光電倍增管在地基粒子天體物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

劉茂元 陳鑫 念聰

光電倍增管因其極高的靈敏度、快速響應(yīng)等特點(diǎn)在探測(cè)微弱光信號(hào)及快速脈沖光信號(hào)方面是一個(gè)重要的探測(cè)器件。地基粒子天體物理實(shí)驗(yàn)中對(duì)光電倍增管有廣泛的應(yīng)用，本文簡(jiǎn)要介紹了它在地基粒子天體物理實(shí)驗(yàn)中的用途及需要精確測(cè)量的幾個(gè)參數(shù)。

1引言

光電倍增管于1934 年第一次研制成功，它作為弱光探測(cè)器已有80多年的發(fā)展歷史，它經(jīng)歷了光度測(cè)量、閃爍計(jì)數(shù)、時(shí)間測(cè)量等幾個(gè)發(fā)展階段以后。自20世紀(jì)70年代開始光電倍增管進(jìn)入飛速發(fā)展的階段各種結(jié)構(gòu)和功能的光電倍增管層出不窮性能參數(shù)也不斷提高由于光電倍增管具有極高的靈敏度、快速響應(yīng)等特點(diǎn)在探測(cè)微弱光信號(hào)及快速脈沖光信號(hào)方面是一個(gè)重要的探測(cè)器件.因此，光電倍增管被廣泛應(yīng)用到光譜分析、遙感衛(wèi)星測(cè)量、環(huán)境監(jiān)測(cè)等廣闊領(lǐng)域。在地基粒子天體物理實(shí)驗(yàn)中光電倍增管做為粒子探測(cè)器也被大量使用。

2光電倍增管原理及分類

光電倍增管一般由光電陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)、二次發(fā)射倍增系統(tǒng)和陽極組成，光電陰極是由光電發(fā)射材料制成，光子進(jìn)入陰極產(chǎn)生光電效應(yīng)而發(fā)射電子，我們稱為一次電子。光電陰極上產(chǎn)生的每一個(gè)電子，在電場(chǎng)作用下加速、聚焦、轟擊第一個(gè)打拿極，就會(huì)產(chǎn)更多的電子，我們稱為二次電子。這樣依次類推。經(jīng)過10個(gè)或更多的打拿極。最后，經(jīng)倍增的光電子被陽極收集而輸出信號(hào)。光電倍增管的種類較多，分類方法也多樣。根據(jù)光電倍增管的窗口形狀，可分為側(cè)窗式光電倍增管和端窗式光電倍增管;根據(jù)窗口結(jié)構(gòu)，光電倍增管可分為凹鏡窗式、棱鏡窗式等;根據(jù)其入射光的波長(zhǎng)范圍.光電倍增管可分為紅外光電倍增管、紫外光電倍增管;根據(jù)光電倍增管所具有的特殊功能，它可分為耐高溫光電倍增管、快速光電倍增管、高穩(wěn)定度光電倍增管等。光電管雖然是一種最簡(jiǎn)單的光敏管，但用途不同，其結(jié)構(gòu)變化也較多。

3光電倍增管的主要性能參數(shù)

3.1靈敏度和工作光譜區(qū)

光電倍增管的靈敏度S是指在1lm的光通量照射下所輸出的光電流強(qiáng)度，靈敏度隨入射光的波長(zhǎng)而變化，這種靈敏度稱為光譜靈敏度，而描述光譜靈敏度隨波長(zhǎng)而變化的曲線稱為光譜響應(yīng)曲線，由此可確定光電倍增管的工作光譜區(qū)和最靈敏波長(zhǎng)。

3.2暗電流

光電倍增管在全暗條件下工作時(shí)，陽極所收集到的電流稱為暗電流。當(dāng)光電倍增管在很低電壓下工作時(shí)，玻璃芯柱和管座絕緣不良引起的歐姆漏阻是暗電流的主要成分，暗電流隨工作電壓的升高成正比增加;當(dāng)工作電壓較高時(shí)，暗電流主要來源于熱電子發(fā)射。因此，降低溫度及降低電壓都能降低暗電流。

3.3噪聲和信噪比

在入射光強(qiáng)度不變的情況下，暗電流和信號(hào)電流兩者的統(tǒng)計(jì)起伏叫做噪聲。這是由光子和電子的量子性質(zhì)而帶來的統(tǒng)計(jì)起伏以及負(fù)載電阻在光電流經(jīng)過時(shí)其電子的熱騷動(dòng)引起的。輸出光電流強(qiáng)度與噪聲電流強(qiáng)度之比值，稱為信噪比。顯然，降低噪聲，提高信噪比，將能檢測(cè)到更微弱的入射光強(qiáng)度。

4光電倍增管在地基粒子天體物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

當(dāng)外太空的高能宇宙射線（原處宇宙射線）進(jìn)入大氣層后，會(huì)與空氣核發(fā)生作用，產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子，次級(jí)粒子會(huì)分布在幾十至上千平方米范圍內(nèi)，在地面建立探測(cè)器陣列，就可以根據(jù)次級(jí)粒子到達(dá)的時(shí)間，探測(cè)器著火的數(shù)目及橫向分布等信息，重建出原初宇宙射線的方向和能量等信息。

在地基粒子天體物理實(shí)驗(yàn)中，光電倍增管作為大部分探測(cè)器的核心部件在實(shí)驗(yàn)中起著關(guān)鍵性作用。探測(cè)器一般由探測(cè)介質(zhì)（如塑料閃爍體，水等），光導(dǎo)設(shè)備，光電倍增管，電子學(xué)系統(tǒng)等組成，粒子到達(dá)探測(cè)介質(zhì)后與探測(cè)介質(zhì)發(fā)生作用而發(fā)光，光子經(jīng)光導(dǎo)設(shè)備到達(dá)光電倍增管，經(jīng)光電倍增管后，光子變?yōu)殡娮?，并?jīng)過放大，傳輸?shù)诫娮訉W(xué)系統(tǒng)。

由于一般的探測(cè)陣列由幾十甚至成百上千的單元探測(cè)器組成，雖然每個(gè)探測(cè)器應(yīng)用同一型號(hào)的光電倍增管，但由于它的生產(chǎn)工藝及高精度等性質(zhì)的因素，在相同的高壓下，每個(gè)光電倍增管的增益也會(huì)不同。如果增益不同，那么相同的粒子打在不同探測(cè)器上得到的信號(hào)也就不一致，這樣將造成重建的方向，能量信息的不準(zhǔn)確，甚至于探測(cè)器陣列數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。為此，必須使每個(gè)光電倍增管的增益一致，也就是使它們工作在相同增益的電壓下，這就要求在應(yīng)用光電倍增管組成探測(cè)器陣列之前，對(duì)它們的高壓響應(yīng)作一次準(zhǔn)確測(cè)試，確定它的工作高壓，使它們?cè)鲆嬉恢隆ＭǔＧ闆r，每個(gè)光電倍增管會(huì)有不同的工作電壓。

光電倍增管的線性范圍也是一個(gè)重要的參數(shù)，即輸入的光子與輸出的信號(hào)之間的線性時(shí)才能準(zhǔn)確的測(cè)出次級(jí)粒子能量。由于有時(shí)會(huì)碰到能量很大的次級(jí)粒子打在探測(cè)器上后發(fā)出較多的光子，造成光電倍增管的不在其線性范圍內(nèi)或者飽和，這樣不能準(zhǔn)確測(cè)出到達(dá)粒子能量。所以必須準(zhǔn)確測(cè)量每個(gè)光電倍增管的線性范圍。如果僅僅一種光電倍增管不能達(dá)到要求的話，可以在一臺(tái)探測(cè)器選用兩種類型的光電倍增管，但這會(huì)造成成本的大量增加。另一種方法是采用中間打拿級(jí)輸出形式，以增大光電倍增管的量程，但這時(shí)要注意打拿級(jí)輸出與陽極輸出的線性關(guān)系，兩者呈線性，才可以用于測(cè)量次級(jí)粒子能量。

項(xiàng)目資助：西藏大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目2018QCX010。

（作者單位：西藏大學(xué)理學(xué)院）