光電倍增管的原理及特性測(cè)量

陳鑫，念聰，王巧

（西藏大學(xué)理學(xué)院，拉薩850000）

1 光電倍增管技術(shù)原理及濱松R5912 型光電倍增管

1.1 光電倍增管技術(shù)原理

光電倍增管技術(shù)的應(yīng)用是建立在外光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上一種光電感應(yīng)原件。在實(shí)際的工作中一般應(yīng)用在紫外、可見以及近紅外區(qū)等光譜區(qū)域。光電倍增管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)除了光電陰極和陽(yáng)極外，其兩極之還放置多個(gè)瓦形倍增電極。在使用中管內(nèi)相鄰兩倍增電極之會(huì)間產(chǎn)生電壓加速電子。在光電倍增管光電陰極受到光源照射后會(huì)釋放出光電子，之后其在電場(chǎng)作用下射向第一倍增電極，形成電子二次發(fā)射、三次發(fā)射等，最終造成管子內(nèi)電子數(shù)的不斷倍增[1]。最終光電倍增管陽(yáng)極收集到的電子可增加104～108倍，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)微弱光信號(hào)的檢測(cè)。因此，為提高光電倍增管使用質(zhì)量，開展了其測(cè)量技術(shù)與其在生產(chǎn)中的實(shí)踐應(yīng)用研究。

1.2 濱松R5912 型光電倍增管

濱松R5912 型光電倍增管是一種8 英寸的中型光電倍增管，它目前在包括國(guó)家“十三五”重大設(shè)施LHAASSO 實(shí)驗(yàn)及在西藏開展的水切倫科夫?qū)嶒?yàn)中，有較大規(guī)模的應(yīng)用，雖然濱松R5912 型光電倍增管為一種市場(chǎng)化、規(guī)模化生產(chǎn)的器件，但由于它的高靈敏度，快速響應(yīng)等特點(diǎn)，使得每個(gè)光電倍增管的性能并不完全一致，并且廠家給出的參數(shù)中，也不能完全滿足宇宙線實(shí)驗(yàn)的需求，因此需要對(duì)其特性進(jìn)行分析。

2 測(cè)試流程與主要測(cè)試部件

圖1 光電倍增管測(cè)量流程圖

2.1 測(cè)試部件

此次實(shí)驗(yàn)測(cè)試的光電倍增管的型號(hào)為濱松R5912，在特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，采用了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)光電倍增管特性進(jìn)行測(cè)試。其主要的測(cè)試原件主要包括以下四個(gè)部分：

①測(cè)試信號(hào)采集系統(tǒng)。測(cè)試信號(hào)的采集質(zhì)量決定了特性測(cè)試的整體效果，因此采用了VME 機(jī)箱為平臺(tái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集信號(hào)。信號(hào)采集測(cè)試系統(tǒng)主要是由CPU 與FEE 前端電子板組成。每塊FEE 板有32 個(gè)通道，可以同時(shí)測(cè)量32 路信號(hào)，用于記錄信號(hào)的相關(guān)信息。其中CPU 系統(tǒng)是向FEE 板發(fā)送指令，并將FEE 采集處理的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)線傳遞給電腦和脈沖信號(hào)發(fā)生器。脈沖信號(hào)發(fā)生器采用CAEN 公司DG5102 可編程脈沖發(fā)生器，波形、脈沖寬度、輸出電壓可調(diào)。之后通過(guò)FEE 板的32 個(gè)通道，完成對(duì)32 路輸入信號(hào)信息的記錄，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送給測(cè)試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

②高壓信號(hào)源系統(tǒng)。這一系統(tǒng)主要為測(cè)量工作提供強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境。此次試驗(yàn)是通過(guò)高壓源模塊產(chǎn)生的高壓測(cè)試信號(hào)，該模塊是意大利CAEN 公司生產(chǎn)的SY5527 多通道高壓源。

③LED 光源信號(hào)。用光源測(cè)量光電倍增管的光電子譜一般有四種方法，即分別用LED、激光、放射源、Xe 燈四種光源，光源信號(hào)是光電倍增管信號(hào)測(cè)試的必備裝置。此次試驗(yàn)使用了LED 燈光源。這主要是由于LED 燈發(fā)出的光與光電倍增管使用的光波段較為接近，進(jìn)而提高了測(cè)試整體質(zhì)量，同時(shí)為了精確地測(cè)得單光電子譜，采用傳導(dǎo)光纖將其微弱的光縮小截面至光電倍增管。

④測(cè)試暗室。為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所需的完全避光環(huán)境，單獨(dú)隔離出一間空屋使其處于完全避光環(huán)境并搭建了實(shí)驗(yàn)暗箱用于安置測(cè)量的光電倍增管與LED 光源。

2.2 高壓響應(yīng)曲線特性分析

這里我們主要對(duì)光電倍增管的高壓響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試與分析。在試驗(yàn)中這一參數(shù)的測(cè)量主要包括了以下過(guò)程。

首先，通過(guò)測(cè)量高壓響應(yīng)曲線參數(shù)，獲得已知的陽(yáng)極輸出電荷量：

在這一公式中：N 代表在光強(qiáng)條件下光電倍增管中光陰極發(fā)出的光電子量；G 代表光電倍增管增益。試驗(yàn)中光電倍增管在兩個(gè)不同高壓下，其對(duì)應(yīng)增益與陽(yáng)極輸出電荷對(duì)應(yīng)關(guān)系公式為：

根據(jù)這一公式測(cè)得光電倍增管在區(qū)別高壓下陽(yáng)極輸出電荷數(shù)，同時(shí)在公式兩邊取10 的對(duì)數(shù)點(diǎn)進(jìn)行直線擬合[2]，數(shù)據(jù)采集過(guò)程通過(guò)對(duì)PMT 施加高壓，PMT輸出脈沖經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，ROOT 系統(tǒng)軟件讀取數(shù)字信號(hào)，用Origin 繪制圖像，獲得了PMT 的高壓響應(yīng)圖像。

因此，PMT 的光電子經(jīng)過(guò)n 級(jí)倍增后的增益與高壓為線性關(guān)系：

log10（gain）=a+βlog（hv）

實(shí)驗(yàn)仍然運(yùn)用上述所示基本測(cè)試系統(tǒng)，將示波器與電腦通過(guò)局域網(wǎng)相連作為采數(shù)系統(tǒng)，通過(guò)改變加載到PMT 上的高壓可以計(jì)算得到相應(yīng)的電荷量，進(jìn)而測(cè)試得到高壓響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)LED 的光強(qiáng)至適當(dāng)強(qiáng)度，同時(shí)選取加載到PMT 上的高壓范圍為900～1800V，使得PMT 輸出信號(hào)幅值不超過(guò)線性范圍。實(shí)驗(yàn)中我們通過(guò)示波器對(duì)總共十個(gè)測(cè)試點(diǎn)（每隔100V 為一個(gè)采樣點(diǎn)）的波形進(jìn)行了測(cè)試、取樣和數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)直線擬合得到如圖所示結(jié)果β=7.038，a=-15.96,然后將β代入公式（2），便可得到該電壓下的增益。

圖2 光電倍增管高壓響應(yīng)曲線

3 結(jié)語(yǔ)

在運(yùn)行過(guò)程中光電倍增管除了絕對(duì)增益外，也存在直接工作中的低增益狀態(tài)。但是在實(shí)際的測(cè)試中，由于低增益狀態(tài)下其電子信號(hào)幅度較微弱，因此其參數(shù)很難實(shí)際測(cè)量，為此我們需要測(cè)量到光電倍增管的高壓響應(yīng)曲線。在本次實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)濱松R5912 型光電倍增管高壓特性測(cè)量為以后光電倍增管的增益分析提供了理論支持，為更細(xì)致地對(duì)R5912 型光電倍增管研究做好了充分的準(zhǔn)備。