“日盲”紫外光電倍增管的性能研究

梁靜靜，衡月昆，李玉梅，阮向東，雷祥翠，方 燦，吳 智，王小狀，徐美杭，羅鳳嬌,劉術(shù)林，錢 森，閆保軍，楊玉真，楊露萍, 楊 彪

( 1. 廣西大學(xué)，廣西南寧530004；2. 中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049；3. 核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室，北京 100049；4. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026；5. 南京大學(xué)，南京 200093；6. 河南大學(xué)，開封 475001)

“日盲”紫外光電倍增管的性能研究

梁靜靜1,3，衡月昆2,3?，李玉梅1,3，阮向東1，雷祥翠2,3，方 燦1,3，吳 智2,3，王小狀3,4，徐美杭2,3，羅鳳嬌2,3,劉術(shù)林2,3，錢 森2,3，閆保軍2,3，楊玉真3,5，楊露萍3,6, 楊 彪2,3

( 1. 廣西大學(xué)，廣西南寧530004；2. 中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049；3. 核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室，北京 100049；4. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026；5. 南京大學(xué)，南京 200093；6. 河南大學(xué)，開封 475001)

“日盲”紫外光電倍增管（PMT）對日光不敏感，具有高量子效率、高日盲紫外線獲取率、低干擾性、響應(yīng)速度快、全天候工作等優(yōu)點而引起人們的重視。文章簡要介紹了“日盲”紫外光電倍增管的應(yīng)用，對日本濱松（Hamamatsu）公司生產(chǎn)的側(cè)窗型日盲紫外光電倍增管R7154的性能作了測試和研究，包括暗計數(shù)率、單光電子響應(yīng)以及渡越時間分散（TTS）等。結(jié)果表明，“日盲”紫外光電倍增管對單光電子具有較好的響應(yīng)，在增益為1.83×107時峰谷比可達(dá)到3.2，暗計數(shù)率低于60Hz，TTS可達(dá)到1.22ns，為其實際應(yīng)用提供了比較可靠的依據(jù)。

日盲；光電倍增管（PMT）；單光電子譜；暗計數(shù)率

1 引言

近年來，紫外線輻射越來越受到人們的重視，紫外探測技術(shù)也成為探測領(lǐng)域研究的熱點，成為了繼可見光、紅外探測技術(shù)之后又發(fā)展起來的一種重要的光電探測技術(shù)。紫外線輻射在很多現(xiàn)象中都存在，宇宙空間中太陽輻射、石油和酒精等燃燒的火焰、氣體污染物分子、閃電放電以及高壓電力設(shè)備的電暈現(xiàn)象等都含有紫外線輻射[1]。由此可見，紫外探測技術(shù)在高能物理、軍事、航天、通訊、天氣預(yù)報、火災(zāi)探測等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用需求。

“日盲”紫外光電倍增管因工作在日盲區(qū)[2]、紫外區(qū)而具有獨特的探測優(yōu)勢，它作為日盲紫外信號探測器具有高量子效率、高日盲紫外線獲取率、低干擾性、響應(yīng)速度快、全天候工作等優(yōu)點[3]。它在太陽中紫外輻射的地面觀測、高壓設(shè)備電暈檢測、降雹云的檢測、對空間目標(biāo)的捕獲跟蹤、紫外通信系統(tǒng)以及火災(zāi)預(yù)警等領(lǐng)域發(fā)揮了很重要的作用[4]。而在不同領(lǐng)域中，對“日盲”紫外光電倍增的性能的需求不一樣，因此在選用“日盲”紫外光電倍增管時，需要對不同“日盲”紫外光電倍增管的性能有一定的了解。

本文對“日盲”紫外光電倍增管（PMT）作了性能測試和研究，主要包括“日盲”PMT的單光電子譜、PMT的時間分辨、增益（Gain）、暗計數(shù)等，可為“日盲”紫外光電倍增管的實際應(yīng)用提供參考。

2 “日盲”PMT性能的測試

本次實驗選用的PMT是由日本濱松（Hamamatsu）公司生產(chǎn)的日盲型光電倍增管R7154，其響應(yīng)波長為160-320nm，最大靈敏波長為254nm。R7154是側(cè)窗型光電倍增管，側(cè)窗面積為24mm×8mm，光陰極面的材料是Cs-Te，它是一種對于300nm以上的波長靈敏度急劇下降的“日盲”材料[5]。窗口材料是透紫的石英玻璃，內(nèi)部有九個倍增級，每級間的分壓都是均等的。根據(jù)實驗的需求，我們對濱松公司的分壓電路做了改進(jìn)，并制作成PCB板。圖1（a）為日盲光電倍增管R7154[6]，（b）為R7154的分壓器回路，如圖所示，分壓電阻R1-R10的阻值510kΩ，為了減輕輸出波形的振蕩，在末端兩個倍增級接入阻尼電阻R11、R12[7]。

圖1 (a)日盲光電倍增管R7154[6]，(b)R7154的分壓器回路

2.1 UV-LED穩(wěn)定性測試

紫外發(fā)光二極管（UV-LED）在實驗中是給PMT性能研究提供測試光源，UV-LED是否滿足長時間穩(wěn)定工作將直接影響到PMT性能研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，在測試PMT的單光電子譜之前，UV-LED的長時間穩(wěn)定性工作測試是必要的。本實驗使用的UV-LED的波長為254 nm，穩(wěn)定性測試流程如圖2(a)所示，脈沖發(fā)生器驅(qū)動 UV-LED發(fā)光，通過功率計（Power Meter）測試功率。測試結(jié)果如圖 3(b)所示，其功率為1.601±0.0007μW，表明該發(fā)光二極管可進(jìn)行長期穩(wěn)定性工作。

圖2 (a)UV-LED穩(wěn)定性測試系統(tǒng)，(b)254nmUV-LED長期穩(wěn)定性測試

2.2 單光電子譜測試

2.2.1 測試系統(tǒng)

R7154單光電子譜的測試系統(tǒng)如圖3所示。測試過程中使用254nm的發(fā)光二極管（LED）作為光源，由脈沖發(fā)生器驅(qū)動發(fā)光，驅(qū)動頻率為1KHz，脈寬占空比調(diào)至0.001%，為脈沖發(fā)生器所能達(dá)到的最小值。光從石英玻璃殼側(cè)面射入光陰極面，在光陰極上發(fā)生光電效應(yīng)，電子經(jīng)過打拿級倍增后，匯集到陽極，從陽極引出電信號輸入QDC中作為測量信號。同時脈沖發(fā)生器同步輸出一個TTL脈沖信號，輸入扇入扇出（Fan In/Fan Out）相位發(fā)生180°轉(zhuǎn)變，經(jīng)過插件恒比定時甄別器（CFD）轉(zhuǎn)化為NIM電平，最終送入QDC輸出作為測量信號的開門信號，這樣就能保證QDC所取的信號均來自LED發(fā)出的光子信號，再通過計算機(jī)上Lebview數(shù)據(jù)獲取程序得到信號的電荷譜，并將數(shù)據(jù)收集保存。本次實驗使用的是脈沖發(fā)生器同步觸發(fā)的方法，在一定程度上，大大減小了自觸發(fā)的情況下高噪聲計數(shù)率的干擾，提高了信噪比。

圖3 單光電子的測試系統(tǒng)

2.2.2 PMT增益測試

光電倍增管的增益（Gain）等性能是在單光電子狀態(tài)下得到的。光子入射到光陰極產(chǎn)生的光電子經(jīng)過倍增級倍增后滿足泊松分布[8]規(guī)律

其中μ為第一倍增級收集到的平均光電子數(shù)。假設(shè)[9]e-μ=0.9,μ =0.1054；則P（1）==0.09486。因此，當(dāng)單光電子信號所占比例約為10%時，信號可以當(dāng)作單光電子信號[10]。

圖4 R7154的單光電子譜

圖4為測試R7154在1000V的高壓下得到的單光電子譜。其中，在電荷譜中計算增益（Gain）[9]、峰谷比（P/V）的方法分別是：

由此可知，在該高壓下的單光電子譜中，R7154的單光電子信號所占比例為10.33%、增益Gain=1.83×107、峰谷比P/V=3.2。

在單子狀態(tài)下，對增益進(jìn)行掃描。使用計算機(jī)上Labview軟件編寫的QDC取數(shù)程序?qū)7154輸出的電荷信號取數(shù)。取數(shù)時，R7154的工作電壓區(qū)間為750V-1250V，每隔25V取一次數(shù)，每次取數(shù)時間為5分鐘。在對R7154不同電壓下獲取的實驗數(shù)據(jù)擬合處理中，采用的是兩個單高斯函數(shù)擬合臺階峰和單光電子峰，再用一個雙高斯函數(shù)擬合整個電荷譜，得到不同電壓下的增益、單光電子信號的概率等。圖5為不同電壓下單光電子信號所占的比例，圖6為R7154的高壓-增益曲線。由圖可知，實驗中總共獲取了21個電壓下的單光電子譜，每個電壓下單光電子信號所占的比例約為10%，PMT的增益隨著高壓增加而增加，其變化滿足指數(shù)分布。

圖5 不同電壓下單光電子信號所占的比例

圖6 R7154的高壓-增益曲線

2.2.3 陽極暗計數(shù)率

光電倍增管即使在沒有光入射的情況下，在陽極也會產(chǎn)生計數(shù)，此即為陽極暗計數(shù)。而光電倍增管作為探測微弱光、微小電流的探測器，要求陽極暗計數(shù)越小越好。產(chǎn)生陽極暗計數(shù)的原因包括由光陰極和打拿極的熱電子發(fā)射，PMT內(nèi)的漏電電流，環(huán)境中各種射線導(dǎo)致PMT材料發(fā)光引起的噪聲電流等。

在室溫條件下，測試“日盲”紫外光電倍增管R7154在1000V的高壓下的陽極暗計數(shù)率，此時R7154的增益為1.83×107。將PMT放置在暗箱中，測試在甄別器中設(shè)置了3mV、4 mV、5 mV三個觸發(fā)閾值，采用Labview程序取數(shù)，每兩分鐘記一次數(shù)，連續(xù)取數(shù)12小時以上，陽極暗計數(shù)率的結(jié)果如圖7所示。由圖可知，觸發(fā)閾值分別為3mV、4mV、5mV 時，“日盲”紫外光電倍增管陽極暗計數(shù)率約為60Hz、48Hz、40Hz。

圖7 R7154的陽極暗計數(shù)率

2.2.4 PMT的時間特性

PMT的渡越時間分散（TTS）[7]是指光照射到光陰極起，到陽極輸出信號之間的時間的漲落，它是PMT的重要時間性能指標(biāo)。PMT的渡越時間漲落與光電子數(shù)目有關(guān)，一般是以單光電子狀態(tài)下的渡越時間漲落（TTS）來表征PMT的時間性能[11]。TTS常表示為時間譜的半高寬度（FWHM）。圖8為R7154的渡越時間分散（TTS）測試系統(tǒng)方框圖。

圖8 R7154的TTS測試系統(tǒng)

將PMT輸出來的信號和脈沖發(fā)生器給的門信號一起輸入數(shù)字示波器(RIGOL-DS1302CA)中，信號輸出采用的是直流耦合，通過USB接口連接計算機(jī)，經(jīng)過計算機(jī)上的Labview軟件編寫的程序?qū)π盘柌ㄐ芜M(jìn)行采集，共取 200000組數(shù)據(jù)。在單光電子狀態(tài)下，由于在數(shù)字示波器上顯示的波形信號在門信號中的位置和幅度會有抖動，因此，應(yīng)用Labview程序?qū)?shù)字示波器上的信號波形進(jìn)行大量采集并且運(yùn)用ROOT程序?qū)π盘柌ㄐ螖?shù)據(jù)進(jìn)行離線處理。

實驗取數(shù)時，R7154的高壓為1000V，在該電壓下，R7154的增益可達(dá)到1.83×107。為了得到R7154的TTS，先求出每個信號的幅度以及達(dá)峰時刻，再對每個信號的幅度作統(tǒng)計，得到信號幅度的平均值，取幅度平均值的1/4位置的點作為計算時間晃動的點。因為采用的是平均值來求時間晃動的點，而信號幅度存在晃動，過閾時間隨幅度有差異（Time-walk效應(yīng)），需要做時幅修正。根據(jù)以上原因分析，實際上的TTS與測量所得的TTS有如下關(guān)系[12]

圖9 T-A修正

其中T（A）是時間的修正項，滿足

修正結(jié)果如圖9所示。由圖可知，隨著信號幅度的增大，過閾時間減小，為了消除時幅的晃動，要做時幅修正，紅色線即為時幅修正擬合曲線。

修正前與修正后TTS的結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，R7154的時間譜是一個高斯分布，此時，半高寬度（FWHM）值是時間譜經(jīng)過高斯擬合后得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差的2.35倍[7]。由此可得，修正前的TTS為是1.56ns，修正后的TTS分別為1.22ns,相對于文獻(xiàn)[9],“日盲”紫外光電倍增管具有較小的TTS。

圖10 R7154修正前的TTS與修正后的TTS

3 小結(jié)

本文介紹了“日盲”紫外光電倍增管的一些應(yīng)用領(lǐng)域；研究了R7154的單光電子譜，以及增益隨高壓的變化；測試了R7154的暗計數(shù)率，增益為1.83×107、對應(yīng)觸發(fā)閾值分別為3mV、4mV、5mV時,暗計數(shù)率分別僅為60Hz、48Hz、40Hz；在時間分辨方面，測量了單光電子渡越時間漲落,經(jīng)時幅修正后得到其TTS為1.22ns。為“日盲”紫外光電倍增管的實際應(yīng)用提供比較可靠的依據(jù)，也為其他測試“日盲”紫外光電倍增管性能的實驗提供了很好的參考。

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TN929.1

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1003-7551(2016)01-0001-06

2016-1-13

中國科學(xué)院重點部署項目“高能物理實驗與探測器研制”

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