Definition eines PMT-Pulses

[ABel]

Hallo,

ich habe da noch ein paar Oszilloskop-Messungen (Tektronix TDS 3032, 300 MHz, 2,5 GS/s) aus dem Juli 2025 ausgegraben. Gemessen habe ich die Spannungsdifferenz am Lastwiderstand (RL) im Divider.

Die erste Messung erfolgte an einem Divider mit 330 kOhm-Interdynodenwiderständen, einem Lastwiderstand von 330 kOhm, bei 600 V und ohne Last an der Signalleitung. Zwischen min. und max. ergibt sich eine Amplitude von 51,2 V, folglich ein Anodenstrom von 155 µA.

Die Zeiten für Fall und Rise werden zwischen 10% und 90% der Amplitude ermittelt.

Die 2te und 3te Messung erfolgte an einem Divider mit 3,3 MOhm-Interdynodenwiderständen, einem Lastwiderstand von 1 MOhm, bei 600 V und mit einer statischen Last (Widerstand) von 3 bzw. 6 MOhm an der Signalleitung. Zwischen min. und max. ergibt sich eine Amplitude von 34,0 bzw. 50,2 V, folglich ein Anodenstrom von 34 bzw. 50,2 µA.

Der Trigger war so eingestellt, dass ca. alle 2 Minuten ein Puls getriggert wurde. Mir ist klar, dass die Zerfallsereignisse die zu den Pulsen führten von sehr unterschiedlicher Energie waren.

Nun habe ich versucht, das Mal in LTspice zu simulieren. Erste – für mich überraschende – Erkenntnis: Der Puls der Anode fließt über die Hochspannungsquelle ab. Erst wenn die Hochspannungsquelle einen Innenwiderstand erhält, fließt ein Teil des Anodenstroms auch durch die Interdynodenwiderstände nach GND.

Mehrfach habe ich gelesen, dass der Puls an der Anode des PMT durch eine Stromquelle (also nicht durch eine Spannungsquelle) simuliert werden soll. Das bedeutet also, das der Anodenstrom unabhängig von der angeschlossenen Last ist. Dies widerspricht meiner Erfahrung beim Messen. Ich habe mehrfach nur den internen Lastwiderstand in einem Divider gewechselt. Mit kleiner werdendem Lastwiderstand steigt der aus Spannungsdifferenz und Widerstandswert berechnete Strom.

Weil aber die Zerfallsereignisse immer verschieden sind, lässt sich aus den Messergebnissen keine Gesetzmäßigkeit herleiten.

Gibt es eine Gesetzmäßigkeit für die Abhängigkeit des Anodenstroms von einer Last? Gibt es Formeln oder Diagramme dafür? Lässt sich diese Gesetzmäßigkeit simulieren?

Gruß Andreas

[opengeiger.de]

Hierin findet sich ein Ersatzschaltbild eines PMT:
 
https://et-enterprises.com/images/brochures/Understanding_Pmts.pdf

Was für den gepulsten Betrieb von PMTs sehr wichtig ist, der effektive Lastwiderstand stetzt sich zusammen aus dem DC-wirksamen Lastwiderstand RL von der letzten Dynode zur Anode und dem AC-wirksamen Lastwiderstand RL', der hinter dem Hochspannungs-Kondensator, der zur Auskopplung des Signals verwendet wird, gegen Ground für höhere Frequenzen sichtbar wird. Während RL oft im MOhm Bereich liegt, wird RL' oft sehr niederohmig gewählt um die Bandbreite durch die Eingangskapazität nicht zu sehr zu reduzieren und den Eingangswiderstand präzise zu definieren. Manche Leute wählen ihn sogar zu 50Ohm, damit die Koaxialleitung vom PMT zum Verstärker im Sinne des Wellenwiderstands korrekt terminiert ist und keine Reflexionen bei längeren Leitungslängen auftreten. Ein PMT Impuls setzt sich zum größten Teil aus Frequenzanteilen zusammen, für die die Auskoppelkapazität quasi einen Kurzschluss darstellt. Wenn RL' << RL ist, dann dominiert RL' was die Amplitude der Impulse anbelangt, die am Verstärkereingang wirksam werden.
In diesem Dokument ist RL' in Figure 5-24 (Kathode auf Ground) zusammen mit der Eingangskapazität CL' dargestellt:

https://highvoltageforum.net/index.php?action=dlattach;attach=347

Das darf man beim Simulieren nicht vergessen.
 

[opengeiger.de]

So nun habe ich nochmal eine etwas detaillierte Literatur zu allen Themen um das PMT ausgegraben (für die Fans, die noch mit Röhren arbeiten). Das ist dieses sehr umfassende Buch, das man vom Web runterladen kann:

Radiation Detection and Measurement
Third Edition
Glenn E Knoll
Professor of Nuclear Engineering and Radiological Sciences
University of Michigan
Ann Arbor, Michigan

https://phyusdb.wordpress.com/wp-content/uploads/2013/03/radiationdetectionandmeasurementbyknoll.pdf

Da stehen natürlich auch noch ganz andere schöne und wissenswert Sachen drin, aber zum PMT findet sich jetzt auf Seite 284 oben das entscheidende Bild 9.13
Sie dürfen in diesem Board keine Dateianhänge sehen.

Das obere Bild a) ist das was für die meisten Bastleransätze, die mit der Theremino-SW arbeiten das Richtige ist, wo die Hochspannung an der Anode liegt und die Kathode gegrounded ist. Und da sieht man das RL' und das CA (ich habe das CL' getauft, weil da auch die Eingangskapazität des Pulse-Shapers und Pre-Amplifiers drinsteckt). Und das muss man in jedem Fall in dem Ersatzschaltbild des PMT-Anodenkreises (figure 11 in https://et-enterprises.com/images/brochures/Understanding_Pmts.pdf
) mitsimulieren, sonst stimmt alles nicht.

In diesem Buch findet man auf Seite 577 auch das Chapter 16 Pulse Processing and Shaping. Da ist alles Wichtige was das Pulse Shaping anbelangt, erklärt. Wenn der Pulse Shaper nicht ideal vom PMT durch einen Buffer Amplifier abgekoppelt ist, dann muss man eigentlich den kompletten Eingangskreis auch mit simulieren um den PMT-Impuls korrekt zu bekommen, so wie er dann weiterverstärkt wird. Aber in erster Größenordnung reicht es oft nur RL' zu berücksichtigen, wenn RL' klein genug ist für das was (aus AC-Sicht) danach kommt. Der Eingangskreis meines opengeigerPMT sieht so aus:
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Was da jetzt ganz wichtig ist, ist eben der 50k Poti am Eingang, der hinter der Auskoppel-Kapazität Cc liegt. Der repräsentiert jetzt quasi RL' in erster Größenordnung und liegt AC-mäßig gesehen parallel zum RL an der Anode. Da er aber viel kleiner ist als der Anodenwiderstand RL, dominiert er jetzt für das AC-Signal nach dem Koppel-C (also für die Pulse ohne den DC-Anteil) den Lastwiderstand und wandelt so den Anodenstromimpuls in den Eingangsspannungsimpuls. Und mit dem Poti mache ich daher auch die Anpassung der Impuls-Amplitude and den Eingangsspannungsbereich während das RL an der Anode den DC-Arbeitspunkt des PMT bestimmt und den Angaben des PMT-Herstellers folgt. Mindestens der eingestellte Wert RL' des Poti muss mitsimuliert werden um den Eingansimpuls richtig darzustellen. Und den Poti (oder vergleichbaren Widerstand) muss es in der Schaltung auch geben, sonst werden die Pulse natürlich riesig. Die OP-Schaltung danach ist eine Filterschaltung und wirkt als Pulse-Shaper. Die ist sehr komplex und die will ich hier nicht erklären, aber dazu steht einiges in diesem Chapter 16. Aber wie gesagt, das 50k Poti darf man nicht vergessen es repräsentiert den AC-Lastwiderstand an den PMT und das muss man für die Definition des PMT-Impulses am Eingang des Verstärkers auf jeden Fall mit berücksichtigen, damit die Amplitude stimmt.

[ABel]

Hallo,

ich hab die Literatur von Bernd erst zum Teil gesichtet. Anbei Mal ein ziemlich komplexes LTspice-Schema, das aber an vielen Stellen noch nicht abgesichert ist.

Der Innenwiderstand der Theremino-HV-Versorgung beträgt ca. 3 MOhm, von meinem HV-Netzteil mit dem C10940-Modul von HAMAMATSU kann ich den Innenwiderstand nicht messen, es regelt die Spannung bei unterschiedlicher Last nach. Der RiAC-Widerstand ist willkürlich gesetzt. Frei nach der Überlegung, er wird viel kleiner als der DC-Innenwiderstand sein, das er Null ist, ist unwahrscheinlich.

Den Polt1 hab ich hinter die erste Filterstufe im PMT-Adapter verlegt, damit ich im Eingang der PMT-Adapters immer mindestens die 1 MOhm von R6_neu habe. Es geht dabei darum, dass der Anodenstrom des PMT nicht über 100 uA steigen darf.

Gruß Andreas

[ABel]

Hallo,

hier ein übersetzter Textauszug aus
https://et-enterprises.com/images/brochures/Understanding_Pmts.pdf

Mit den Formeln 7 und 8 hatte ich auch schon gespielt
siehe: Entwurf von Photomultiplier-Ausgangsschaltungen
https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php/topic,3044.0.html
es ist mir damals nicht gelungen daraus handhabbare Resultate zu gewinnen.

Gruß Andreas

[ABel]

Hallo,

mit negativer HV an der Kathode müsste das so aussehen (Anlage). In Hardware ist der Divider hierfür noch nicht fertig. Für C2 und C3 sollte eigentlich ein 1μF/1,5kV rein, ich konnte max. aber nur 2x 470nF/1kV im 2220-Gehäuse dafür finden.

Nach Empfehlung aus Understanding_Pmts.pdf Kapitel 8.1. hab ich für PMT_RL2 als Sicherheitswiderstand schon 10 MOhm eingebaut.

Die Output-Pulse sind hier erheblich länger. Da müsste wohl an den Filterstufen noch etwas geändert werden?!

Gruß Andreas

[Peter-1]

Eine schüchterne Frage 
Was ist das Ziel ? Es gibt ausreichend gute und einfache Schaltungen welche problemlos funktionieren und so einen Gammameßplatz aufbauen lassen. Ob positive oder negative Hochspannung die richtige Wahl sind haben Schriften von bekannten PMT-Hersteller erläutert. Schaltbilder der PMT-Ankopplung sind bestens bekannt und die Hardware funktioniert.

Was ist das Ziel dieser vielen Elektronikspielereien 
Andreas willst du überhaupt einen stabilen Meßplatz füe die Spektroskopie und damit auch über längere Zeit ( Monate, Jahre )  messen? Mein Meßplatz steht seit 2016 unverändert und läuft und läuft ...... 

[ABel]

Hallo Peter,

mit meinem BICRON Detektor lief sowohl der Theremino- als auch der opengeiger-PMT-Adapter-Nachbau problemlos. Mit dem Scionix-Detektor liefen beide nicht, weil die Amplituden viel höher waren.

Erster Lösungsversuch: Reduzierung des Lastwiderstandes im Divider. Das funktionierte zunächst. Als ich dann aber diesen Lastwiderstand als Shunt nutzte, errechnete ich einen Strom von mehreren 100 uA. Der Anodenstrom soll aber nach Datenblatt max. 100 uA betragen.

Zweiter Lösungsversuch: Ein Widerstand in der Signalleitung. 3 MOhm waren dafür nötig, damit beide PMT-Adapter zu vernünftigen Ausgangssignalen kamen. Theremino MCA konnte daraus erst Histogramme erzeugen, nachdem ich die BaseLine-Parameter erhöht hatte.

Dritter Lösungsversuch: Ein Poti im Eingang der PMT-Adapter. Den musste ich dann aber so weit runterdrehen (auf ca. 100 kOhm), das der Strom durch die Signalleitung wieder weit über 100 uA lag.

Andererseits zeigt der Scionix-Detektor (mit zu großem Anodenstrom) sehr viel ausgeprägtere Peaks als der BICRON (siehe Anlage). Daher möchte ich ihn zum Laufen bringen. Möglichst aber so, das er auf Dauer durch einen zu hohen Anodenstrom nicht blind wird.

Gruß Andreas

[Peter-1]

Im Diagramm die braune Kurve sagt mir, dass der Kristall schlecht ist oder die Ankopplung nicht richtig ist und nicht die Elektronik. 

[ABel]

Hallo Peter,

der BICRON Detektor stammt wohl vom Ende der 1990er und war in der Medizin wohl zur Messung radioaktiver Präparate eingesetzt. Er zeigt keine Beschädigungen. Ich habe ihn nicht geöffnet. Ich denke er ist verbraucht. Die Elektronik tut es (mit den oben benannten Einschränkungen) mit dem Scionix.

Gruß Andreas

[ABel]

Hier ein Input-Output-Vergleich beider PMT-Adapter.

Gruß Andreas

[Peter-1]

Andreas Du hast magische Kräfte und Sinne 
Ohne zu öffnen kennst Du den Zustand ! Respekt   

Er zeigt keine Beschädigungen. Ich habe ihn nicht geöffnet.

Und jetzt habe ich gelernt, dass ein Kristall sich verbraucht oder ists der PMT 

Mein Kristall stammt aus den 1960er Jahren als sich eine Firma in Karlsruhe mit so einem Kram noch beschäftigt hatte.

So schön gelb sieht ein alter unbrauchbarer Kristall aus. Mein gutes Stück ist absolut rein. Bei deinem Kristall ist sicher auch eine Gelbsucht vorhanden.
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[Radioquant98]

Hallo Peter,

ist das Gelbwerden nur eine Sache des Eindringens von Feuchtigkeit oder auch eine Alterung durch zu viel Strahlung?

Ja, und auch PMTs altern je nach Betriebssunden. Besonders läßt die Emissionsfähigkeit der Dynoden nach.

Viele Grüße
Bernd

[Peter-1]

Hallo Bernd,

ich kene die Gelbsucht nur durch gaaanz langsames Eindringen von Feuchtigkeit.
Alterung von PMT kenne ich beruflicht wie auch privat nur durch Überlastung. Beruflich hatte ich mit Hamamatsu wie auch EMI guten Kontakt. Die Nachfolge von RCA war total schlecht ( den Namen nenne ich nicht ).
Die  Kathode eines PMTs kann man durch Licht und zu hohen Strom sehr schnell schädigen. Auch das Rauschen eines PMTs ist stark von seiner Umgebung abhängig.
Einfach von den Hersteller die Schriften lesen, da steht alles gut beschrieben drin. Aber wer macht das schon 

Peter