基于光電倍增管的光子計數儀設計

在醫學檢驗中，體內多類激素水平及其微量代謝產物、藥物及代謝產物、維生素類及疾病相關抗原的分析測定總計可達幾十至上百種之多。但由于其檢測靈敏度要求較高，一般免疫技術難以達到。因此，長期以來一直使用放射免疫法。這不僅對操作人員的健康造成了危害，其廢棄物對環境也有嚴重的污染。因此需要特殊的防護及廢物處理系統；同時，由于受到自然衰變的限制，其試劑不便長期儲存和運輸，因而大大地限制了它的發展。

長期以來，人們大多采用光度計作為主要檢測儀器，其原理是通過光電轉換器件將光信號轉換為電信號，再加以放大。其主要特點是結構簡單、性能穩定；但靈敏度低、線性范圍窄。隨著現代量子物理學的發展以及人們對光的微觀特性認識的逐步深入，出現了一種被稱為單光子計數器的新型光電器件。這種光子計數儀的靈敏度及線性范圍均已超過常規檢測技術能達到的水平。它能在檢測不到任何光線存在，即所謂“全黑環境”中正常工作，最主要的是該方法具有無輻射，無須對廢液后續處理的投入。

光電倍增管的結構

光電倍增管是一種真空器件。它由光電發射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極及電子收集極（陽極）等組成。典型的光電倍增管按入射光接收方式可分為端窗式和側窗式兩種類型。圖1所示為端窗型光電倍增管的剖面結構圖。其主要工作過程如下：當光照射到光陰極時，光陰極向真空中激發出光電子。這些光電子按聚焦極電場進入倍增系統，并通過進一步的二次發射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。因為采用了二次發射倍增系統，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應快速、成本低、陰極面積大等優點。

圖1  端窗型光電增管的剖面結構圖

82C54的基本功能

Intersil公司的定時/計數器82C54是8253的改進型，操作方式及引腳與8253完全相同。它的改進主要反映在82C54的計數頻率更高，可高達12MHz。片內包含3個獨立的16位計數通道，每個計數通道有6種工作方式，可由程序設置和改變，所有的輸入／輸出電平信號都與TTL兼容。

光子計數儀的設計

1 總體方案設計

基于儀器整體安裝及可維護性的考慮，儀器采用整體形式，包括對儀器的控制、鍵盤操作及顯示、儀器的傳動部分及光子檢測部分。采用96微孔板作為測量載體；為增強測量的定位準確度和運行的平穩性，光電檢測系統以固定方式檢測樣品，送樣機構可按要求進行Y方向及X方向順序運動。采用可視性強的液晶顯示器，可顯示儀器當前所處狀態及每孔測量結果。定義20種可選擇的測量時間，可對微孔板的任意行數定義測量；數據輸出采用外接打印機，原始數據可在主機獨立測量完畢后由打印機輸出。計算機控制測量可完全替代單機測量的功能，同時可在Windows的操作軟件包下進行樣品區、標準區、陰陽性孔位定義、測量及數據處理。

采用日產光電倍增管作為光子檢測裝置的核心部分。傳動系統采用齒杠、齒輪傳動與同步帶、齒輪傳動相結合的形式，送樣器（孔板托盤）、光電檢測裝置在開機后及測量完畢均定位在初始位置；送樣器及光電檢測裝置的傳動系統采取互相垂直的獨立運動機構。計數儀采用MGL（S）24064帶背景光綠色顯示屏的顯示器，89C55單片機控制，82C54計數，外接中文打印機，和單片機通過RS232通信。具體硬件電路如圖2所示。

圖2  光子技術儀硬件電路

2 測量原理

該儀器的測量原理為單光子計數法。微弱光信號檢測一般以光電倍增管（PMT）為檢測器，在弱光下，光電倍增管的電流來源于光子碰撞光陰極產生的光電子發射，并經倍增后在陽極形成電脈沖輸出。

光子檢測裝置的核心是光電倍增管，其各電極之間均加有規定值較高的直流電壓。當光子打到光陰極時，由于光電效應的作用，其表面可以產生能量微弱的游離電子，稱為光電子；該電子在直流高壓產生的電場作用下離開光陰極，同時被加速，再次打到打拿極上并產生出能量更大數量更多的光電子，就這樣經過多個打拿極的反復放大，最后使陽極產生電脈沖信號，該信號經前置放大器放大，在經比較器去除噪聲信號，最后由分頻器換算出光子脈沖數，如圖3所示。

圖3  單光子計數法原理圖

3 軟件設計

本設計選擇82C54的模式0工作，計數器0、計數器1都工作于模式0，計數結束發出中斷信號。軟件流程如圖4所示。

圖4  軟件流程圖

當程序進入到非程序區，只要在非程序區設置攔截措施，使程序進入陷阱，然后強迫程序回到初始狀態。如對CPU的RST指令對應的字節碼為0FFH，如果不用的程序存儲區預先寫入0FFH，則當程序因干擾而“飛”到該區域執行代碼時，就相當于執行1條RST指令，從而達到系統復位的目的。

結論

采用光電倍增管和82C54設計的光子計數儀，整機無論從結構到電器性能都達到了設計要求。通過一段時間的使用，從各用戶都得到了滿意的反饋。