介质阻挡放电光电检测装置研究

材料的吸收、散射等有关，这种损耗非常小，可忽略不计。

受数值孔径的影响，光纤的探测区域呈辐射状且满足下式：

d=2tanθ·l

（2）式中：l——探测区域到光纤端面的距离；

d——圆形探测区域的直径；

·——数值孔径角。

光电转换主要由光电转换器件组成，相比APD和PIN光电二极管，PMT高增益的特点使其更适合于探测DBD的微弱光信号。其工作原理为：入射光经PMT光电阴极产生一次光电子，形成阴极电流（/K），一次光电子经倍增级多级倍增后产生大量的二次电子，最后汇聚于阳极形成阳极电流（厶），阳极电流与阴极电流的比值为电流增益G_m：

G_m=I_A/I_K=S_A/S_K

（3）

光电倍增管一般处于直流或脉冲工作的状态下，针对输出的光电流信号可以通过负载电阻进行电流一电压转换；但负载电阻并不是越大越好，负载过大会影响PMT的时间特性和传输特性，如下式所示：式中：R_L——负载；

C_S-PMT阳极和其他电极间、PMT与最末倍

增极间的电容以及杂散电容的总和。

上限截止频率为

可见，PMT外围电路的响应频率会受到负载电阻的限制，负载电阻过大时，受上线截止频率的限制，容易使阳极输出电压脉冲堆积，导致PMT输出非线性。

DBD产生的脉冲信号主要为高频信号，负载电阻通常为100 kΩ～1 MΩ，该电阻很难与线路波阻抗匹配，如下式所示：式中：Z_C——线路的波阻抗；

Z₂——末端阻抗。

信号在线路的始端和末端会发生多次反射，这些反射信号与原信号叠加后输出，使输出信号畸变。

为解决以上问题，本文提出大负载接电压跟随器匹配的信号处理电路，如图3所示。

电路中电压跟随器的输入阻抗高，输出阻抗低，隔离了负载与电缆，既可以实现末端电缆匹配，又可以放大微弱光电流信号。

3 系统结构设计

3.1 光纤排

光纤排由多根光纤（南京迪多科技特种紫外光纤）、金属探头和调整支架构成。其中，光纤的芯径为200 um，属于特种紫外光纤，数值孔径为0.22。按照需求选用8根光纤制排，光纤排的一端集合成直径8 mm的金属探头，每根光纤的间距为150 um，金属探头用于接收光信号；每根光纤的另一端制成直径3 mm、长度10 mm的金属头，这些金属头通过固定原件连接至光电倍增管的阴极入射窗口。根据式（2）可知，光纤排可测的两点间距为350～2450 um。为了方便探测不同区域的光信号，设计调整支架，该支架可以实现上下40 mm、左右1 cm的微调。

3.2 光电转换

针对DBD微弱紫外光信号，选用R212UH（滨松）光电倍增管，其光谱响应范围为185～650 nm，最大响应波长340 nm，阳极脉冲上升时间2.2 ns，电子渡越时间22 ns，增益10⁷。可见，该PMT具有极高的增益并能够快速地响应光信号。通过此PMT，可将DBD的微弱光信号转换为脉冲幅值为1～10 uA，脉冲宽度为ns级的光电流输出。

光电倍增管作为检测微弱光信号的器件，若直接与可见光接触，会受到背景辐射光和空间磁场等外界因素的干扰，严重影响测量结果。因此，为了削弱这些噪声的影响，设计PMT管屏蔽罩（见图4）。该屏蔽罩由坡莫合金制成，分上罩与底座两部分，屏蔽罩内外都涂有黑色绝缘漆，达到了屏蔽磁场和背景辐射光的目的。

3.3信号处理电路

信号处理电路不仅需要将PMT输出的微弱光电流信号转换为可供示波器接受的电压信号，还要保证电压转换速度能够跟上介质阻挡放电光电流的变化速度。最后将电压信号传输到示波器（TektronixMOS3034）中观测。设计原理图如图5所示。

CC238及其控制电路用于控制PMT增益，信号处理电路将光电流信号转换为电压信号并放大，供示波器显示。具体电路及参数如图6所示。

电路采用大负载加电压跟随器匹配同轴电缆输出，既可以放大微弱信号，又可以避免反射信号的干扰。其中：限流电阻（R₁）保证OPA2350输入电流I<500 mA；耦合电容（C）隔直通交，可保护后续电路；去耦电容（C₁₁、C₁₂）去除纹波干扰，可改善电源的高频特性；补偿电容（ C₁）为电路增加新极点，拉大主极点与其他极点的间距，改变电路的相频响应，破坏了自激振荡的条件；可调负载电阻RL范围为10～100kΩ。因此该电路的电压输出信号为0.5～2V。

4 实验

实验用6根光纤探测不同负载时大气压DBD锥形极板锥尖处的光信号，外加电压为10 kV，频率为10 kHz，气隙间距为1 mm，得不同负载时脉冲宽度，如表1所示。

可见，信号的脉冲宽度随负载成正比变化，为了避免多次放电时信号重叠，选择负载为20 kΩ，，干扰信号的脉宽为ns级，因此4.8 us的脉冲即为放电信号。图7为示波器采集的波形，上方（CH₁）为放电电流波形，下方（CH₂）为光电流波形。

可见，当放电较弱时（图7（a）），光电流可以体现放电的发生，放电电流无法完全体现；放电较强时（图7（b）），放电电流与干扰信号叠加，无法区分，而光电流由于存在4.8 us的脉宽可以区分干扰，这充分体现了新型检测装置的优越性和可靠性。5结束语

研究基于PMT的光电检测装置，针对DBD微弱紫外光信号设计、分析与制作。装置具有ns级的响应速度，可将nW级、波长为340～400 nm的微弱紫外光信号放大为0.5～2 V的电信号；最小探测值为200 um（直径），可同时多路采集最小间距为350 um的多个点光源进行对比研究，通过调整支架和光纤排可灵活采集不同区域的光信号；选择不同的负载，根据负载对应的信号脉宽区分干扰信号；通过实验可知，该新型装置有更好的优越性和可靠性。

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