基于光電倍增管的光子計數儀設計

在醫學(xué)檢驗中，體內多類(lèi)激素水平及其微量代謝產(chǎn)物、藥物及代謝產(chǎn)物、維生素類(lèi)及疾病相關(guān)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(shù)難以達到。因此，長(cháng)期以來(lái)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(huán)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(shí)，由于受到自然衰變的限制，其試劑不便長(cháng)期儲存和運輸，因而大大地限制了它的發(fā)展。

長(cháng)期以來(lái)，人們大多采用光度計作為主要檢測儀器，其原理是通過(guò)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(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、性能穩定；但靈敏度低、線(xiàn)性范圍窄。隨著(zhù)現代量子物理學(xué)的發(fā)展以及人們對光的微觀(guān)特性認識的逐步深入，出現了一種被稱(chēng)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(xiàn)性范圍均已超過(guò)常規檢測技術(shù)能達到的水平。它能在檢測不到任何光線(xiàn)存在，即所謂“全黑環(huán)境”中正常工作，最主要的是該方法具有無(wú)輻射，無(wú)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(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極及電子收集極（陽(yáng)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(lèi)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(guò)程如下：當光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統，并通過(guò)進(jìn)一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽(yáng)極收集作為信號輸出。因為采用了二次發(fā)射倍增系統，所以光電倍增管在探測紫外、可見(jiàn)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(yōu)點(diǎn)。

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(shí)/計數器82C54是8253的改進(jìn)型，操作方式及引腳與8253完全相同。它的改進(jìn)主要反映在82C54的計數頻率更高，可高達12MHz。片內包含3個(gè)獨立的16位計數通道，每個(gè)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(pán)操作及顯示、儀器的傳動(dòng)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(jìn)行Y方向及X方向順序運動(dòng)。采用可視性強的液晶顯示器，可顯示儀器當前所處狀態(tài)及每孔測量結果。定義20種可選擇的測量時(shí)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(shí)可在Windows的操作軟件包下進(jìn)行樣品區、標準區、陰陽(yáng)性孔位定義、測量及數據處理。

采用日產(chǎn)光電倍增管作為光子檢測裝置的核心部分。傳動(dòng)系統采用齒杠、齒輪傳動(dòng)與同步帶、齒輪傳動(dòng)相結合的形式，送樣器（孔板托盤(pán)）、光電檢測裝置在開(kāi)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(dòng)系統采取互相垂直的獨立運動(dòng)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(guò)RS232通信。具體硬件電路如圖2所示。

圖2  光子技術(shù)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(lái)源于光子碰撞光陰極產(chǎn)生的光電子發(fā)射，并經(jīng)倍增后在陽(yáng)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(shí)，由于光電效應的作用，其表面可以產(chǎn)生能量微弱的游離電子，稱(chēng)為光電子；該電子在直流高壓產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下離開(kāi)光陰極，同時(shí)被加速，再次打到打拿極上并產(chǎn)生出能量更大數量更多的光電子，就這樣經(jīng)過(guò)多個(gè)打拿極的反復放大，最后使陽(yáng)極產(chǎn)生電脈沖信號，該信號經(jīng)前置放大器放大，在經(jīng)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(fā)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(jìn)入到非程序區，只要在非程序區設置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，然后強迫程序回到初始狀態(tài)。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(xiě)入0FFH，則當程序因干擾而“飛”到該區域執行代碼時(shí)，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(wú)論從結構到電器性能都達到了設計要求。通過(guò)一段時(shí)間的使用，從各用戶(hù)都得到了滿(mǎn)意的反饋。