專利名稱:顯微熒光系統(tǒng)輸出信號的增強(qiáng)的制作方法
本發(fā)明的前景1.本發(fā)明的范圍概括地說，本發(fā)明是關(guān)于增強(qiáng)顯微熒光系統(tǒng)的改進(jìn)的測量信號。具體地說(不失一般性)，是關(guān)于由有源濾波器、放大器和具有高性能工作參數(shù)的光電倍增管組成的電路系統(tǒng)。
2.先驗(yàn)技術(shù)的簡介現(xiàn)在已有若干個(gè)技術(shù)專利企圖提高光電倍增管的信號響應(yīng)，特別是關(guān)于在暗電流情況下提高有效信號的清晰度。美國專利No.4，436，994，(名Van Vliet)發(fā)明了一種光電倍增檢測系統(tǒng)，它采用負(fù)反饋回路保持光電倍增檢測器的輸出低于預(yù)定值。此電路產(chǎn)生一個(gè)控制電壓用于控制加到光電倍增管電極上的高電壓，從而可以保持光電倍增管的靈敏度控制，同時(shí)避免損壞光電探測器。名為Brown的美國專利NO.4，279，510發(fā)明了另一種電路結(jié)構(gòu)，它能補(bǔ)償光電倍增管中暗電流的變化。它將光電倍增管的輸出電壓數(shù)字化，通過微機(jī)產(chǎn)生模擬校正信號，加到光電倍增管輸出前置放大器的倒相輸入。此電路起產(chǎn)生比例信號的作用，增大信號的增蓋補(bǔ)償光電倍增管的暗電流。和它類同的美國專利NO.4，310，243講述了一種類似的補(bǔ)償光電倍增管暗電流的方法。
名為Chevalier的美國專利NO.3，900，731發(fā)明一種光電倍增管增蓋穩(wěn)定系統(tǒng)。通過改進(jìn)光電陰極的照明補(bǔ)償光電倍增管電流的變化，此系統(tǒng)將光電倍增管輸出電流的平均值保持為常值。這種裝置需一種結(jié)構(gòu)，它將一個(gè)光源耦合到光電倍增管的陰極上去，例如，一種對入輻射響應(yīng)的閃爍器。所有這些企圖改善光電倍增管的信號響應(yīng)的先驗(yàn)技術(shù)都是采用改變光電信增管內(nèi)部參數(shù)的方法導(dǎo)致光電倍增管暗電流的變化。本發(fā)明采用可稱為被動式的方法，通過選擇特殊的光電倍增管和選擇有源濾波器和放大器，提高獲取弱信號的能力。
本發(fā)明的概要本發(fā)明是關(guān)于改進(jìn)光電倍增管系統(tǒng)，特別是關(guān)于混在高噪音輸出中微弱信號。
正如在敏感油母巖(或其他類同的)的顯微熒光響應(yīng)時(shí)遇到那種問題，通過選擇特殊的光電倍增管，可以改進(jìn)在規(guī)定頻譜范圍內(nèi)微弱信號的檢測。再通過可選的多級有源低通過濾波器和隨后的放大器可將這些信號增強(qiáng)。在一種擇優(yōu)的結(jié)構(gòu)中，光電倍增管的輸出信號通過混合放大器和有源四極點(diǎn)、低通、巴特沃茲濾波器，這種濾波器能使信號良好地恢復(fù)。在另一種結(jié)構(gòu)中濾波-放大混合電路由多個(gè)雙極點(diǎn)、低通、巴特沃茲濾波器組成，逐級串聯(lián)放大，各級可選擇地復(fù)合在一起，以便連續(xù)獲得較高的增益范圍。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種電路系統(tǒng)和選擇光電倍增管的指示，以既經(jīng)濟(jì)又可靠的方式增強(qiáng)系統(tǒng)的輸出。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供增強(qiáng)光電倍增管的輸出信號所需的電路系統(tǒng)，此光電倍增管工作于性能的上限，信噪比的固有特性低劣。
提供可靠的顯微熒光信號輸出指示也是本發(fā)明的目的。這些信號由具有良好信噪比的光電倍增管進(jìn)行巡回檢測。
最后，本發(fā)明的目的是提供相對簡單的和被選的光電倍增管匹配的有源濾波器以便從弱信號中提取可再現(xiàn)的數(shù)據(jù)。
從下面詳細(xì)地描述和表明的附圖中，可明顯地看出本發(fā)明的另些目的和優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡述圖1是方塊圖，包含按本發(fā)明構(gòu)成的檢測電路的原理圖。
圖2是用于本發(fā)明的一種可供選擇的有源濾波電路圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述圖1表明一種高靈敏度的光電檢測電路10，它特別適用于分析油母巖的那種顯微熒光分析系統(tǒng)。檢測電路10包含一個(gè)光電倍增管12，它通過一個(gè)專門濾波器14給放大器16提供輸入信號，放大器16的輸出進(jìn)入計(jì)算機(jī)18。在那里面，顯微熒光數(shù)據(jù)被多方面地校驗(yàn)，并被編排成輸出顯示的格式。
油母巖的分析是用市場上可以買到的那種顯微熒光系統(tǒng)進(jìn)行的，例如ZONAX系統(tǒng)，可以從紐約Thornwood的Carl Zeiss公司買到。但是為了油母巖分析，此系統(tǒng)必須改裝，使得它能光電分析非常低量級的樣品，在特定波段范圍內(nèi)檢測和記錄油母巖樣品的放射光譜，從而能決定樣品的生成期和碳?xì)浠衔锏慕Y(jié)構(gòu)。用100W水銀燈照明油母巖樣品，燈泡強(qiáng)烈地放射365毫微米波，因而必須檢測在400至700毫微米波段內(nèi)非常低量級的熒光反應(yīng)。為了正確地檢測出這種低量級的反應(yīng)，必須有一個(gè)高靈敏度和低噪音的光電倍增管和放大電路，當(dāng)存在噪音和光電倍增量工作于高電極電壓而引起干擾時(shí)，此放大電路能區(qū)別出并輸出正確的響應(yīng)信號。
在構(gòu)造檢測電路10時(shí)，必須選擇特種光電倍增管，它的暗電流和輸出信號中的噪音最小。因此，根據(jù)保證具有高靈敏度和低暗電流的品質(zhì)因數(shù)選擇光電倍增管12，它產(chǎn)生的輸出信號輸給濾波器14。當(dāng)有用信號通過時(shí)，濾波器降低無用頻率的信號。濾波器14備有有源濾波器，可以選擇它的組成，使半功率點(diǎn)頻率和截止頻率最優(yōu)化。放大器16將輸出放大，輸入給計(jì)算機(jī)18，進(jìn)行數(shù)字信號處理。
可以從Hamamatsu公司制造的一組光電倍增管中選擇光電倍增管12。根據(jù)實(shí)用的品質(zhì)因素，該公司的質(zhì)量證明是合格的。雖然一般材料和參數(shù)可被嚴(yán)格控制，但它的特殊工作特點(diǎn)會有很大變化，這是構(gòu)造光電倍增管的條件。因此，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，Hamamatsu的R928，R955和R1477型會含有特殊的管子，它能滿足所需的品質(zhì)因素。同樣，另外一些光電倍增管，無論是端式還是側(cè)式，都可能具有如此品質(zhì)。
根據(jù)品質(zhì)因素，可利用制造過程中正規(guī)地獲得的測試參數(shù)選擇光電倍增管。在相同類型的管子中，具有高品質(zhì)因數(shù)的管子能提供良好的信噪比。
品質(zhì)因數(shù)＝ (板極靈敏度)/(板極暗電流)式中板極光照靈敏度的單位是安培/流明，板極暗安流的單位是安培(以毫微安為代表)
根據(jù)品質(zhì)因素選擇的R955型的參數(shù)如下品質(zhì)因素＝ 6640/(2.0×10-9) ＝3.32×1012應(yīng)用下列最低參數(shù)可以獲得更好的品質(zhì)因素暗電流小于或等于5×10-9安培陰極靈敏度大于或等于200×10-6安培電流增益＝ (板極靈敏度)/(陰極靈敏度) ≥20×106＝146db式中板極靈敏度的單位是安培/流明，陰極靈敏度的單位是安培/流明(以毫微安/流明為代表)品質(zhì)因素指標(biāo)已一直應(yīng)用于各種不同類型的光電倍增管，它也是選擇用途特殊、工作參數(shù)類似的管型指標(biāo)。用這些公式評價(jià)的一些管子是R928，R955和R1477。它們都是類似的，可以概括為具有多堿光電陰極的側(cè)式光電倍增管。
品質(zhì)因素指標(biāo)是基于管子的噪音輸出與板極的暗電流有關(guān)。具有高陰極靈敏度和高電流增益的管子一般都趨向有強(qiáng)暗電流。因此按品質(zhì)因素的選擇標(biāo)準(zhǔn)，傾向于選擇增益最高和暗電流最小的管子。
具體來說，從光電倍增管和任何相聯(lián)的前置放大器19輸出的檢測信號通過濾波器旁路開關(guān)20加到濾波器的第一級-國產(chǎn)的型號為LH0022的半導(dǎo)體運(yùn)算放大器。旁路開關(guān)20，起的作用是將檢測信號通過導(dǎo)線24，繞過濾波器14?；蛟谕ǔ?shí)用的情況下，通過電阻26，接點(diǎn)28和電阻30將檢測信號加到運(yùn)算放大器的管腳3，作為負(fù)輸入。運(yùn)算放大器22的正輸入的管腳12接地或接到公共點(diǎn)。電容32連接在公共點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)28之間。
運(yùn)算放大器22管腳8的輸出，經(jīng)過輸出導(dǎo)線34和電容36反饋到輸入管腳3，同時(shí)通過電阻38回到結(jié)點(diǎn)28。導(dǎo)線34上的輸出經(jīng)過電阻40，結(jié)點(diǎn)42和電阻44加到第二級有源濾波運(yùn)算放大器40的負(fù)輸入管腳了。運(yùn)算放大器46也是型號為LH0022的國產(chǎn)半導(dǎo)體運(yùn)算放大器。電容48連接在結(jié)點(diǎn)42和運(yùn)算放大器46的公共連接的正輸入管腳12之間。
在導(dǎo)線50上的運(yùn)算放大器46的輸出通過電容52回到運(yùn)算放大器46的輸入管腳3，該輸出通過串聯(lián)的電位器54和電阻56還回到輸入結(jié)點(diǎn)42。利用調(diào)整電阻54，56和電阻40之比值電位器54提供濾波器輸出的全量程控制，這是一種直流增益控制。電位器58分配在運(yùn)算放大器46的輸入管腳6和10之間，提供直流零位調(diào)整。分析表明，噪音干擾的絕大部分處在0至10赫之間，在此范圍內(nèi)，濾波器14設(shè)計(jì)成高度有效，如下所述。
在導(dǎo)線50上濾波輸出再加到運(yùn)算放大器16的輸入管腳2，這是一個(gè)型號為AD524的模擬裝置，是一個(gè)精確的測量放大器。一個(gè)單點(diǎn)回位置的增益開關(guān)59可選擇以1，10，100和1000為單位的增益系數(shù)，這時(shí)運(yùn)算放大器16的管腳3分別可選擇地與管腳11，12和13短接，開關(guān)59的1號位置是空的。然后，運(yùn)算放大器16的輸出通過從管腳10引出的導(dǎo)線60和成對的導(dǎo)線62輸入到計(jì)算機(jī)18，進(jìn)行處理和顯示。一個(gè)電壓分配電位器64連接在運(yùn)算放大器管腳4和5之間，提供輸入零位控制，同時(shí)，一個(gè)在管腳14和15之間的同樣結(jié)構(gòu)的電位器66提供輸出零位控制。
工作時(shí)，圖1的檢測電路為顯微熒光分析系統(tǒng)提供良好的檢測能力，因?yàn)樗臉O點(diǎn)的巴特沃茲濾波器14提供必要的低頻濾波，從而在放大器16的輸入端產(chǎn)生強(qiáng)信號低噪音的輸入信號，一種優(yōu)選的巴特沃茲濾波器14在半功率點(diǎn)頻率為2.5赫處有效地產(chǎn)生40db/decade的滾降率。從而提高效率的低通濾波。通過單純改變36，48，32和52的電容量可以容易地調(diào)整半功率點(diǎn)頻率。一個(gè)最佳濾波器14的各元件參數(shù)的例子如下電阻26-130KΩ電阻30-360KΩ電阻38-130KΩ電阻40-47KΩ電阻44-68KΩ電阻56-47KΩ電位器54，56-10KΩ電容32-1μf電容36-0.068μf電容48-1μf電容52-0.33μf將光電倍增管致冷可以進(jìn)一步提高靈敏度的降低噪音。例如在圖1中，用虛線68表示一個(gè)合適的致冷套，可將光電倍增整12冷卻，它的光電敏感器的板極可冷至-20℃。這樣的零下致冷可以大大地提高光電倍增管的信噪比。
可以設(shè)計(jì)另一種可替代有源濾波器70(圖2)，體現(xiàn)出組合有源濾波器和平衡放大器的一些原則，另外，在增益選擇方面此電路設(shè)計(jì)具有若干靈活性。因此，有源濾波器70采用四個(gè)運(yùn)算放大器72，74和78，它們可選地串接，獲得相當(dāng)高的增益比。這就是增益開關(guān)80，它動作在1，10，100和1000位置之間，逐個(gè)地將一個(gè)或更多個(gè)運(yùn)算放大器(72-78)接入輸出引線82，為了在相聯(lián)的計(jì)算機(jī)或圖象系統(tǒng)中作進(jìn)一步處理。
有源濾波器70體現(xiàn)一種設(shè)計(jì)思想，每個(gè)運(yùn)算放大器的復(fù)合級都包含一個(gè)20db/decade、雙級點(diǎn)、半功率點(diǎn)頻率為2赫的低通巴特沃茲濾波器。在1-1000增益范圍內(nèi)逐次選擇增益時(shí)，每次提高增益可獲得20db/dceode的濾波效果。可以預(yù)計(jì)，精確地調(diào)整帶通半功率點(diǎn)頻率將最優(yōu)化和進(jìn)一步提高高靈敏檢測電路的總響應(yīng)。
這樣，跨在引線84和86上的從相聯(lián)的光電倍增管來的輸入信號通過由電阻88、結(jié)點(diǎn)90和電阻92組成的雙極點(diǎn)輸入結(jié)構(gòu)，加到運(yùn)算放在器72的輸入管腳12。在引線94上，從管腳8出來的輸出，通過結(jié)點(diǎn)96和電容98反饋到結(jié)點(diǎn)90，電容100接在輸入管腳12和地或公共結(jié)點(diǎn)之間。輸出引線94加到增益開關(guān)80的1號接點(diǎn)，電位器102和電阻104串聯(lián)接地，利用電位器102進(jìn)行全量程調(diào)整控制，而用電位器103進(jìn)行相對或零位調(diào)整。
每個(gè)運(yùn)算放大器74，76和78的結(jié)構(gòu)類似，常有公共輸出106，108和110，利用相應(yīng)的電阻112，114和116將這些運(yùn)算放大器串聯(lián)聯(lián)接。運(yùn)算放大器為國產(chǎn)的半導(dǎo)體運(yùn)算放大器，型號為LH0022，都有調(diào)零電位器118，120和122。類似的阻容極點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)136，138和140接在每個(gè)運(yùn)算放大器74，76和78的輸出和輸入管腳12之間。
在實(shí)用中，此有源濾波電路70(圖2)也能有效地、高靈敏地檢測低量級的顯微熒光，增益選擇開關(guān)80使增益在寬帶范圍內(nèi)變化，當(dāng)逐個(gè)運(yùn)算放大器附加地組合在一起，增益系數(shù)的變化從1至1000，每個(gè)運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)都相似地包含一個(gè)雙極點(diǎn)巴特沃茲濾波器，它具最佳的低通特性。理應(yīng)指望進(jìn)一步增大靈敏度，將相關(guān)的光電倍增管維護(hù)在約-20℃的致冷套68內(nèi)(圖1)即可增大輸出的信噪比。
前述事項(xiàng)揭示了有源濾波器和放大電路的一種新穎的組合，它適應(yīng)于從光電倍增管來的微弱信號，光電倍增管是根據(jù)品質(zhì)因素選擇的一種特殊形式，為了保證在具體應(yīng)用中具有高級性能。濾波放大電路用于處理顯微熒光分析系統(tǒng)中光電倍增管的輸出，在那里需要非常高的靈敏度來處理低量級熒光激勵(lì)產(chǎn)生的光電響應(yīng)，本發(fā)明采用和放大電路相聯(lián)系的巴特沃茲式的多極點(diǎn)濾波網(wǎng)絡(luò)。為了最有效地處理信號，可以很容易調(diào)整濾波器，獲得任何不同頻率的帶寬和范圍。
可以改變前面在技術(shù)說明書中提到的和在附圖中畫出的各元件的組合和配置方式。應(yīng)懂得，在具體實(shí)現(xiàn)中的那種變更不會脫離本發(fā)明的思想范圍，正如在下列權(quán)項(xiàng)中所規(guī)定的那樣。
勘誤表 85040118510164權(quán)利要求
1.在顯微熒光分析系統(tǒng)中組合式的高靈敏度檢測電路包含一個(gè)被選擇的光電倍增管，它敏感誘發(fā)的在預(yù)定波長范圍內(nèi)的熒光并輸出一個(gè)檢測信號，所述的光電倍增管是根據(jù)品質(zhì)因素選擇的；有源濾波裝置，它接收輸入的上述的檢測信號并輸出一個(gè)濾波后的信號，放大裝置，它接收上述濾波后的信號并輸出低噪音的輸出信號，以作進(jìn)一步處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的檢測電路，其特征是包含致冷裝置，安置在上述光電倍增管周圍，保持內(nèi)部溫度為零下。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的檢測電路，其中所述的有源濾波裝置包含一個(gè)巴特沃茲結(jié)構(gòu)的四極點(diǎn)、低通濾波器，它的半功率點(diǎn)頻率為2.5赫。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的檢測電路，其特征是包含開關(guān)裝置，用于調(diào)整上述放大裝置，這是為了從多元增益系數(shù)中選擇一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的檢測電路，其中所述的有源濾波裝置包含至少一個(gè)雙極點(diǎn)、低通巴特沃茲有源濾波器，具有可變的半功率點(diǎn)頻率，滾降率近似20db/decade。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的檢測電路進(jìn)一步包含多個(gè)雙極點(diǎn)、低通巴特沃茲有源濾波器，可選擇地級接，具有可選擇的較高的增益系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的檢測電路，其中所述的品質(zhì)因數(shù)等于光電倍增管板極的靈敏度與板極暗電流之比。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的檢測電路，其中板極靈敏度的單位是安倍/流明，板極暗電流的單位是毫微安。
9.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的檢測電路，其中所述的光電倍增管為側(cè)式、9級式，具有多堿光電陰極。
10.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的檢測電路，進(jìn)一步包括前置放大裝置，接收輸入探測信號，并產(chǎn)生輸出信號，輸給有源濾波裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的檢測電路，其中所述的放大裝置包含具有輸入和輸出的運(yùn)算放大器，多位置的開關(guān)裝置，用于控制上述運(yùn)算放大器的增益。
專利摘要
一種用于增強(qiáng)輸出信號的檢測電路。此輸出信號的信噪比低劣，它是在顯微熒光分析系統(tǒng)中光電倍增管工作在性能上限情況的特點(diǎn)。此電路包含一個(gè)可選擇的固有噪音低的光電倍增管，它的輸出通過一個(gè)多極點(diǎn)有源濾波器輸給高增益的運(yùn)算放大器。該有源濾波器調(diào)諧到低半功率點(diǎn)頻率，具有最大下降特性。
文檔編號H01J40/14GK85101644SQ85101644
公開日1987年1月24日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者羅杰哎·伍德, 羅伊·科爾曼, 蒂莫西·安德魯 申請人:科納科公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan