基于光电倍增管的光子计数仪设计(图)

在医学检验中，体内多类激素水平及其微量代谢产物、药物及代谢产物、维生素类及疾病相关抗原的分析测定总计可达几十至上百种之多。但由于其检测灵敏度要求较高，一般免疫技术难以达到。因此，长期以来一直使用放射免疫法。这不仅对操作人员的健康造成了危害，其废弃物对环境也有严重的污染。因此需要特殊的防护及废物处理系统；同时，由于受到自然衰变的限制，其试剂不便长期储存和运输，因而大大地限制了它的发展。

长期以来，人们大多采用光度计作为主要检测仪器，其原理是通过光电转换器件将光信号转换为电信号，再加以放大。其主要特点是结构简单、性能稳定；但灵敏度低、线性范围窄。随着现代量子物理学的发展以及人们对光的微观特性认识的逐步深入，出现了一种被称为单光子计数器的新型光电器件。这种光子计数仪的灵敏度及线性范围均已超过常规检测技术能达到的水平。它能在检测不到任何光线存在，即所谓“全黑环境”中正常工作，主要的是该方法具有无辐射，无须对废液后续处理的投入。

光电倍增管的结构

光电倍增管是一种真空器件。它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。所示为端窗型光电倍增管的剖面结构图。其主要工作过程如下：当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。

  端窗型光电增管的剖面结构图

82C54的基本功能

Intersil公司的定时/计数器82C54是8253的改进型，操作方式及引脚与8253完全相同。它的改进主要反映在82C54的计数频率更高，可高达12MHz。片内包含3个独立的16位计数通道，每个计数通道有6种工作方式，可由程序设置和改变，所有的输入／输出电平信号都与TTL兼容。

光子计数仪的设计

1 总体方案设计

基于仪器整体安装及可维护性的考虑，仪器采用整体形式，包括对仪器的控制、键盘操作及显示、仪器的传动部分及光子检测部分。采用96微孔板作为测量载体；为增强测量的定位准确度和运行的平稳性，光电检测系统以固定方式检测样品，送样机构可按要求进行Y方向及X方向顺序运动。采用可视性强的液晶显示器，可显示仪器当前所处状态及每孔测量结果。定义20种可选择的测量时间，可对微孔板的任意行数定义测量；数据输出采用外接打印机，原始数据可在主机独立测量完毕后由打印机输出。计算机控制测量可完全替代单机测量的功能，同时可在Windows的操作软件包下进行样品区、标准区、阴阳性孔位定义、测量及数据处理。

采用日产光电倍增管作为光子检测装置的部分。传动系统采用齿杠、齿轮传动与同步带、齿轮传动相结合的形式，送样器（孔板托盘）、光电检测装置在开机后及测量完毕均定位在初始位置；送样器及光电检测装置的传动系统采取互相垂直的独立运动机构。计数仪采用MGL（S）24064带背景光绿色显示屏的显示器，89C55单片机控制，82C54计数，外接中文打印机，和单片机通过RS232通信。具体硬件电路如所示。

  光子技术仪硬件电路

2 测量原理

该仪器的测量原理为单光子计数法。微弱光信号检测一般以光电倍增管（PMT）为检测器，在弱光下，光电倍增管的电流来源于光子碰撞光阴极产生的光电子发射，并经倍增后在阳极形成电脉冲输出。

光子检测装置的是光电倍增管，其各电极之间均加有规定值较高的直流电压。当光子打到光阴极时，由于光电效应的作用，其表面可以产生能量微弱的游离电子，称为光电子；该电子在直流高压产生的电场作用下离开光阴极，同时被加速，再次打到打拿极上并产生出能量更大数量更多的光电子，就这样经过多个打拿极的反复放大，使阳极产生电脉冲信号，该信号经前置放大器放大，在经比较器去除噪声信号，由分频器换算出光子脉冲数，如所示。

  单光子计数法原理图

3 软件设计

本设计选择82C54的模式0工作，计数器0、计数器1都工作于模式0，计数结束发出中断信号。软件流程如所示。

  软件流程图

当程序进入到非程序区，只要在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，然后强迫程序回到初始状态。如对CPU的RST指令对应的字节码为0FFH，如果不用的程序存储区预先写入0FFH，则当程序因干扰而“飞”到该区域执行代码时，就相当于执行1条RST指令，从而达到系统复位的目的。

结论

采用光电倍增管和82C54设计的光子计数仪，整机无论从结构到电器性能都达到了设计要求。通过一段时间的使用，从各用户都得到了满意的反馈。

  

参考文献:

[1]. 82C54 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/82C54_104043.html.
[2]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[3]. 89C55 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/89C55_105397.html.
[4]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.