Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Photomultiplier Messwerterfassung


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von Seb B. (Firma: SuccsApp) (sebblessing)


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Hallo,

Ich bin gerade dabei ein Photomultiplier(wer nicht weiß was das ist, 
Photonen werden hier in Elektronen umgewandelt und diese über mehrere 
Dynoden mit Beschleunigungsspannung vervielfältigt bis sie an der Anode 
für ein entsprechend starkes Signal sorgen sollen) für Forschungszwecke 
funktionstüchtig zu machen.

1,1kV Stromversorgung und der PM 1911 Detektor(ist ein älteres Modell, 
wird heute vermutlich garnicht mehr verkauft) sind soweit bereit, mein 
Problem liegt "nurnoch" beim Auslesen der Daten.
Ich bin auf dem Gebiet der analogen Messwerterfassung echt kein 
Fachmann, daher hier meine Frage:) Das Signal soll entweder über eine 7 
Segmentanzeige, oder einfach einen kleinen Lautsprecher visualisiert 
werden, wobei die Stärke des Signals für meine ersten Experimente 
erstmal nicht von Bedeutung ist, sondern jedes Klicken im Lautsprecher, 
bzw. zählen der 7 Segmentanzeige ein Spannungshoch darstellen soll.

Wenn es hier ein paar Fachmänner in Sachen Photomultiplier gibt, wär ich 
denen sehr verbunden sich kurz zu melden, falls ich noch weitere Fragen 
zu diesem Projekt habe:)


MfG
ein hoffentlich bald nichtmehr verzweifelter Physiker

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Die Problemstellung ist genau die gleiche, die bei einem Geigerzähler 
entsteht - und dafür gibts jede Menge Schaltungen im Netz, da sollte 
sich recht schnell was finden. Wie hoch ist die Impulshöhe, die du an 
der letzten Anode rauskriegst?

von MWS (Gast)


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Sebastian B. schrieb:
> oder einfach einen kleinen Lautsprecher visualisiert
> werden

Der Lautsprechermembrane zuschauen?

http://www.theremino.com/de/blog/gamma-spectrometry

Auf dem Schaltplan Mitte-rechts die Eingangsstufe zur nachfolgenden 
Verarbeitung per USB-Soundkarte.

von Lurchi (Gast)


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Für die Auswertung eines Photomultipliers gibt es 2 verschiedene 
Arbeitsbereiche: bei sehr kleiner Intensität kann man die Verstärkung 
des PMTs relativ hoch wählen und dann am Ausgang Pulse zählen. Jeder 
Puls entspricht einem detektieren Photon. Entsprechend sollte die 
Auswertung genügend schnell sein um die Pulse gut zu trennen. Je nach 
PMT kann man da direkt auf einen relativ niederohmigen Verstärker (z.B. 
50 oder 75 Ohm) gehen und ggf. auch direkt in Kabel passender Impedanz 
anschließen.
Über die Spannung am PMT stellt man die Pulshöhe ein.

Bei höheren Intensitäten kommen die Pulse zu dicht, so dass man nicht 
mehr Zählen kann. Da wählt man dann die Verstärkung am PMT geringer 
(d.h. etwas kleinere Spannung) und misst ähnlich wie bei einer 
Photodiode den Strom. Hier kann man dann so etwas wie einen 
Transimpedanzverstärker oder auch einen Widerstand zur Strommessung 
nutzen. Das Signal ist in der Regel schon groß genug, dass man keinen 
super Rauscharmen Verstärker mehr benötigt. Die Information steckt im 
Strom, d.h. die Anzeige wäre per ADC oder Zeigerinstrument. Die Spannung 
für den PMT muss ggf. sehr gut stabil sein, wenn eine genaue 
Intensitätsmessung gewünscht ist.

Ein Spezialfall sind ggf. noch Messungen von Lichtpulsen, wo es darum 
geht die Energie des Pulses zu erfassen (etwa Szinitaltionszähler). Hier 
wird analog (also über die Intensität) gemessen, aber ggf. gleich über 
eine Kapazität integriert bzw. ein RC Glied zum einstellen einer 
passenden Pulsform gewählt. Ggf. muss hier die Teilerkette am PMT 
genügend niederohmig sein, bzw. braucht zusätzliche Kapazitäten um 
kleine Nichtlinearität zu erhalten.

von Hp M. (nachtmix)


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Sebastian B. schrieb:
> Das Signal soll entweder über eine 7
> Segmentanzeige, oder einfach einen kleinen Lautsprecher visualisiert
> werden, wobei die Stärke des Signals für meine ersten Experimente
> erstmal nicht von Bedeutung ist, sondern jedes Klicken im Lautsprecher,
> bzw. zählen der 7 Segmentanzeige ein Spannungshoch darstellen soll.

Das ist aber alles nur eine Frage der Darstellung und hat mit dem Sensor 
= Photomultiplier wenig bis nichts zu tun.

Was willst du denn mit der Röhre detektieren oder messen?

von Jigga (Gast)


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Hier ist einen Application Note von Hamamatsu zu PMTs. Ab 5.3 auch was 
zur Auswertelektronik.

https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/etd/PMT_handbook_v3aE-Chapter5.pdf

Transimpedanzwandler + U/f-Wandler + Zählerbaustein würde z.B. eine 
mögliche Variante darstellen, wenn ich mich nicht irre.

von Jigga (Gast)


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Hier auch nochmal was : http://vertilon.com/pdf/AN3325.pdf

von Gustl B. (-gb-)


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Also wir verwenden hier Photomultiplier um das wenige Licht aus einem 
Zerfall im Szintillatormaterial zu verstärken. Das geht dann in Pulse 
shaping Verstärker von Ortec oder Canberra rein und raus kommen schöne 
Spannungsimpulse. Die kann man dann mit einem ADC erfassen, zählen, 
Spektrum bauen, ...
Wenn Du nur zählen willst und die Zerfallsenergie egal ist, dann reicht 
ein einfacher Trigger für einen Spannungsimpuls.

von Seb B. (Firma: SuccsApp) (sebblessing)


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Danke für die vielen Antworten ihr seid die Besten!:)
Ich glaube ich habe gefunden, was ich brauche.


>Lurchi schrieb:
>
> Für die Auswertung eines Photomultipliers gibt es 2 verschiedene
> Arbeitsbereiche: bei sehr kleiner Intensität kann man die Verstärkung
> des PMTs relativ hoch wählen und dann am Ausgang Pulse zählen. Jeder
> Puls entspricht einem detektieren Photon. Entsprechend sollte die
> Auswertung genügend schnell sein um die Pulse gut zu trennen. Je nach
> PMT kann man da direkt auf einen relativ niederohmigen Verstärker (z.B.
> 50 oder 75 Ohm) gehen und ggf. auch direkt in Kabel passender Impedanz
> anschließen.
> Über die Spannung am PMT stellt man die Pulshöhe ein.
>

Was für Verstärker würden da in Frage kommen? Kann man da mit 
Operationsverstärkern oder anderen ICs etwas zustande bringen, oder ist 
es in dem Fall doch besser den Verstärker selbst zu 
bauen(Kleinsignal-Transistor-Verstärkerstufe o.ä.)?

von Seb B. (Firma: SuccsApp) (sebblessing)


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Mir kam gerade der Gedanke,das PMT Signal mit meinem Arduino auszulesen, 
damit wäre dann eine flexible Dastellung der Daten möglich. Am 
Verstärken des Signals führt vermutlich kein Weg vorbei, aber dann 
könnte man das doch in betracht ziehen, oder gehe ich hier gerade auf 
einem Holzweg?:)

von Gustl B. (-gb-)


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Nun, wenn Du nur zählen willst, also das genaue Aussehen der 
Spannungsimpulse nicht interessiert könnte das funktionieren. Achte aber 
darauf wie kurz diese Impulse sind. Wenn die nur wenige us lang sind, 
ist der ADC vom Arduino vielleicht einfach zu langsam und erfasst nicht 
jeden Impuls.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Gustl B. schrieb:
> Wenn die nur wenige us lang sind,
> ist der ADC vom Arduino vielleicht einfach zu langsam und erfasst nicht
> jeden Impuls.

Der ADC ist sicher auch eine schlechte Wahl. Es bietet sich der Analog 
Comparator an, den man mit z.B. einer selbst erzeugten PWM und Glättung 
sogar mit Auto Trigger Schwelle ausstatten könnte. Der AC erzeugt gleich 
einen Interrupt, der sich zum Zählen eignet.

von Seb B. (Firma: SuccsApp) (sebblessing)


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Also kann jemand einen guten Signalverstärker für mein Problem 
empfehlen?:)

@Matthias S.: Was für einen Analog Comparator meinst du genau, hast du 
vllt einen Link?



>Matthias S. schrieb:

> Der ADC ist sicher auch eine schlechte Wahl. Es bietet sich der Analog
> Comparator an, den man mit z.B. einer selbst erzeugten PWM und Glättung
> sogar mit Auto Trigger Schwelle ausstatten könnte. Der AC erzeugt gleich
> einen Interrupt, der sich zum Zählen eignet.

von Lurchi (Gast)


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Wenn man nur zählen will, also etwa in Bereich der Einzelphotonen 
Empfindlichkeit, wird man in der Regel schon eine schnelle Verstärkung 
brauchen. Der Arduino kann im Zählmodus (z.B. T1 Eingang) im Prinzip 
Pulse ab etwa 100 ns Zählen.

Der µC im Arduino hat einen analog comperator Eingang. Das ist schon 
relativ schneller interner Komparator, den man ganz gut nutzen könnte, 
allerdings nicht zusammen mit dem direkten Zählen durch den HW counter. 
Zählen müsste man dann ggf. in Software und wäre auf eher geringe Raten 
(z.B. 100 kHz) begrenzt.

Ob in wie sehr man das Signal noch verstärken muss, hängt vom PMT und 
der Spannung ab. Für niedrige Raten reicht ggf. ein etwas höherer 
Widerstand und Überspannungsschutz und der Komparator Eingang.
Für hohe Raten dürfte ein eher kleiner Widerstand und dann ein schnller 
Verstärker und dann Schmidt trigger / schneller externer Komparator 
nötig sein.  Möglich wäre da etwa so etwas wie ein 100 Ohm bis 1 K 
Widerstand nach Masse und dann ein schneller Verstärker wie etwa ein 
NE592. D.h. die Bandbreite sollte schon deutlich über 1 MHz sein, d.h. 
ein OP mit GBW besser als 10 MHz. Wenn man weiß wie es geht könnte man 
wohl auch eine diskret aufgebaute Verstärkung (etwa in Basisschaltung) 
nutzen.

Der PMT liefert negativen Strom. Das muss man ggf. beim Verstärker 
beachten.

Die Feineinstellung der Amplitude kann man ggf. über die Spannung am PMT 
machen.

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