光電倍增管的原理及特性測(cè)量

陳鑫 念聰 王巧

【摘 要】西藏得天獨(dú)厚的地理位置為宇宙線觀測(cè)提供了一個(gè)天然的平臺(tái)，20世紀(jì)80年以來(lái)建立的羊八井宇宙線觀測(cè)站也已經(jīng)取得一系列重大成果。而隨著宇宙線研究的不斷深入，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的要求也更加精準(zhǔn)。電磁粒子探測(cè)器正是這種高精度實(shí)驗(yàn)器材，而光電倍增管可謂是探測(cè)器中最敏感的部件?；诖耍撐膶?duì)濱松R5912型光電倍增管的主要技術(shù)特性開展了測(cè)量與特性實(shí)踐應(yīng)用研究，為這一技術(shù)推廣提供了技術(shù)理論保障。

【Abstract】Tibet's unique geographical location provides a natural platform for cosmic ray observations. The Yangbajing Cosmic Ray Observatory， which was established in the 1980s， has also achieved a series of major achievements. With the deepening of cosmic ray research， the requirements for experimental instruments are more precise. The electromagnetic particle detector is precisely this kind of high precision experimental equipment， and the photomultiplier tube is the most sensitive components in detectors. Based on this， the main technical characteristics of Hamamatsu R5912 photomultiplier tube are measured and applied in practice， which can provide technical and theoretical guarantee for the popularization of this technology.

【關(guān)鍵詞】濱松R5912型光電倍增管;原理;測(cè)試系統(tǒng);高壓響應(yīng)特性

【Keywords】 Hamamatsu R5912 photomultiplier tube; principle; test system; high-voltage response characteristics

【中圖分類號(hào)】TN152? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）04-0155-02

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(jiàn)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。

2.1 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)，Log10和Log10對(duì)應(yīng)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：

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。

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。

【參考文獻(xiàn)】

【1】陳超.光電倍增管特性及應(yīng)用研究[J].數(shù)字通信世界， 2018（07）：136-137.

【2】陳鵬， 祝鳳榮， 閔振， 等. 光電倍增管的性能研究[J]. 電子科學(xué)技術(shù)， 2016， 3（3）：212-216.