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(qián) 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(guó)科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049;3. 核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100049;4. 中國(guó)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(kāi)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(qián) 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(guó)科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049;3. 核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100049;4. 中國(guó)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(kāi)封 475001)
“日盲”紫外光電倍增管(PMT)對(duì)日光不敏感,具有高量子效率、高日盲紫外線(xiàn)獲取率、低干擾性、響應(yīng)速度快、全天候工作等優(yōu)點(diǎn)而引起人們的重視。文章簡(jiǎn)要介紹了“日盲”紫外光電倍增管的應(yīng)用,對(duì)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(cè)試和研究,包括暗計(jì)數(shù)率、單光電子響應(yīng)以及渡越時(shí)間分散(TTS)等。結(jié)果表明,“日盲”紫外光電倍增管對(duì)單光電子具有較好的響應(yīng),在增益為1.83×107時(shí)峰谷比可達(dá)到3.2,暗計(jì)數(shù)率低于60Hz,TTS可達(dá)到1.22ns,為其實(shí)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(jì)數(shù)率
近年來(lái),紫外線(xiàn)輻射越來(lái)越受到人們的重視,紫外探測(cè)技術(shù)也成為探測(cè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),成為了繼可見(jiàn)光、紅外探測(cè)技術(shù)之后又發(fā)展起來(lái)的一種重要的光電探測(cè)技術(shù)。紫外線(xiàn)輻射在很多現(xiàn)象中都存在,宇宙空間中太陽(yáng)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(xiàn)輻射[1]。由此可見(jiàn),紫外探測(cè)技術(shù)在高能物理、軍事、航天、通訊、天氣預(yù)報(bào)、火災(zāi)探測(cè)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(dú)特的探測(cè)優(yōu)勢(shì),它作為日盲紫外信號(hào)探測(cè)器具有高量子效率、高日盲紫外線(xiàn)獲取率、低干擾性、響應(yīng)速度快、全天候工作等優(yōu)點(diǎn)[3]。它在太陽(yáng)中紫外輻射的地面觀測(cè)、高壓設(shè)備電暈檢測(cè)、降雹云的檢測(cè)、對(duì)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(duì)“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(shí),需要對(duì)不同“日盲”紫外光電倍增管的性能有一定的了解。
本文對(duì)“日盲”紫外光電倍增管(PMT)作了性能測(cè)試和研究,主要包括“日盲”P(pán)MT的單光電子譜、PMT的時(shí)間分辨、增益(Gain)、暗計(jì)數(shù)等,可為“日盲”紫外光電倍增管的實(shí)際應(yīng)用提供參考。
本次實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)為160-320nm,最大靈敏波長(zhǎng)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(duì)于300nm以上的波長(zhǎng)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(gè)倍增級(jí),每級(jí)間的分壓都是均等的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求,我們對(duì)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(gè)倍增級(jí)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(cè)試
紫外發(fā)光二極管(UV-LED)在實(shí)驗(yàn)中是給PMT性能研究提供測(cè)試光源,UV-LED是否滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)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(cè)試PMT的單光電子譜之前,UV-LED的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性工作測(cè)試是必要的。本實(shí)驗(yàn)使用的UV-LED的波長(zhǎng)為254 nm,穩(wěn)定性測(cè)試流程如圖2(a)所示,脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng) UV-LED發(fā)光,通過(guò)功率計(jì)(Power Meter)測(cè)試功率。測(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定性工作。
圖2 (a)UV-LED穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng),(b)254nmUV-LED長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試
2.2 單光電子譜測(cè)試
2.2.1 測(cè)試系統(tǒng)
R7154單光電子譜的測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。測(cè)試過(guò)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(dòng)發(fā)光,驅(qū)動(dòng)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(guò)打拿級(jí)倍增后,匯集到陽(yáng)極,從陽(yáng)極引出電信號(hào)輸入QDC中作為測(cè)量信號(hào)。同時(shí)脈沖發(fā)生器同步輸出一個(gè)TTL脈沖信號(hào),輸入扇入扇出(Fan In/Fan Out)相位發(fā)生180°轉(zhuǎn)變,經(jīng)過(guò)插件恒比定時(shí)甄別器(CFD)轉(zhuǎn)化為NIM電平,最終送入QDC輸出作為測(cè)量信號(hào)的開(kāi)門(mén)信號(hào),這樣就能保證QDC所取的信號(hào)均來(lái)自LED發(fā)出的光子信號(hào),再通過(guò)計(jì)算機(jī)上Lebview數(shù)據(jù)獲取程序得到信號(hào)的電荷譜,并將數(shù)據(jù)收集保存。本次實(shí)驗(yàn)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(jì)數(shù)率的干擾,提高了信噪比。
圖3 單光電子的測(cè)試系統(tǒng)
2.2.2 PMT增益測(cè)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(guò)倍增級(jí)倍增后滿(mǎn)足泊松分布[8]規(guī)律
其中μ為第一倍增級(jí)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(hào)所占比例約為10%時(shí),信號(hào)可以當(dāng)作單光電子信號(hào)[10]。
圖4 R7154的單光電子譜
圖4為測(cè)試R7154在1000V的高壓下得到的單光電子譜。其中,在電荷譜中計(jì)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(hào)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(duì)增益進(jìn)行掃描。使用計(jì)算機(jī)上Labview軟件編寫(xiě)的QDC取數(shù)程序?qū)7154輸出的電荷信號(hào)取數(shù)。取數(shù)時(shí),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(shí)間為5分鐘。在對(duì)R7154不同電壓下獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合處理中,采用的是兩個(gè)單高斯函數(shù)擬合臺(tái)階峰和單光電子峰,再用一個(gè)雙高斯函數(shù)擬合整個(gè)電荷譜,得到不同電壓下的增益、單光電子信號(hào)的概率等。圖5為不同電壓下單光電子信號(hào)所占的比例,圖6為R7154的高壓-增益曲線(xiàn)。由圖可知,實(shí)驗(yàn)中總共獲取了21個(gè)電壓下的單光電子譜,每個(gè)電壓下單光電子信號(hào)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(mǎn)足指數(shù)分布。
圖5 不同電壓下單光電子信號(hào)所占的比例
圖6 R7154的高壓-增益曲線(xiàn)
2.2.3 陽(yáng)極暗計(jì)數(shù)率
光電倍增管即使在沒(méi)有光入射的情況下,在陽(yáng)極也會(huì)產(chǎn)生計(jì)數(shù),此即為陽(yáng)極暗計(jì)數(shù)。而光電倍增管作為探測(cè)微弱光、微小電流的探測(cè)器,要求陽(yáng)極暗計(jì)數(shù)越小越好。產(chǎn)生陽(yáng)極暗計(jì)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(xiàn)導(dǎo)致PMT材料發(fā)光引起的噪聲電流等。
在室溫條件下,測(cè)試“日盲”紫外光電倍增管R7154在1000V的高壓下的陽(yáng)極暗計(jì)數(shù)率,此時(shí)R7154的增益為1.83×107。將PMT放置在暗箱中,測(cè)試在甄別器中設(shè)置了3mV、4 mV、5 mV三個(gè)觸發(fā)閾值,采用Labview程序取數(shù),每?jī)煞昼娪浺淮螖?shù),連續(xù)取數(shù)12小時(shí)以上,陽(yáng)極暗計(jì)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(shí),“日盲”紫外光電倍增管陽(yáng)極暗計(jì)數(shù)率約為60Hz、48Hz、40Hz。
圖7 R7154的陽(yáng)極暗計(jì)數(shù)率
2.2.4 PMT的時(shí)間特性
PMT的渡越時(shí)間分散(TTS)[7]是指光照射到光陰極起,到陽(yáng)極輸出信號(hào)之間的時(shí)間的漲落,它是PMT的重要時(shí)間性能指標(biāo)。PMT的渡越時(shí)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(shí)間漲落(TTS)來(lái)表征PMT的時(shí)間性能[11]。TTS常表示為時(shí)間譜的半高寬度(FWHM)。圖8為R7154的渡越時(shí)間分散(TTS)測(cè)試系統(tǒng)方框圖。
圖8 R7154的TTS測(cè)試系統(tǒng)
將PMT輸出來(lái)的信號(hào)和脈沖發(fā)生器給的門(mén)信號(hào)一起輸入數(shù)字示波器(RIGOL-DS1302CA)中,信號(hào)輸出采用的是直流耦合,通過(guò)USB接口連接計(jì)算機(jī),經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)上的Labview軟件編寫(xiě)的程序?qū)π盘?hào)波形進(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(hào)在門(mén)信號(hào)中的位置和幅度會(huì)有抖動(dòng),因此,應(yīng)用Labview程序?qū)?shù)字示波器上的信號(hào)波形進(jìn)行大量采集并且運(yùn)用ROOT程序?qū)π盘?hào)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行離線(xiàn)處理。
實(shí)驗(yàn)取數(shù)時(shí),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(gè)信號(hào)的幅度以及達(dá)峰時(shí)刻,再對(duì)每個(gè)信號(hào)的幅度作統(tǒng)計(jì),得到信號(hào)幅度的平均值,取幅度平均值的1/4位置的點(diǎn)作為計(jì)算時(shí)間晃動(dòng)的點(diǎn)。因?yàn)椴捎玫氖瞧骄祦?lái)求時(shí)間晃動(dòng)的點(diǎn),而信號(hào)幅度存在晃動(dòng),過(guò)閾時(shí)間隨幅度有差異(Time-walk效應(yīng)),需要做時(shí)幅修正。根據(jù)以上原因分析,實(shí)際上的TTS與測(cè)量所得的TTS有如下關(guān)系[12]
圖9 T-A修正
其中T(A)是時(shí)間的修正項(xiàng),滿(mǎn)足
修正結(jié)果如圖9所示。由圖可知,隨著信號(hào)幅度的增大,過(guò)閾時(shí)間減小,為了消除時(shí)幅的晃動(dòng),要做時(shí)幅修正,紅色線(xiàn)即為時(shí)幅修正擬合曲線(xiàn)。
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(shí)間譜是一個(gè)高斯分布,此時(shí),半高寬度(FWHM)值是時(shí)間譜經(jīng)過(guò)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(duì)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
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(cè)試了R7154的暗計(jì)數(shù)率,增益為1.83×107、對(duì)應(yīng)觸發(fā)閾值分別為3mV、4mV、5mV時(shí),暗計(jì)數(shù)率分別僅為60Hz、48Hz、40Hz;在時(shí)間分辨方面,測(cè)量了單光電子渡越時(shí)間漲落,經(jīng)時(shí)幅修正后得到其TTS為1.22ns。為“日盲”紫外光電倍增管的實(shí)際應(yīng)用提供比較可靠的依據(jù),也為其他測(cè)試“日盲”紫外光電倍增管性能的實(shí)驗(yàn)提供了很好的參考。
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TN929.1
A
1003-7551(2016)01-0001-06
2016-1-13
中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目“高能物理實(shí)驗(yàn)與探測(cè)器研制”
? 通訊作者:hengyk@ihep.ac.cn