LHAASO-MD光電倍增管的性能測(cè)試*

吳文雄，左 雄，肖 剛，張 毅，賈煥玉，王 輝

(1. 西南交通大學(xué)，四川 成都 611756；2. 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049)

針對(duì)當(dāng)前宇宙射線研究的核心問(wèn)題，我國(guó)物理學(xué)家提出了高海拔宇宙線觀測(cè)計(jì)劃，用來(lái)探索高能宇宙射線起源，全天區(qū)掃描伽馬射線源以及洛倫茲不變性破壞、暗物質(zhì)和量子引力等[1]。正在中國(guó)四川省稻城縣海子山建設(shè)的高海拔宇宙線觀測(cè)站是一個(gè)混合地面探測(cè)器陣列，主要由3部分組成：(1)平方千米地面簇射粒子陣列(The one KiloMeter square extensive air shower Array, KM2A)；(2)面積達(dá)78 000 m2的水切倫科夫探測(cè)器陣列(Water Cherenkov Detector Array, WCDA)；(3)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(Wide Field of View Cherenkov Telescope Array, WFCTA)[2]。其中平方千米地面簇射粒子陣列包括5 195個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1 171個(gè)μ子探測(cè)器。光電倍增管作為μ子探測(cè)器的核心部件，在安裝前必須對(duì)μ子探測(cè)器光電倍增的性能進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試光電倍增管的單光電子譜 、高壓響應(yīng)、非線性、暗噪聲計(jì)數(shù)率等[3]。而μ子探測(cè)器中的1 171支光電倍增管需要在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)進(jìn)行批量測(cè)試，光電倍增管滿足的指標(biāo)要求是在工作高壓下的增益為2 × 106；工作高壓下的單光電子譜峰谷比大于2；暗噪聲計(jì)數(shù)率在2 mV小于5 kHz；陽(yáng)極電流的非線性大于25 mA；陽(yáng)極等效電流大于或等于1.6 A。為了驗(yàn)證測(cè)試的結(jié)果和處于高原上光電倍增管性能是否正常，需要在四川省稻城縣海子山上跟中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)測(cè)試條件幾乎相同的情況下對(duì)光電倍增管進(jìn)行抽樣測(cè)試，一方面要滿足上述的指標(biāo)要求，另一方面要跟中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)批量測(cè)試數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差即系統(tǒng)誤差保持在2%以?xún)?nèi)。

1 測(cè)試平臺(tái)搭建

光電倍增管的性能主要包括單光電子譜、高壓響應(yīng)、暗噪聲及線性度等，為了研究光電倍增管的性能，搭建了基于VME/NIM混合總線機(jī)箱及其插件的測(cè)試平臺(tái)，其中，主要插件有扇入扇出(N625)、16通道的組合放大器(N979B)、8通道的前沿甄別器(N842)、雙量程16通道的電荷轉(zhuǎn)換器(V965)、32通道的計(jì)數(shù)器(V830)、8通道的波形數(shù)字轉(zhuǎn)換器(V1751)。圖1是光電倍增管各性能的測(cè)試框圖。

圖1 光電倍增管測(cè)試框圖

Fig.1 Photomultiplier tube test block diagram

單光電子譜測(cè)試過(guò)程是用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路同步信號(hào)，一路使發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)發(fā)光，然后發(fā)光二極管在距離光電倍增管光陰極10 cm處直射在其光陰極上，光電倍增管陽(yáng)極產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)10倍放大器經(jīng)示波器觀察服從泊松分布后接入電荷轉(zhuǎn)換器V965測(cè)試通道；另一路為標(biāo)準(zhǔn)的脈沖-800 mV，脈寬100 ns的信號(hào)經(jīng)扇入扇出后作為觸發(fā)門(mén)信號(hào)接入電荷轉(zhuǎn)換器。

高壓響應(yīng)測(cè)試過(guò)程與單光電子譜的測(cè)試方法一樣。

暗噪聲測(cè)試過(guò)程為處于暗箱中的光電倍增管在高壓條件下工作半小時(shí)，此時(shí)光電倍增管暗噪聲計(jì)數(shù)率波動(dòng)很小，后將光電倍增管陽(yáng)極信號(hào)放大10倍，接入甄別器設(shè)置2 mV閾值，然后過(guò)閾的信號(hào)送入計(jì)數(shù)通道，測(cè)試單位時(shí)間內(nèi)過(guò)閾的信號(hào)數(shù)目。

陽(yáng)極與打拿極幅值比的測(cè)試是用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路同步信號(hào)，一路激勵(lì)發(fā)光二極管發(fā)光，發(fā)光二極管經(jīng)光纖傳輸后照射在光電倍增管光陰極上，光電倍增管陽(yáng)極產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)衰減器接入波形數(shù)字轉(zhuǎn)換器V1751測(cè)試通道，打拿極的信號(hào)經(jīng)放大器放大10倍后接入波形數(shù)字轉(zhuǎn)換器測(cè)試通道；另一路為標(biāo)準(zhǔn)的脈沖-800 mV，脈寬100 ns的信號(hào)作為觸發(fā)門(mén)信號(hào)接入波形數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

陽(yáng)極的非線性測(cè)試過(guò)程為經(jīng)信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)兩路獨(dú)立的光纖照射在光電倍增管的光陰極上，使LED1和LED2單獨(dú)發(fā)光和同時(shí)發(fā)光，光電倍增管陽(yáng)極的輸出信號(hào)經(jīng)衰減器后接入波形數(shù)字轉(zhuǎn)換器，另一路為標(biāo)準(zhǔn)的脈沖-800 mV，脈寬100 ns的信號(hào)接入波形數(shù)字轉(zhuǎn)換器。打拿極的非線性與陽(yáng)極不同，是光電倍增管打拿極的輸出信號(hào)直接接入波形數(shù)字轉(zhuǎn)換器[4]。

2 插件標(biāo)定

為了對(duì)光電倍增管進(jìn)行精確測(cè)量，需要對(duì)一些關(guān)鍵插件進(jìn)行標(biāo)定，其中，標(biāo)定的插件主要有電荷轉(zhuǎn)換器V965、波形數(shù)字轉(zhuǎn)換器V1751和放大器N979B。

電荷轉(zhuǎn)換器的標(biāo)定為信號(hào)發(fā)生器調(diào)出兩路同步信號(hào)，第1路為標(biāo)準(zhǔn)脈沖-800 mV，脈寬100 ns的信號(hào)經(jīng)扇入扇出作為觸發(fā)門(mén)信號(hào)接入電荷轉(zhuǎn)換器；第2路為50 ns，-50 mV的波形經(jīng)過(guò)扇入扇出接入電荷轉(zhuǎn)換器測(cè)試通道進(jìn)行測(cè)試，然后將這兩路信號(hào)接入高精度示波器，取波形分析電荷量。

波形數(shù)字轉(zhuǎn)換器的標(biāo)定為信號(hào)發(fā)生器調(diào)出兩路同步信號(hào)，第1路為標(biāo)準(zhǔn)脈沖-800 mV，脈寬100 ns的信號(hào)作為觸發(fā)門(mén)信號(hào)接入波形數(shù)字轉(zhuǎn)換器；第2路為50 ns，-50 mV的波形同時(shí)接入波形數(shù)字轉(zhuǎn)換器測(cè)試通道進(jìn)行測(cè)試，然后將這兩路信號(hào)接入高精度示波器取波形分析幅值。

放大器的標(biāo)定為信號(hào)發(fā)生器調(diào)出50 ns，-100 mV的波形接到高精度示波器上，從示波器上取波形分析幅值，之后將此信號(hào)接入放大器后再接到示波器上分析幅值。

表1為插件電荷轉(zhuǎn)換器、波形數(shù)字轉(zhuǎn)換器和放大器的標(biāo)定數(shù)據(jù)。其中，放大器有兩種放大倍數(shù)，每個(gè)通道分別有1、2兩個(gè)輸出。

3 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)在稻城海子山用VME/NIM混合機(jī)箱對(duì)LHAASO-MD光電倍增管進(jìn)行抽樣測(cè)試，一方面可以檢驗(yàn)μ子探測(cè)器中光電倍增管的指標(biāo)要求是否合格，一方面也可以與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)批量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

表1 插件標(biāo)定的數(shù)據(jù)

3.1 光電倍增管的性能分析

3.1.1 單光電子譜

為了精確測(cè)量光電倍增管的單光電子譜，將發(fā)光二極管調(diào)節(jié)到足夠弱，使得光電倍增管基本處于單光子照射下。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)分布如下：

(1)

其中，p1為泊松分布的期望值，代表測(cè)量的光信號(hào)平均值；p2和p3為臺(tái)階(pedstal)電荷峰的平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差；p4和p5為單光電子電荷峰的平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差。

圖2為光電倍增管在1 259.6 V電壓下的單光電子譜，可以得出增益為2.22 × 106，峰谷比為2.5，能量分辨率為33%。

圖2 工作高壓下單光電子譜

Fig.2 Single photoelectron spectrum at high voltage

3.1.2 高壓響應(yīng)

光電倍增管的高壓響應(yīng)曲線反應(yīng)了光電倍增管增益隨所加高壓變化的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中采用高壓響應(yīng)曲線測(cè)量法，測(cè)量光電倍增管輸出電荷和所加高壓的關(guān)系，光電倍增管的增益G對(duì)工作高壓V的變化關(guān)系：

G=AVβ，

(2)

其中，A為常數(shù)，β為倍增系數(shù)。圖3為光電倍增高壓響應(yīng)曲線圖，橫坐標(biāo)為取對(duì)數(shù)的高壓，縱坐標(biāo)為取對(duì)數(shù)所對(duì)應(yīng)的電荷值，從圖3可以得出，光電倍增管的β值為6.867。

3.1.3 暗噪聲

圖4為光電倍增管暗噪聲計(jì)數(shù)率，橫坐標(biāo)為閾值，縱坐標(biāo)為暗噪聲，可以看出隨著閾值的上升，暗噪聲在不斷下降，而在2 mV閾值下的暗噪聲為3 318 Hz，滿足μ子探測(cè)器中光電倍增管為2 mV下暗噪聲小于5 kHz的指標(biāo)要求。

圖3 高壓響應(yīng)曲線

Fig.3 High-voltage response curve

圖4 暗噪聲

Fig.4 Dark noise

3.1.4 陽(yáng)極和打拿極的幅值比

圖5為陽(yáng)極和打拿極的幅值比，橫坐標(biāo)為打拿極的幅值，縱坐標(biāo)為陽(yáng)極的幅值，他們的幅值比為139.4。

3.1.5 非線性

圖6為陽(yáng)極和打拿極非線性的測(cè)試結(jié)果，橫坐標(biāo)為兩個(gè)發(fā)光二極管單獨(dú)發(fā)光的電流之和，縱坐標(biāo)為非線性，設(shè)置非線性指標(biāo)5%，由圖6可以得出，陽(yáng)極的非線性為31.4 mA，打拿極的非線性為13 mA，因此，陽(yáng)極的等效電流為1.81 A，滿足陽(yáng)極非線性大于25 mA，等效電流大于或等于1.6 A的指標(biāo)要求。

圖5 陽(yáng)極和打拿極的幅值比

Fig.5 Amplitude ratio of anode and dynode

3.1.6 小結(jié)

綜上，光電倍增管性能達(dá)到了μ子探測(cè)器中光電倍增管的指標(biāo)要求。

3.2 批量數(shù)據(jù)對(duì)比

本次在四川省稻城縣海子山上抽樣測(cè)試了20支光電倍增管的性能，每只光電倍增管性能都達(dá)到了μ子探測(cè)器的指標(biāo)要求。圖7～圖10為稻城海子山批量測(cè)試數(shù)據(jù)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差即(Vd-Vk)/Vk，Vd為稻城海子山測(cè)試的數(shù)據(jù)，Vk為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)測(cè)試的數(shù)據(jù)。

圖6 陽(yáng)極和打拿極的非線性

Fig.6 Non-linearity of anode and dynode

圖7～圖10的橫坐標(biāo)分別為工作高壓、陽(yáng)極非線性、陽(yáng)極和打拿極的幅值比、等效陽(yáng)極電流與科大測(cè)試的相對(duì)偏差，縱坐標(biāo)為事例計(jì)數(shù)，各參數(shù)的相對(duì)偏差平均值均小于2%，兩套測(cè)試系統(tǒng)間的系統(tǒng)偏差較小，稻城測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量誤差小于4%，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量誤差小于3%，其相對(duì)偏差的測(cè)量誤差估算結(jié)果小于5%，與圖中測(cè)試結(jié)果相符。

圖7 工作高壓的相對(duì)偏差

Fig.7 Relative deviation of working high pressure

圖8 陽(yáng)極非線性的相對(duì)偏差

Fig.8 Relative deviation of anode nonlinearity

圖9 陽(yáng)極和打拿極比值的相對(duì)偏差

Fig.9 Relative deviation of anode and dynode ratio

圖10 等效陽(yáng)極電流相對(duì)偏差

Fig.10 Relative deviation of anode equivalent current

圖11～圖12分別為暗噪聲和峰谷比的對(duì)比，橫坐標(biāo)為光電倍增的編號(hào)，縱坐標(biāo)分別為對(duì)應(yīng)的暗噪聲和峰谷比，可以看出，在海子山測(cè)試的暗噪聲相對(duì)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的大，而峰谷比相對(duì)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的要小，主要原因是海子山上測(cè)試環(huán)境相對(duì)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境要差，各種施工、測(cè)試用的電、宇宙線干擾等等。但從圖上也可以看出，在2 mV的閾值下暗噪聲小于5 kHz，峰谷比都大于2，滿足μ子探測(cè)器中光電倍增管的指標(biāo)要求。

圖11 暗噪聲的對(duì)比

Fig.11 Comparison of dark noise

圖12 峰谷比的對(duì)比

Fig.12 Comparison of peak-to-valley ratio

因此，可以得出稻城海子山上抽樣測(cè)試的光電倍增管的性能一方面滿足μ子探測(cè)器的指標(biāo)要求，另一方面與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)抽樣測(cè)試結(jié)果的相對(duì)偏差小于2%。

4 結(jié) 論

通過(guò)搭建基于VME/NIM混合總線機(jī)箱及其插件的測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)一些關(guān)鍵插件進(jìn)行標(biāo)定，得到這些插件的精確參數(shù)，最后用這套測(cè)試系統(tǒng)在稻城海子山上對(duì)LHAASO-MD光電倍增管性能進(jìn)行抽樣測(cè)試，驗(yàn)證了大尺寸光敏探頭的性能一方面達(dá)到μ子探測(cè)器的指標(biāo)要求，另一方面與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)測(cè)試的批量數(shù)據(jù)對(duì)比的相對(duì)偏差小于2%。