基于光電倍增管的光子計數(shù)儀設(shè)計

　　在醫(yī)學(xué)檢驗中，體內(nèi)多類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(huán)境也有嚴(yán)重的污染。因此需要特殊的防護及廢物處理系統(tǒng)；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(fā)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(zhuǎn)換器件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再加以放大。其主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定；但靈敏度低、線性范圍窄。隨著現(xiàn)代量子物理學(xué)的發(fā)展以及人們對光的微觀特性認(rèn)識的逐步深入，出現(xiàn)了一種被稱為單光子計數(shù)器的新型光電器件。這種光子計數(shù)儀的靈敏度及線性范圍均已超過常規(guī)檢測技術(shù)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(huán)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(xù)處理的投入。

光電倍增管的結(jié)構(gòu)

　　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(cè)窗式兩種類型。圖1所示為端窗型光電倍增管的剖面結(jié)構(gòu)圖。其主要工作過程如下：當(dāng)光照射到光陰極時，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進入倍增系統(tǒng)，并通過進一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。因為采用了二次發(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)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(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點。


圖1 端窗型光電增管的剖面結(jié)構(gòu)圖

82C54的基本功能

　　Intersil公司的定時/計數(shù)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(shù)頻率更高，可高達12MHz。片內(nèi)包含3個獨立的16位計數(shù)通道，每個計數(shù)通道有6種工作方式，可由程序設(shè)置和改變，所有的輸入／輸出電平信號都與TTL兼容。

光子計數(shù)儀的設(shè)計

1 總體方案設(shè)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(zhǔn)確度和運行的平穩(wěn)性，光電檢測系統(tǒng)以固定方式檢測樣品，送樣機構(gòu)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(dāng)前所處狀態(tài)及每孔測量結(jié)果。定義20種可選擇的測量時間，可對微孔板的任意行數(shù)定義測量；數(shù)據(jù)輸出采用外接打印機，原始數(shù)據(jù)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(qū)、標(biāo)準(zhǔn)區(qū)、陰陽性孔位定義、測量及數(shù)據(jù)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。傳動系統(tǒng)采用齒杠、齒輪傳動與同步帶、齒輪傳動相結(jié)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(tǒng)采取互相垂直的獨立運動機構(gòu)。計數(shù)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(shù)，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(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(shù)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(chǎn)生的光電子發(fā)射，并經(jīng)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(guī)定值較高的直流電壓。當(dāng)光子打到光陰極時，由于光電效應(yīng)的作用，其表面可以產(chǎn)生能量微弱的游離電子，稱為光電子；該電子在直流高壓產(chǎn)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(chǎn)生出能量更大數(shù)量更多的光電子，就這樣經(jīng)過多個打拿極的反復(fù)放大，最后使陽極產(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(shù)，如圖3所示。


圖3 單光子計數(shù)法原理圖

3 軟件設(shè)計

　　本設(shè)計選擇82C54的模式0工作，計數(shù)器0、計數(shù)器1都工作于模式0，計數(shù)結(jié)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(dāng)程序進入到非程序區(qū)，只要在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進入陷阱，然后強迫程序回到初始狀態(tài)。如對CPU的RST指令對應(yīng)的字節(jié)碼為0FFH，如果不用的程序存儲區(qū)預(yù)先寫入0FFH，則當(dāng)程序因干擾而“飛”到該區(qū)域執(zhí)行代碼時，就相當(dāng)于執(zhí)行1條RST指令，從而達到系統(tǒng)復(fù)位的目的。

結(jié)論

　　采用光電倍增管和82C54設(shè)計的光子計數(shù)儀，整機無論從結(jié)構(gòu)到電器性能都達到了設(shè)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。