光電轉化器件光陰極量子效率測量研究

夏經鎧 錢 森 王文文, 寧 哲 程雅蘋 王貽芳江曉山 王 錚 李小男 祁 鳴 衡月昆 劉術林

光電轉化器件光陰極量子效率測量研究

夏經鎧1,2,3錢 森1,2王文文1,2,4寧 哲1,2程雅蘋1,2,3王貽芳1,2江曉山1,2王 錚1,2李小男1,2祁 鳴4衡月昆1,2劉術林1,2

1（核探測與核電子學國家重點實驗室 北京 100049）
2（中國科學院高能物理研究所 北京 100049）
3（中國科學院大學 北京 100049）
4（南京大學 南京 210093）

光電器件（光電倍增管、光電二極管、太陽能電池等）的應用研究日益廣泛，對其性能的測試要求也越來越高，尤其是對其核心部件光陰極光電轉化量子效率(Quantum efficiency, QE)的測試和標定。通過建立的光陰極性能測試系統(tǒng)，開展了對各種型號光電器件陰極的測試研究。測試研究內容包括對光陰極在特定波長下QE的絕對測量和相對測量、對光陰極頻譜響應特性的測量以及對光陰極面均勻性的掃描測試。目前對多種不同型號的光電二極管(Photo diode, PD)和光電倍增管(Photomultiplier tube, PMT)光陰極QE的測試結果顯示，無論采用絕對測量或相對測量，其結果均與已有第三方標定結果一致；同時，搭建的二維掃描測試平臺實現(xiàn)了對平面型光陰極均勻性的快速準確測試。

光電轉化器件，光陰極，量子效率測量

光電探測器是將輸入光信號轉換成輸出電信號的探測器件，因其具有高探測效率及快時間響應等優(yōu)點而廣泛應用于各種探測及成像領域。光電倍增管、光電二極管等典型光電探測器大量運用于核物理及粒子物理實驗中。光電探測器中，實現(xiàn)光電轉換功能的核心部件是光陰極。光陰極工作所依據的原理是光電效應，即光陰極材料吸收入射光子能量并傳遞給價帶電子，使其激發(fā)躍遷成為自由電子，形成電信號。

光陰極的探測靈敏度表示其將入射光信號轉換為可輸出電信號的能力，與入射光的波長相關，通常用輻射靈敏度S或量子效率(Quantum efficiency, QE)來表示。盡管不同的行業(yè)采用不同的定義，但兩者對光陰極光電轉化的表征是一致的。在特定波長下，光陰極發(fā)射的光電流與入射光強的比值定義為輻射靈敏度(A/W)；光陰極發(fā)射的光電子數與入射光子數的比值則定義為量子效率。兩者間換算關系如式(1)所示[1]：

式中，h是普朗克常數；c是光在真空中的速度；λ是入射光的波長；e是電子所帶電量。

光陰極光電轉換效率的高低通常用QE表示，它是決定整個光電探測器探測效率的關鍵因素。在實際應用研究中，對光陰極量子效率的準確測試非常重要。如在高能物理領域的中微子觀測中，通常要求所使用光電倍增管對來自液體閃爍體或水契倫柯夫效應的光具有20%以上的量子效率[2]。因此在實驗建設階段需要對準備使用的光電倍增管進行量子效率測試，篩選出合格的產品。此外在光陰極技術研究領域，對量子效率的準確測量能夠為光陰極的研制提供重要依據。

本文建立的光電倍增管性能測試實驗室包括一套準確可靠的光陰極量子效率測試系統(tǒng)。利用這套測試系統(tǒng)對多種不同型號的光電探測器件的光陰極性能進行測試。

1 實驗測試系統(tǒng)

本實驗室建立了一套功能全面、操作自動化和可遠程控制獲取的光陰極測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)的結構分為三層：第一層位于避光良好的暗室內，主要包括待測光電探測器，不同種類的光源及實驗平臺；第二層是用于控制和測量的各種硬件設備，如脈沖發(fā)生器、皮安表和功率計等；第三層是運行于計算機上的遠程控制和數據獲取軟件，計算機操作系統(tǒng)為Windows 7，軟件采用LabVIEW編程，通過RS232、GPIB及Ethernet等通信總線與第二層的硬件設備進行交互，控制實驗的進行并存取測量數據。

實驗中使用了不同種類的光源，包括便于移動和安裝的410 nm激光二極管，可提供300-800 nm波段光的單色儀，功率可調的OPO激光器（波長210-1 000 nm）。上述三種光源產生的均為光斑直徑小于3 mm的點光源，照射在光陰極上可對光陰極相應位置處量子效率進行測量研究。

同時實驗裝置中包括一個20 cm×20 cm的二維移動平臺。將待測光電探測器或光源固定安裝在平臺上，可以實現(xiàn)對平面型光陰極面的量子效率均勻性掃描。測試過程中使用410 nm的激光二極管作為光源，因為通常在大量使用光電倍增管的中微子實驗中，從添加了移位劑的液體閃爍體中產生的光子峰值波長在410 nm附近[3]。

激光二極管光源長時間的穩(wěn)定性如圖1所示。長時間監(jiān)測顯示其功率的穩(wěn)定性為：7.52±0.22 μW，滿足測試要求。

圖1 410 nm激光二極管光源長期穩(wěn)定性測試Fig.1 Stability measurement results of the 410-nm laser diode.

利用上述測試系統(tǒng)，完成了大量實驗測量工作。首先利用410 nm的激光二極管，對多種不同種類的光電探測器，如各種型號的光電倍增管和硅光電二極管在該波長處的量子效率進行了測量。在測量中使用了兩種不同的方法——相對測量和絕對測量，將兩種測量得到的結果進行了比較驗證。對平面型光陰極，利用移動平臺完成了陰極面量子效率均勻性的掃描。此外，使用單色儀提供的不同波長光源，完成了對多種光陰極的頻譜響應測量。

2 光陰極性能研究測試結果

2.1光陰極光電流坪曲線測試

光陰極光電轉化效率的測定主要是通過監(jiān)測其在特定入射光下產生的光電流。該光電流在測量量子效率的實驗條件下為幾納安培到幾十納安培，實驗中使用可精確到0.1 nA的微小電流計測量得到。在測試中，無論是對樣管的靜態(tài)測試還是在樣管制備平臺上的動態(tài)測試，對入射光源的強度要進行合理的調節(jié)，如圖2所示，對于不同的光電陰極，相同功率條件下相同波長的單色光(410 nm)入射到光陰極面上時，監(jiān)測其光電流獲得坪曲線的陰極電壓不同。這意味著對光陰極的測試，尤其是對QE的監(jiān)測，不同的樣管，不同的光陰極，不能簡單地使用相同的光強和陰極工作高壓進行測試，如此，將會導致一些錯誤的現(xiàn)象發(fā)生。

如圖2所示，在同一410 nm光源照射下，不同型號的光電倍增管陰極電流到坪所需電壓不同。對于50.8 mm的XP2020[4](QE為23%)和203.2 mm的R5912-100[5](QE為35%)，若不考慮不同光陰極（有不同的坪曲線）需要不同的陰極高壓，僅對比光電流，將是不正確的。在R5912-100還沒有到坪的高壓（小于300V）情況下，用測得的光電流無法計算得到正確的QE，而在低于50 V下，XP2020的光電流甚至高出R5912-100的光電流。

圖2 不同PMT在相同光強下的光電流坪曲線Fig.2 Measured cathode current plateau curves of different PMTs.

2.2光陰極量子效率測試

本文在測量光陰極量子效率的過程中使用了相對測量和絕對測量兩種方法。在量子效率的相對測量中，使用了一個量子效率已知的參考硅光電二極管和一個分光鏡。參考硅光電二極管的量子效率數據由其生產廠家提供。分光鏡能將適當波長范圍內的入射光分成強度相同的兩束出射光，經實驗刻度，兩束出射光功率相差小于1%。測量過程中，兩束出射光分別入射到參考光電二極管和待測光陰極上。給兩者分別加上合適的直流電壓用于收集產生的光電子后，兩臺型號相同的微小電流計分別測量光電二極管和待測光陰極的光電流，則待測光陰極的量子效率可通過式(2)計算得出：

式中，QEPD是參考光電二極管的量子效率；Iunknown和IPD分別是測得的待測光陰極和參考光電二極管的光電流。通過相對測量得到的部分光電探測器在410 nm的量子效率結果見表1。

表1 部分光電探測器在410 nm量子效率測量結果Table 1 QE@410 nm measurement results of several photoelectric devices.

在光陰極量子效率的絕對測量中，使用了一臺可精確到0.1 nW的小功率計來直接測量照射到待測光陰極上光的功率。測量得到入射光的功率Plight和相應的光陰極電流Iunknown后，可通過式(3)計算得到光陰極在該波長入射光下的輻射靈敏度S(λ)，進而量子效率可由式(1)計算得到。

從表1中看出，對多種不同種類的光電探測器，相對測量和絕對測量得到的量子效率結果一致。此外，對比部分由生產廠家或第三方單位提供的測量結果，我們的測量結果也與其非常一致，表明所建立測試系統(tǒng)具有高度的可靠性和準確性。

2.3光陰極表面均勻性掃描

如§1介紹，為測量平面型光陰極表面均勻性，實驗中使用了一個移動平臺以實現(xiàn)光源照射到光陰極面位置的變化。平臺的移動可通過軟件遠程控制，并按需求設計了完整的自動化掃描功能。

在整個掃描過程中，光源入射方向垂直于待測光陰極面，以最大程度地避免入射窗口及光陰極的反射效應對測量結果造成影響(如圖3)。圖4是一只50.8 mm圓面陰極光電倍增管的量子效率掃描結果?？梢钥闯鲈摴怆姳对龉茉诳拷帢O面中心處量子效率最高，遠離中心靠近邊緣處量子效率最低。

圖3 二維平面掃描平臺Fig.3 Picture of the 2D scanning platform.

圖4 XP2020-PMT(50.8 mm)陰極量子效率均勻性掃描結果Fig.4 Measurement results of the cathode uniformity for a 50.8-mm PMT.

2.4光陰極頻譜響應

隨著入射光波長的變化，光電探測器的陰極靈敏度也會發(fā)生變化。不同種類的光陰極靈敏頻譜范圍和峰值響應波長不同，例如Cs-Te陰極的靈敏大致在150-350 nm，峰值響應波長在230 nm附近，而一般雙堿光陰極的靈敏范圍在300-550 nm，峰值響應波長在400 nm左右[5]。因此，對不同的實際應用，提前調研需要探測的光譜范圍并選擇在此范圍內靈敏度較高的光電探測器非常重要。

實驗中，我們使用單色儀提供300-700 nm的各波段光源，對不同種類的光陰極頻譜響應性能進行了測量。圖5是一只XP2020光電倍增管和一只R5912光電倍增管的量子效率隨波長變化曲線。

從圖5中曲線可以看到，上述兩種型號的光電倍增管陰極量子效率的峰值波長都在400 nm附近，在短波和長波波段量子效率都很低。圖6則測試對比了目前日本濱松公司生產的203.2 mm橢球形PMT的兩種量子效率曲線，其中常規(guī)光陰極樣管R5912在400nm處的量子效率為25%，而高量子效率光陰極SBA樣管R5912-100在400 nm處的量子效率提高到了35%。

圖5 R5912和XP2020的光陰極頻譜響應測試曲線Fig.5 Cathode spectral response of R5912 and XP2020.

圖6 濱松高量子效率PMT頻譜響應測試曲線Fig.6 Cathode spectral response of two Hamamatsu PMTs (one with high QE).

3 結語

通過光電倍增管性能測試實驗室的系列光源和自動化的儀器設備，可以對各種型號的光電器件的光陰極進行細致的研究和測試。不但可以測試其光陰極頻譜響應曲線，對于平面型光陰極，還能通過2D掃描平臺對其光陰極面的均勻性進行逐點掃描測試。

1 Sommer A H. Photoemissive materials: preparation, properties and uses[M]. Beijing: Science Press, 1979: 58-62

2 Wang Y F, Qian S, Zhao T, et al. A new design of large area MCP-PMT for the next generation neutrino experiment[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2012, 695: 113-117

3 Wang Y F. Hep-ex/0610024[A]. Proceedings of the 33rdInternational Conference on HEP (ICHEP06)[C]. Moscow: World Scientific, 2007

4 Photonis Corp. Photonis XP2020 data sheet[OL]. http://my.et-enterprises.com/pdf/XP2020.pdf, 2007

5 Kimitsugu Nakamura, Yasumasa Hamana, Yoshihiro Ishigami, et al. Latest bialkali photocathode with ultra high sensitivity[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2010, 623: 276-278

6 First Sensor Corp. First sensor PIN PD data sheet[OL]. http://www.mouser.com/ds/2/313/ps100-5-thd-501433_0[ 1]-203120.pdf

7 Hamamatsu Corp. Hamamatsu large photocathode area photomultiplier tubes data sheet[OL]. http://www. hamamatsu.com/resources/pdf/etd/LARGE_AREA_PMT _TPMH1286E05.pdf, 2008

8 HZC Photonis Corp. HZC Photonis XP1805 data sheet[OL]. http://hzcphotonics.com/products/XP1805.pdf

CLC TL813

Measurement and study of the photocathode quantum efficiency of photoelectric conversion device

XIA Jingkai1,2,3QIAN Sen1,2WANG Wenwen1,2,4NING Zhe1,2CHENG Yaping1,2,3WANG Yifang1,2JIANG Xiaoshan1,2WANG Zheng1,2LI Xiaonan1,2QI Ming4HENG Yuekun1,2LIU Shulin1,2
1(State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Beijing 100049, China)
2(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
3(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
4(Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Background:Photoelectric devices such as photomultiplier tubes (PMTs), photo diodes (PDs) and solar cells are widely used in many applications, so reliable evaluation on the performances of such devices is quite necessary, especially for the accurate measurements and calibrations on the photocathode quantum efficiency (QE).Purpose:We aim to build up a cathode performance evaluation system and study the properties of different types of cathodes.Methods:Two different methods named as the relative measurement and the direct measurements were employed to measure the QE values of cathodes. In addition, a 2D platform was built to achieve convenient and accurate processes for the plane type photocathode position uniformity test.Results:With the evaluation system, the cathode properties of dozens of photoelectric devices were tested. The measured QE results, either from the relative or the direct measurement, are consistent with the data provided by the manufacturers or a third party.Conclusion:Our cathode evaluation system is reliable and could be used to study the detailed photocathode properties such as QE, spectral response and position uniformity.

Photoelectric conversion device, Photocathode, Quantum efficiency (QE) measurement

TL813

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.090401

國家自然基金面上項目(Grant No.10775181)、中國科學院儀器設備專項資金資助

夏經鎧，男，1990年出生，2011年畢業(yè)于北京航空航天大學，現(xiàn)為中國科學院高能物理研究所博士研究生，核技術及應用專業(yè)

錢森，E-mail: qians@ihep.ac.cn

2014-05-16，

2014-06-23