅需要将PMT输出的微弱光电流信号转换为可供示波器接受的电压信号,还要保证电压转换速度能够跟上介质阻挡放电光电流的变化速度。最后将电压信号传输到示波器(TektronixMOS3034)中观测。设计原理图如图5所示。

CC238及其控制电路用于控制PMT增益,信号处理电路将光电流信号转换为电压信号并放大,供示波器显示。具体电路及参数如图6所示。

电路采用大负载加电压跟随器匹配同轴电缆输出,既可以放大微弱信号,又可以避免反射信号的干扰。其中:限流电阻(R1)保证OPA2350输入电流I<500 mA;耦合电容(C)隔直通交,可保护后续电路;去耦电容(C11、C12)去除纹波干扰,可改善电源的高频特性;补偿电容( C1)为电路增加新极点,拉大主极点与其他极点的间距,改变电路的相频响应,破坏了自激振荡的条件;可调负载电阻RL范围为10~100kΩ。因此该电路的电压输出信号为0.5~2V。

4 实验

实验用6根光纤探测不同负载时大气压DBD锥形极板锥尖处的光信号,外加电压为10 kV,频率为10 kHz,气隙间距为1 mm,得不同负载时脉冲宽度,如表1所示。

可见,信号的脉冲宽度随负载成正比变化,为了避免多次放电时信号重叠,选择负载为20 kΩ,,干扰信号的脉宽为ns级,因此4.8 us的脉冲即为放电信号。图7为示波器采集的波形,上方(CH1)为放电电流波形,下方(CH2)为光电流波形。

可见,当放电较弱时(图7(a)),光电流可以体现放电的发生,放电电流无法完全体现;放电较强时(图7(b)),放电电流与干扰信号叠加,无法区分,而光电流由于存在4.8 us的脉宽可以区分干扰,这充分体现了新型检测装置的优越性和可靠性。5结束语

研究基于PMT的光电检测装置,针对DBD微弱紫外光信号设计、分析与制作。装置具有ns级的响应速度,可将nW级、波长为340~400 nm的微弱紫外光信号放大为0.5~2 V的电信号;最小探测值为200 um(直径),可同时多路采集最小间距为350 um的多个点光源进行对比研究,通过调整支架和光纤排可灵活采集不同区域的光信号;选择不同的负载,根据负载对应的信号脉宽区分干扰信号;通过实验可知,该新型装置有更好的优越性和可靠性。

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