光電倍增管的原理及特性測量

陳鑫 念聰 王巧

【摘 要】西藏得天獨厚的地理位置為宇宙線觀測提供了一個天然的平臺，20世紀80年以來建立的羊八井宇宙線觀測站也已經取得一系列重大成果。而隨著宇宙線研究的不斷深入，對實驗儀器的要求也更加精準。電磁粒子探測器正是這種高精度實驗器材，而光電倍增管可謂是探測器中最敏感的部件。基于此，論文對濱松R5912型光電倍增管的主要技術特性開展了測量與特性實踐應用研究，為這一技術推廣提供了技術理論保障。

【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.

【關鍵詞】濱松R5912型光電倍增管;原理;測試系統;高壓響應特性

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

【中圖分類號】TN152? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）04-0155-02

1 光電倍增管技術原理及濱松R5912型光電倍增管

1.1 光電倍增管技術原理

光電倍增管技術的應用是建立在外光電效應、二次電子發射和電子光學理論基礎上一種光電感應原件。在實際的工作中一般應用在紫外、可見以及近紅外區等光譜區域。光電倍增管的內部結構除了光電陰極和陽極外，其兩極之還放置多個瓦形倍增電極。在使用中管內相鄰兩倍增電極之會間產生電壓加速電子。在光電倍增管光電陰極受到光源照射后會釋放出光電子，之后其在電場作用下射向第一倍增電極，形成電子二次發射、三次發射等，最終造成管子內電子數的不斷倍增[1]。最終光電倍增管陽極收集到的電子可增加104～108倍，實現對系統內微弱光信號的檢測。因此，為提高光電倍增管使用質量，開展了其測量技術與其在生產中的實踐應用研究。

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，它目前在包括國家“十三五”重大設施LHAASSO實驗及在西藏開展的水切倫科夫實驗中，有較大規模的應用，雖然濱松R5912型光電倍增管為一種市場化、規模化生產的器件，但由于它的高靈敏度，快速響應等特點，使得每個光電倍增管的性能并不完全一致，并且廠家給出的參數中，也不能完全滿足宇宙線實驗的需求，因此需要對其特性進行分析。

2.1 測試部件

此次實驗測試的光電倍增管的型號為濱松R5912，在特性測量實驗中，采用了計算機系統對光電倍增管特性進行測試。其主要的測試原件主要包括以下四個部分：

①測試信號采集系統。測試信號的采集質量決定了特性測試的整體效果，因此采用了VME機箱為平臺的計算機系統采集信號。信號采集測試系統主要是由CPU與 FEE前端電子板組成。每塊FEE板有32個通道，可以同時測量32路信號，用于記錄信號的相關信息。其中CPU系統是向FEE板發送指令，并將FEE采集處理的數據通過網線傳遞給電腦和脈沖信號發生器。脈沖信號發生器采用CAEN公司DG5102可編程脈沖發生器，波形、脈沖寬度、輸出電壓可調。之后通過FEE板的32個通道，完成對32路輸入信號信息的記錄，最后通過網絡系統發送給測試計算機系統。

②高壓信號源系統。這一系統主要為測量工作提供強電場環境。此次試驗是通過高壓源模塊產生的高壓測試信號，該模塊是意大利CAEN公司生產的SY5527多通道高壓源。

③LED光源信號。用光源測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，光源信號是光電倍增管信號測試的必備裝置。此次試驗使用了LED燈光源。這主要是由于LED燈發出的光與光電倍增管使用的光波段較為接近，進而提高了測試整體質量，同時為了精確地測得單光電子譜，采用傳導光纖將其微弱的光縮小截面至光電倍增管。

④測試暗室。為了實現試驗所需的完全避光環境，單獨隔離出一間空屋使其處于完全避光環境并搭建了實驗暗箱用于安置測量的光電倍增管與LED光源。

2.2 高壓響應曲線特性分析

這里我們主要對光電倍增管的高壓響應進行測試與分析。在試驗中這一參數的測量主要包括了以下過程。

首先，通過測量高壓響應曲線參數，獲得已知的陽極輸出電荷量：

在這一公式中： N代表在光強條件下光電倍增管中光陰極發出的光電子量;G代表光電倍增管增益。試驗中光電倍增管在兩個不同高壓下，其對應增益與陽極輸出電荷對應關系公式為：

根據這一公式測得光電倍增管在區別高壓下陽極輸出電荷數，同時在公式兩邊取10的對數，Log10和Log10對應點進行直線擬合[2]，數據采集過程通過對PMT施加高壓，PMT輸出脈沖經過數據采集卡實現模數轉換，ROOT系統軟件讀取數字信號，用Origin繪制圖像，獲得了PMT的高壓響應圖像。

因此，PMT的光電子經過n級倍增后的增益與高壓為線性關系：

實驗仍然運用上述所示基本測試系統，將示波器與電腦通過局域網相連作為采數系統，通過改變加載到PMT上的高壓可以計算得到相應的電荷量，進而測試得到高壓響應曲線。實驗中調節LED的光強至適當強度，同時選取加載到PMT上的高壓范圍為900～1800V，使得PMT輸出信號幅值不超過線性范圍。實驗中我們通過示波器對總共十個測試點（每隔100V為一個采樣點）的波形進行了測試、取樣和數據處理，并通過直線擬合得到如圖所示結果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 結語

在運行過程中光電倍增管除了絕對增益外，也存在直接工作中的低增益狀態。但是在實際的測試中，由于低增益狀態下其電子信號幅度較微弱，因此其參數很難實際測量，為此我們需要測量到光電倍增管的高壓響應曲線。在本次實驗中，我們對濱松R5912型光電倍增管高壓特性測量為以后光電倍增管的增益分析提供了理論支持，為更細致地對R5912型光電倍增管研究做好了充分的準備。

【參考文獻】

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

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