打拿極光電倍增管逐級(jí)增益自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

劉欣妍，錢(qián)蕓生，魏靜雯

（南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094）

引言

光電倍增管（photomultiplier tube, PMT）是微光探測(cè)系統(tǒng)的核心器件[1]，可以工作在紫外光譜、可見(jiàn)光譜甚至近紅外光譜區(qū)[2]，在化學(xué)分析[3]、醫(yī)學(xué)影像[4-5]、粒子物理學(xué)[6]、天文學(xué)[7]、紫外探測(cè)[8]等領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用。自1934 年第一只聚焦型PMT誕生以來(lái)，各種PMT 不斷涌現(xiàn)。根據(jù)倍增方式，PMT 可以分為打拿極PMT、微通道板光電倍增管（microchannel plate-photomultiplier tube, MCP-PMT）以 及 硅 光 電 倍 增 管（silicon photomultiplier tube,SiPM）3 大類(lèi)。國(guó)外打拿極PMT 的研制和生產(chǎn)廠商有日本Hamamatsu 公司、英國(guó)ET 公司和美國(guó)BURLE 公司等[9]。國(guó)內(nèi)主要有北方夜視技術(shù)股份有限公司、中國(guó)電子科技集團(tuán)第五十五研究所以及海南展創(chuàng)光電技術(shù)有限公司等單位。但由于國(guó)內(nèi)打拿極PMT 起步較晚，產(chǎn)品在性能方面仍有待提升。此外，國(guó)內(nèi)正在建設(shè)JUNO 探測(cè)器、地中海KM3NET 中微子探測(cè)器以及南極IceCube 中微子觀測(cè)站等，需要大量的高性能打拿極PMT。因此，研發(fā)和生產(chǎn)高性能?chē)?guó)產(chǎn)打拿極PMT 具有重要意義。逐級(jí)增益是評(píng)價(jià)打拿極PMT 性能的重要參數(shù)之一。

目前，國(guó)內(nèi)嘗試通過(guò)優(yōu)化打拿極PMT 的電子光學(xué)輸入系統(tǒng)及倍增極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以期改進(jìn)其增益特性，并取得了一定成果。最近中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所與國(guó)內(nèi)PMT 產(chǎn)商合作，設(shè)計(jì)了世界最短的3 英寸超緊湊型打拿極PMT，其增益在1100 V 電壓下可達(dá)到106量級(jí)，在一定電壓下甚至可以達(dá)到107量級(jí)[10]。增益測(cè)試是研發(fā)和生產(chǎn)高增益國(guó)產(chǎn)打拿極PMT 不可缺少的重要環(huán)節(jié)。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)僅有一臺(tái)由海南展創(chuàng)研制的打拿極PMT 逐級(jí)增益測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)人工調(diào)整各倍增級(jí)的電壓設(shè)置實(shí)現(xiàn)逐級(jí)增益測(cè)試，操作繁瑣且測(cè)試效率不高。為提高測(cè)試效率，本文擬根據(jù)打拿極PMT 的逐級(jí)增益測(cè)試方法，采用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的逐級(jí)增益信號(hào)控制與處理電路得到輸出信號(hào)，并基于Visual Studio 2012 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試，設(shè)計(jì)一套打拿極PMT 逐級(jí)增益自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，以期為國(guó)產(chǎn)打拿極PMT 的逐級(jí)增益特性提供準(zhǔn)確高效的自動(dòng)測(cè)試手段，并為其增益改進(jìn)提供參考。

1 測(cè)量原理

1.1 打拿極PMT 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

打拿極PMT 主要包括光電陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽(yáng)極組成。電子倍增系統(tǒng)是分立的[11]，且有8 個(gè)以上倍增級(jí)[12]，可分為環(huán)形籠狀、盒柵狀、線(xiàn)聚焦形、條狀波形、細(xì)篩形和微通道板型。圖1 為盒柵狀打拿極PMT 的結(jié)構(gòu)示意圖[13]。其工作原理如下：入射光透過(guò)輸入窗照射在光電陰極上，光電陰極因外光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子；施加在光電陰極和多級(jí)電子倍增系統(tǒng)間的負(fù)高壓使得光電子被加速并聚焦到第一倍增級(jí)上，第1 倍增級(jí)隨即發(fā)生二次電子發(fā)射產(chǎn)生更多的倍增電子，這些倍增了的二次電子又被加速聚焦到第2 倍增級(jí)上……經(jīng)過(guò)多次倍增后，電子被陽(yáng)極收集并輸出。

圖1 盒柵狀打拿極PMT 的基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of basic structure for box-grid type of dynode PMT

1.2 打拿極PMT 逐級(jí)增益測(cè)試原理

《GB/T 12564—2008 光電倍增管總規(guī)范》規(guī)定：增益是指在一定工作電壓下陽(yáng)極輸出電流與陰極電流的比值[14]。增益可按（1）式計(jì)算：

式中：Gi是第i級(jí)增益；Ii是第i倍增級(jí)的陽(yáng)極輸出電流，單位為mA；Ii?1是第i?1 倍增級(jí)的陽(yáng)極輸出電流，單位為mA；k為打拿極級(jí)數(shù)。

2 測(cè)量裝置組成

測(cè)試系統(tǒng)由自動(dòng)光源系統(tǒng)、測(cè)試暗箱、信號(hào)控制與處理電路和測(cè)試軟件組成，測(cè)試系統(tǒng)的原理圖如圖2 所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖Fig. 2 Block diagram of test system principle

圖3 為逐級(jí)增益測(cè)試系統(tǒng)示意圖。信號(hào)控制與處理電路、顯示屏和工控機(jī)均放在機(jī)柜內(nèi)。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of test system

2.1 硬件組成

1） 自動(dòng)光源

測(cè)試時(shí)一般要求目標(biāo)陰極電流值為10 nA，且逐級(jí)倍增后電流值可能會(huì)超過(guò)電流計(jì)設(shè)定閾值，因此需要設(shè)計(jì)自動(dòng)光源，通過(guò)改變光源輸出強(qiáng)度調(diào)整輸出電流。

鹵鎢燈的連續(xù)光譜波段范圍為450 nm ～940 nm，具有體積小、發(fā)光效率高、色溫穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是可見(jiàn)-紅外波段的理想光源[15]。因此，本文基于色溫為2 856 K 的24 W 溴鎢燈設(shè)計(jì)了自動(dòng)光源，采用多通道數(shù)字電源給其供電。光源在正式工作前必須進(jìn)行預(yù)熱才能進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，為保證測(cè)試效率，設(shè)計(jì)了電動(dòng)擋板，可以在不改變光源狀態(tài)的情況下控制光路的通斷。

配備了6 塊光密度（OD）值分別為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 的中性濾光片的電動(dòng)濾光片輪粗調(diào)光源輸出強(qiáng)度，相鄰2 塊濾光片之間照度的細(xì)調(diào)通過(guò)電動(dòng)可調(diào)光闌調(diào)節(jié)。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，自動(dòng)光源可以實(shí)現(xiàn)10?9lm～10?3lm內(nèi)光源輸出強(qiáng)度連續(xù)可調(diào)，滿(mǎn)足測(cè)試要求。

2） 信號(hào)控制與處理電路

光電倍增管正常工作時(shí)，陰極和陽(yáng)極間的電壓可高達(dá)上千伏，且要求高壓供電電源的穩(wěn)定性和輸入電壓的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.05%[16]。為滿(mǎn)足上述要求，實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)了PMT 逐級(jí)增益測(cè)試信號(hào)控制與處理電路，包含高壓控制模塊、電流計(jì)模塊和繼電器陣列。

高壓控制模塊可產(chǎn)生?3 000V～0 V 穩(wěn)定無(wú)過(guò)沖電壓，可通過(guò)RS485 串口與其通信，從而實(shí)現(xiàn)模式設(shè)置、電壓調(diào)節(jié)和高壓?jiǎn)⑼?。電流?jì)模塊負(fù)責(zé)采集電流信號(hào)，可通過(guò)RS485 串口將電流值傳送至上位機(jī)做進(jìn)一步的處理。此外，電流計(jì)有手動(dòng)和自動(dòng)2 種操作模式，且有1 mA、200 mA、2 μA、10 μA、50 μA、100 μA、500 μA、20 nA 共8 個(gè) 檔位，在自動(dòng)模式下，電流計(jì)可根據(jù)當(dāng)前電流值大小自動(dòng)切換至相應(yīng)的檔位。

在逐級(jí)測(cè)試每個(gè)倍增級(jí)時(shí)，保持前幾個(gè)倍增級(jí)間的電壓和分壓比不變是個(gè)難點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)了如圖4 所示的繼電器陣列，通過(guò)多個(gè)可變電阻和繼電器開(kāi)關(guān)的組合實(shí)現(xiàn)了級(jí)間電壓的通斷控制，而且分壓穩(wěn)定性在0.05%以?xún)?nèi)。其中，R1～R20 為可變電阻，SW1～SW42 為繼電器開(kāi)關(guān)。

圖4 繼電器陣列原理圖Fig. 4 Schematic diagram of relay array

2.2 測(cè)試軟件

在Visual Studio 2012 開(kāi) 發(fā) 環(huán) 境 下，基 于 模 塊化設(shè)計(jì)方法，利用Micorosoft Foundation Classes 編寫(xiě)了PMT 逐級(jí)增益自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件，通過(guò)ADO數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存至Microsoft Access 2010 中，其界面如圖5 所示。軟件包含測(cè)試信息輸入、電源控制、高壓電源控制、電流計(jì)控制、測(cè)試模式設(shè)置、繼電器陣列控制和數(shù)據(jù)庫(kù)操作等功能，并通過(guò)多線(xiàn)程開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)軟件界面Fig. 5 Interface of test system software

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試流程

本文對(duì)北方夜視技術(shù)股份有限公司南京分公司研制的打拿極PMT 進(jìn)行了逐級(jí)增益測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先運(yùn)行測(cè)試軟件30 min 給溴鎢燈預(yù)熱，光源供電電壓為12 V，電流為2 A，保證光源功率為24 W，遮光板保持關(guān)閉。再將第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管放至暗箱里的PMT 插座上，陰極面對(duì)著平行光管出光口。給PMT 陰極加上相應(yīng)的工作電壓，使其正常工作。繼電器選擇陰極測(cè)量模式。此時(shí)的電流計(jì)讀數(shù)為陰極暗電流值，打開(kāi)遮光板，調(diào)節(jié)光闌值，使得電流計(jì)讀數(shù)減去暗電流的電流值能夠達(dá)到測(cè)試要求的目標(biāo)陰極電流值I0。此時(shí)可以準(zhǔn)備第一倍增級(jí)的增益測(cè)試。

測(cè)試第一倍增級(jí)時(shí)，先關(guān)閉遮光板，系統(tǒng)自動(dòng)切換至第一級(jí)測(cè)試的繼電器陣列，輸出測(cè)試該級(jí)所需的高壓值?？刂齐娏饔?jì)讀取電流值，當(dāng)前值為該級(jí)暗電流值。再打開(kāi)遮光板，此時(shí)電流計(jì)讀取的電流需減去該級(jí)暗電流值才是該級(jí)倍增后的實(shí)際電流值I1，根據(jù)（1）式可以得出該級(jí)增益。余下倍增級(jí)各級(jí)增益測(cè)量方法與第一倍增級(jí)相同。PMT 的整管增益為各級(jí)增益相乘。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1） 增益特性

一般情況下，PMT 的整管增益G與工作電壓U的關(guān)系為[17]

式中：a是常數(shù)；b與打拿極材料和倍增級(jí)級(jí)數(shù)有關(guān)。由此可知，工作電壓對(duì)PMT 增益有直接影響：工作電壓越高，PMT 增益越大，且增益G與工作電壓U的對(duì)數(shù)值呈線(xiàn)性關(guān)系。

為驗(yàn)證上述理論，分別測(cè)試了3 個(gè)打拿極PMT 產(chǎn)品在不同工作電壓下的整管增益，結(jié)果如表1 所示。

表1 不同工作電壓下3 個(gè)PMT 的逐級(jí)增益Table 1 Progressive gain of three PMT at different operating voltages

基于最小二乘法在Matlab 平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的增益特性曲線(xiàn)如圖6 所示。

圖6 增益特性曲線(xiàn)Fig. 6 Fitting curves of gain characteristics

從圖6 可以看出，隨著工作電壓逐漸升高，PMT的整管增益越來(lái)越大，且整管增益與工作電壓的對(duì)數(shù)值確實(shí)呈線(xiàn)性關(guān)系。

2） 重復(fù)性測(cè)試

重復(fù)性是評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。其計(jì)算方法如下：式中：δ為重復(fù)性；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；x是n次測(cè)試的平均值；xi是第i次測(cè)得的數(shù)據(jù)。

首先在工作電壓為1 000 V 的情況下，分別對(duì)編號(hào)為PPH、8160 和PJ 的打拿極PMT 樣品連續(xù)測(cè)試6 次，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)和計(jì)算出的重復(fù)性結(jié)果分別如表2、表3 和表4 所示。

表2 PPH 號(hào)PMT 逐級(jí)增益測(cè)量結(jié)果Table 2 Progressive gain measurement results for PMT of PPH

表3 8 160 號(hào)PMT 逐級(jí)增益測(cè)量結(jié)果Table 3 Progressive gain measurement results for PMT of 8 160

表4 PJ 號(hào)PMT 逐級(jí)增益測(cè)量結(jié)果Table 4 Progressive gain measurement results for PMT of PJ

由表可知，單級(jí)增益測(cè)試重復(fù)性大部分在0.12%～0.95%之間波動(dòng)，個(gè)別單級(jí)增益重復(fù)性超過(guò)1%，但仍小于2%。整管增益測(cè)試重復(fù)性最高為1.94%，也在2%以?xún)?nèi)。因此測(cè)試結(jié)果重復(fù)性保持在2%以?xún)?nèi)，系統(tǒng)重復(fù)性很好。并且，前幾個(gè)倍增級(jí)由于光很弱，光電流與暗電流比值較小，暗電流對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，導(dǎo)致重復(fù)性波動(dòng)，隨著光強(qiáng)的增大，光電流逐漸加大，重復(fù)性也趨于穩(wěn)定。

3.3 誤差分析

本文所述測(cè)量方法中，影響打拿極PMT 逐級(jí)增益測(cè)量準(zhǔn)確性的主要因素是高壓電源的穩(wěn)定性和電流計(jì)的穩(wěn)定性，因此，本文對(duì)高壓電源的穩(wěn)定性和電流計(jì)的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)量。

為了具體分析，在高壓電源空載輸出1 000 V的情況下，對(duì)其輸出進(jìn)行了測(cè)量，并讀取了編號(hào)為PVB2210-4002 的PMT 工作時(shí)，在該電壓下電流計(jì)的輸出值，結(jié)果如表5 所示。

表5 高壓電源輸出和電流計(jì)輸出6 次測(cè)量結(jié)果Table 5 Six measurement results output by high-voltage power supply and galvanometer

高壓電源輸出誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1和電流計(jì)測(cè)量誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2為

由于不確定度分量u1和u2相互獨(dú)立，它們之間的相關(guān)系數(shù)為0 ，根據(jù)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算公式可得：

4 結(jié)論

針對(duì)國(guó)產(chǎn)高性能打拿極PMT 的逐級(jí)增益性能檢測(cè)需求，結(jié)合打拿極PMT 的工作原理，設(shè)計(jì)了一套可自動(dòng)檢測(cè)打拿極PMT 逐級(jí)增益的測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光源自動(dòng)調(diào)節(jié)、信號(hào)采集轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)保存等多項(xiàng)功能。在測(cè)試電路里設(shè)計(jì)了繼電器陣列，成功解決了倍增級(jí)極間電壓難以自動(dòng)控制的難題。通過(guò)改變打拿極PMT 電壓獲得了相應(yīng)的電壓增益關(guān)系曲線(xiàn)，并在Matlab 平臺(tái)上進(jìn)行了擬合，結(jié)果表明打拿極PMT 的增益與工作電壓符合指數(shù)關(guān)系。此外，在1 000 V 工作電壓下，對(duì)3 只打拿極PMT進(jìn)行了增益測(cè)試，測(cè)試結(jié)果重復(fù)性穩(wěn)定在2%以?xún)?nèi)。該系統(tǒng)為國(guó)產(chǎn)打拿極PMT 的增益特性提供了準(zhǔn)確高效的自動(dòng)測(cè)試手段，為提升打拿極PMT 的增益性能提供了實(shí)驗(yàn)支撐。