雙脈沖法精確測量PMT脈沖線性電流的實驗設(shè)計

陳鈺鈺，唐登攀，胡孟春

(中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621900)

光電倍增管工作在脈沖方式下，其脈沖線性特性是光電倍增管的基本性能之一，脈沖線性主要由峰值電流決定，強脈沖光入射時，在后級有大電流流過，因空間電荷密度高而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。這一特性參數(shù)表征光電倍增管脈沖工作條件下真實反映待測信號的能力，光電倍增管生產(chǎn)廠家一般會提供。但該參數(shù)會根據(jù)被測信號的寬度、頻率等屬性的變化而發(fā)生改變，理論計算光電倍增管脈沖線性參數(shù)具有很大難度。一般，線性范圍指輸出偏離線性a%的輸出電流，a一般取5或10[1]。探測器的線性測量研究起步很早，已提出了多種測量探測器線性的方法，有偏振片法、雙脈沖法、XY示波法、波形比較法。一些使用者對這些方法進行實驗研究和改進，提高了測試精度。中國科學院高能物理研究所粒子天體物理重點實驗室利用LED作為發(fā)光光源，將疊加法應(yīng)用于脈沖線性的測量[2]。西北核技術(shù)研究所應(yīng)用李薩如圖形法對光電倍增管最大脈沖線性參數(shù)進行了實驗研究[3]。XY示波法和波形比較法需兩只PMT，其中1只PMT作為標準管。標準管輸出在線性范圍內(nèi)只能說明其輸出電流偏離線性直線的差值在一定范圍內(nèi)，由光電倍增管生產(chǎn)廠家設(shè)定，常為5%或10%。這說明光電倍增管的輸出電流與嚴格意義上的線性實際上已產(chǎn)生一定程度的偏離。因此標準管的線性度直接影響測試精度。而偏振片法和雙脈沖法只用1只PMT，很好地規(guī)避了這個問題。但在偏振片法中，偏振片組旋轉(zhuǎn)的角度與折射率的關(guān)系需事先校準，校準精度一般不是很高。有研究發(fā)現(xiàn)：當光電倍增管的偏離線性度a%大于5%，在對波形數(shù)據(jù)進行微分處理比較時，得到的處理結(jié)果數(shù)據(jù)將出現(xiàn)較大的不確定度。為減低這種不確定度，本工作以雙脈沖法為基礎(chǔ)，將建立1套光電倍增管偏離線性度小于5%的精密測量系統(tǒng)，為降低波形數(shù)據(jù)微分處理不確定度提供技術(shù)支持。

1 雙脈沖方法

讓強、弱兩種LED脈沖時間上交替點亮，并使它們各自脈沖的發(fā)光強度之比預(yù)定為K。LED燈發(fā)光使PMT陽極產(chǎn)生脈沖電流，當PMT陽極輸出電流非常小(一般電流值為mA量級)時，PMT處于嚴格線性輸出狀態(tài)。此時，LED燈脈沖的強、弱兩種光對應(yīng)的PMT的輸出電流為Ip02、Ip01，Ip02、Ip01與LED發(fā)光強度成正比，所以，Ip02/Ip01=K。通過拉近距離、旋轉(zhuǎn)偏振片或減少減光片使PMT接收到的發(fā)光強度增大，PMT的輸出電流也相應(yīng)增大，導致線性偏離。PMT接收到的發(fā)光強度增大后，當弱脈沖光的輸出為Ip1，強脈沖光的輸出為Ip2時，兩脈沖的輸出比為Ip2/Ip1=K′，通常PMT在輸出較高電流Ip2時首先偏離線性，因此，Ip2/Ip1

本文應(yīng)用雙脈沖法時使用了減光片，減光片為中性減光片，透過光譜范圍覆蓋LED燈發(fā)光光譜范圍。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗設(shè)備構(gòu)成與連接

1臺DG2020用于給LED燈供電，并實現(xiàn)光源強、弱兩次發(fā)光間隔10 s。兩臺示波器分別記錄光源強、弱兩次發(fā)光PMT對應(yīng)的信號。1臺高壓電源用于給PMT供電。設(shè)備連接如圖1所示。

圖1 實驗設(shè)備連接

2.2 光源系統(tǒng)的選擇與設(shè)計

固定光源位置不變，用1只LED燈作為燈源，避免發(fā)光光譜、角分布等參數(shù)的差異。設(shè)置DG2020一路信號通道電壓為5 V，另一路信號通道電壓為7 V，通過二極管并聯(lián)電路給LED供電，使LED燈發(fā)出兩種不同強度的光。始終不改變LED供電電壓，這樣可保證LED燈發(fā)光更穩(wěn)定。設(shè)置LED供電電壓的目的是使LED燈的發(fā)光強度之比K約為3～4，利于拉開弱光和強光下PMT輸出電流的差距，又利于在實驗中獲得PMT脈沖輸出電流全曲線的過程中增加電流的取值點。通過改變光路中的減光片數(shù)量，達到改變光電倍增管接收到的LED發(fā)光強度的目的，使光電倍增管輸出脈沖峰值電流在mA～A范圍內(nèi)取值。

LED燈既可連續(xù)發(fā)光也可脈沖發(fā)光，這取決于給LED燈所加電壓的情況。設(shè)計LED燈發(fā)光由DG2020供電，調(diào)節(jié)DG2020的電壓信號輸出時間寬度實現(xiàn)LED發(fā)光寬度的可調(diào)，因此可根據(jù)PMT的實際使用條件，有針對性地測量PMT對特定寬度脈沖信號的脈沖線性電流。此次實驗調(diào)節(jié)發(fā)光時間寬度約500 ns。測量脈沖線性電流時需使脈沖光源的重復(fù)頻率盡可能低，因為分壓器上并聯(lián)的電荷存儲電容的充電需要一定時間，當重復(fù)頻率過高時，脈沖的間隙時間過短，使電容不能充分充電，從而造成光電倍增管電極電位分布的改變，影響PMT的測試性能。實驗時，使用DG2020的塊和循環(huán)功能調(diào)節(jié)兩次脈沖時間間隔為10 s，時間分布如圖2所示。

圖2 DG2020觸發(fā)時間分布

2.3 記錄系統(tǒng)的選擇與靈敏度設(shè)置

實驗使用兩臺Tek5104數(shù)字示波器分別記錄PMT接收弱光和強光的輸出電流波形。Tek5104最大記錄長度即存儲深度為25 M字節(jié)，最大采樣頻率為10 G/s，即每點100 ps，示波器水平靈敏度為每格250 μs。這意味著，在最大記錄長度、最大采樣頻率下，示波器只能記錄2.5 ms的信號。若用1臺示波器記錄間隔10 s的兩個信號，示波器采樣時間需達20 s，則水平靈敏度至少每格1 s，那么即使記錄長度為25 M，采樣頻率僅每點400 ns，對寬度為500 ns的脈沖信號，示波器也只用不到兩個點進行記錄，采樣精度非常低。使用分路盒將兩種信號分別用兩臺示波器記錄，每個波形均獨立，不受兩個信號間隔10 s的時間約束，采樣精度可達每點100 ps。另一方面，分別記錄兩個信號，示波器的垂直靈敏度不會受強光信號的限制，分別調(diào)節(jié)兩臺示波器垂直靈敏度，使強、弱兩個信號在兩個示波器盡可能滿屏顯示，用示波器盡量多的點記錄波形，這提高了示波器的記錄精度，減小了讀數(shù)誤差。實驗只用1只光電倍增管，信號通過分路盒將光電倍增管輸出信號分別送入兩臺示波器，兩臺示波器分別用DG2020的信號觸發(fā)，當信號通道2的5 V信號點亮LED時，信號通道1觸發(fā)其中1臺示波器；當信號通道4的7 V信號點亮LED時，信號通道3觸發(fā)另一臺示波器(圖1)。這就實現(xiàn)了兩臺示波器分別記錄兩個信號的效果。隨減光片的減少，PMT接收到的光強不斷增強，需加衰減器時，將1個衰減器加在分路盒的前端(圖1)，這樣可減少由于兩個衰減器的細微差異導致實驗精度下降的可能。實驗還利用了示波器的平均功能，特別是測量弱信號時，增加測量次數(shù)可減少噪聲對信號的干擾，提高測試精確度。信號經(jīng)示波器平均前、后的對比如圖3所示。單次測得波形的噪聲震蕩達近50 mV，占信號峰值幅度約1/5，采樣多次平均后的結(jié)果更準確，讀數(shù)誤差明顯減少。

圖3 信號經(jīng)示波器平均前、后截圖

3 數(shù)據(jù)處理與修正

實驗采用俄制CHT系列光電倍增管[5]。實驗數(shù)據(jù)列于表1。對Ip1前4個最小輸出值對應(yīng)的K′取平均得到K，線性度為K′/K。考慮到當光電倍增管輸出大于700 mA時，線性度已略微偏離線性直線，需進行修正。修正采用線性插值的方法。線性度及修正線性度列于表1。如第14組數(shù)據(jù)，強光PMT輸出2 450 mA時，實驗得其線性度為0.862，此值基于弱光PMT輸出828 mA為100%線性這一前提。從第11組和第12組數(shù)據(jù)插值得到PMT輸出828 mA線性度為0.988。則PMT輸出2 450 mA時的真實線性度修正為0.988×0.862=0.852。第15組數(shù)據(jù)采用同樣計算方法修正后，得到線性度為0.719。實驗認為，小于1%的誤差是允許的。PMT脈沖峰值輸出小于569 mA時，計算得到的線性度在1.00±0.01范圍內(nèi)，認為PMT輸出在線性100%范圍，因此修正時線性度全歸為1.000，即PMT未出現(xiàn)輸出非線性。

表1 雙脈沖法線性度

將峰值電流實驗值和修正后的非線性度參數(shù)作圖，得到該光電倍增管完整的脈沖線性曲線，如圖4所示。

圖4 光電倍增管線性曲線

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，采用分段線性插值的方法，可計算出該光電倍增管偏離線性度1%、2%、5%、10%的陽極輸出電流分別為765、1 000、1 375、1 932 mA。

4 結(jié)論

本文討論了使用雙脈沖方法測試光電倍增管脈沖線性電流，并通過實驗細節(jié)的設(shè)計提高了測試精度，精度達1%。此方法的優(yōu)勢在于不需標準管作參照，且避免了標準管工作在非線性范圍時的影響，設(shè)計后的雙脈沖方法可針對待測信號屬性進行較簡便、精確的光電倍增管脈沖線性參數(shù)測量。

參考文獻：

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