蘇德坦,葉 皓,孫建寧1,,司曙光,黃國(guó)瑞,曹宜起,錢(qián) 森,李 珅,王興超,任 玲,馬麗雙

(1.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065;2.北方夜視技術(shù)股份有限公司，江蘇 南京 211106;3.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049;4.核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026))

0 引言

1911年，奧地利物理學(xué)家V.F.Hess 用3 臺(tái)靜電計(jì)測(cè)得5300 m 的高空上電離率增長(zhǎng)到地面的4 倍。他認(rèn)為該觀察結(jié)果最好的解釋是設(shè)想一種高穿透力的射線(xiàn)從宇宙進(jìn)入大氣層。后人將這種射線(xiàn)命名為宇宙線(xiàn)，V.F.Hess 據(jù)此獲得1936年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。雖然當(dāng)前對(duì)宇宙線(xiàn)的起源尚無(wú)完備的理論，但人類(lèi)已意識(shí)到某些宇宙線(xiàn)的能量遠(yuǎn)超目前人工加速器所能達(dá)到的水平。為通過(guò)宇宙線(xiàn)解決當(dāng)前物理學(xué)界遇到的新問(wèn)題，我國(guó)發(fā)改委批準(zhǔn)建立高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站(Large High Air Altitude Shower Observatory，LHAASO)，旨在探索高能宇宙線(xiàn)起源以及相關(guān)的宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)等前沿問(wèn)題。LHAASO 項(xiàng)目采用多種探測(cè)手段實(shí)現(xiàn)復(fù)合、精確的測(cè)量，大幅度提高靈敏度，覆蓋更寬廣的能譜，從而建設(shè)第三代γ天文探測(cè)器[1]，這就要求光電倍增管具有較好的渡越時(shí)間離散值和低暗計(jì)數(shù)。針對(duì)LHAASO 項(xiàng)目對(duì)光電倍增管的特殊要求，北方夜視技術(shù)股份有限公司設(shè)計(jì)出一種擴(kuò)張結(jié)構(gòu)微通道板型光電倍增管。

LHAASO 項(xiàng)目中，光電倍增管的核心指標(biāo)是光電陰極不同位置出射光電子的渡越時(shí)間漲落(transit time spread, 以下簡(jiǎn)稱(chēng)TTS)，TTS 主要受光電倍增管結(jié)構(gòu)和分壓器電路的影響。通過(guò)CST 仿真軟件計(jì)算分析，為了提高TTS，可以通過(guò)增加陰極和聚焦級(jí)之間的電壓差或者擴(kuò)大聚焦級(jí)直徑實(shí)現(xiàn)，而陰極與聚焦級(jí)之間的電壓差不能過(guò)高，因此只能通過(guò)擴(kuò)大聚焦級(jí)直徑來(lái)解決。為此我們專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)出一種高穩(wěn)定性的自動(dòng)擴(kuò)張型聚焦級(jí)，在不改變過(guò)渡節(jié)口徑的情況下大幅增大了聚焦級(jí)直徑。為優(yōu)化信號(hào)上升時(shí)間和信號(hào)下降時(shí)間，并降低噪聲和TTS，在原分壓器的基礎(chǔ)上優(yōu)化目前的分壓比。

微通道板的每個(gè)孔徑約為20 μm，孔內(nèi)壁使用電阻和二次發(fā)射涂層處理，當(dāng)孔壁被二次電子轟擊時(shí)，每個(gè)微孔像單獨(dú)的電子倍增器一樣出現(xiàn)電子倍增現(xiàn)象，電子倍增的具體狀態(tài)因入射電子的初始能量和入射角度的不同而發(fā)生改變。當(dāng)光電倍增管在磁場(chǎng)中工作時(shí)，由于同時(shí)存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)，所以電子軌跡同時(shí)受到電場(chǎng)力及洛侖茲力的作用，并出現(xiàn)相應(yīng)變化[2]。

傳統(tǒng)的小尺寸微通道板型光電倍增管理論上可以在高達(dá)2T 的磁場(chǎng)強(qiáng)度下工作，這是因?yàn)槲⑼ǖ腊逵袃?yōu)秀的抗磁場(chǎng)干擾能力。而在大尺寸光電倍增管中，光電子沿較長(zhǎng)的路徑運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電子軌跡很容易受到輕微的地磁場(chǎng)的影響，從而導(dǎo)致收集效率發(fā)生變化。變化的主要原因是光電子不能準(zhǔn)確聚焦到第一MCP 的位置，且較小的MCP 開(kāi)口也使光電子更容易受到地磁場(chǎng)的影響[3]。

為研究光電倍增管在地磁場(chǎng)中的最佳相對(duì)擺放位置，本文對(duì)光電倍增管結(jié)構(gòu)受地磁場(chǎng)影響和光電倍增管安裝位置受地磁場(chǎng)影響分別進(jìn)行不同角度的研究，最終得到最佳相對(duì)擺放位置，并通過(guò)擴(kuò)張結(jié)構(gòu)與非擴(kuò)張結(jié)構(gòu)光電倍增管在地磁場(chǎng)下性能對(duì)比，得到擴(kuò)張型聚焦級(jí)和新分壓器對(duì)地磁場(chǎng)下工作性能的影響。

1 測(cè)試環(huán)境及測(cè)試方法

1.1 測(cè)試環(huán)境

1.1.1 溫度濕度及光量子數(shù)

所有實(shí)驗(yàn)均在溫度22℃±3℃，濕度小于等于60%的條件下進(jìn)行。暗室內(nèi)部全部黑化，關(guān)燈、關(guān)門(mén)后暗室內(nèi)照度小于10-12lx(20 英寸光電倍增管置于其中，暗室計(jì)數(shù)率增量小于100 Hz，光子數(shù)小于100個(gè)/m2)。使用405 nm LED(light emitting diode)作為光源，光源散射成圓錐面并照射到光電倍增管陰極面上，測(cè)試過(guò)程中保證溫濕度與光強(qiáng)基本恒定。

1.1.2 屏蔽環(huán)境

北方夜視技術(shù)股份有限公司建造了能同時(shí)屏蔽高頻電磁場(chǎng)和低頻電磁場(chǎng)的屏蔽室。磁屏蔽室主體由屏蔽層和主體骨架組成，通過(guò)屏蔽焊接工藝，形成一個(gè)完整的密封多面體。屏蔽層采用6 mm 純鐵板(六面一致)，通過(guò)屏蔽焊接構(gòu)成連續(xù)的四面體。對(duì)磁屏蔽室內(nèi)的磁場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，磁場(chǎng)強(qiáng)度集中分布10 mGs～20 mGs 之間，可見(jiàn)磁屏蔽室具有良好的地磁屏蔽與電磁屏蔽效果。使用光纖為光電倍增管提供光源，并使用電子學(xué)取數(shù)系統(tǒng)測(cè)試光電倍增管相關(guān)性能。

1.1.3 地磁場(chǎng)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)在東經(jīng)118°46′、北緯31°54′附近進(jìn)行，在該地測(cè)量地磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度大約為450 mGs。在地磁場(chǎng)環(huán)境下，需要重新搭建一套測(cè)試裝置，該設(shè)備在搭建過(guò)程中，已注意遠(yuǎn)離鐵、鎳等對(duì)磁場(chǎng)敏感的金屬材料。將待測(cè)光電倍增管放置在黑色長(zhǎng)筒中，該長(zhǎng)筒頂端裝有光纖固定裝置。使用光纖為光電倍增管提供光源，并使用電子學(xué)取數(shù)系統(tǒng)測(cè)試光電倍增管相關(guān)性能。

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 工作電壓

信號(hào)發(fā)生器輸出兩路同步脈沖信號(hào)，信號(hào)頻率1 kHz。一路作為V965 觸發(fā)信號(hào)，脈沖寬度150 ns;另一路作為激光二極管(以下簡(jiǎn)稱(chēng)LD)的電源，脈沖寬度10 ns。調(diào)節(jié)LD 脈沖驅(qū)動(dòng)寬度，使LD 發(fā)光10次，光電倍增管只探測(cè)到一次信號(hào)。將陽(yáng)極輸出信號(hào)放大到N979 放大器，經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)輸送到V965測(cè)試單光電子譜。使用雙高斯函數(shù)分別擬合單光電子譜的臺(tái)階峰和信號(hào)電荷峰，臺(tái)階峰擬合區(qū)間為μ-1σ～μ+1.5σ，μ為峰位值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差;信號(hào)電荷峰擬合區(qū)間為μ-1σ～μ+1σ，μ為峰位值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。增益由下式得到:

式中:Xsig為單光電子信號(hào)譜的擬合峰位;Xped為電子學(xué)臺(tái)階的擬合峰位;V965的q值為25fC;e為單電子電荷量。當(dāng)增益達(dá)到1X107時(shí)，程控高壓電源顯示的電壓值即為光電倍增管的工作電壓。

1.2.2 單光電子峰谷比

單光單子峰谷比指在單光電子輸入狀態(tài)下，脈沖信號(hào)的峰值計(jì)數(shù)值與臺(tái)階峰和信號(hào)峰之間的谷位置計(jì)數(shù)值的比值。使用高斯函數(shù)擬合測(cè)試工作電壓時(shí)測(cè)得的單光電子信號(hào)電荷譜，取最低點(diǎn)及其前后各2點(diǎn)，共5個(gè)點(diǎn)的均值，每個(gè)點(diǎn)電荷量為25fC。擬合區(qū)間為μ-1σ～μ+1σ，μ為峰位值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。單光子

峰谷比P/V由下式得到:

式中:NP為擬合函數(shù)的幅值;NV為谷位置的高度值。

1.2.3 渡越時(shí)間漲落

渡越時(shí)間指入射光入射到光陰極面起，到輸出脈沖出現(xiàn)為止的時(shí)間。渡越時(shí)間漲落為所有單光子脈沖渡越時(shí)間的起伏。信號(hào)發(fā)生器輸出兩路同步脈沖信號(hào)，信號(hào)頻率1kHz。一路作為V1290A 觸發(fā)信號(hào)，脈沖寬度150ns;另一路作為L(zhǎng)D驅(qū)動(dòng)電源，脈沖寬度10ns。計(jì)算光纖衍射角并調(diào)整光纖端頭與光電倍增管的距離，使光纖輸出的光覆蓋光電倍增管陰極面的直徑為460 nm。調(diào)節(jié)高壓電源輸出電壓值，使光電倍增管增益為1X107。調(diào)節(jié)LD驅(qū)動(dòng)脈沖幅度，使LD發(fā)光十次，光電倍增管只探測(cè)到一次光電信號(hào)。將陽(yáng)極輸出信號(hào)輸送到N979放大器，經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)輸送到V1290A進(jìn)行時(shí)間測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)使用高斯函數(shù)擬合，下式即為T(mén)TS的計(jì)算公式:

式中:σ為擬合函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差;T為測(cè)試系統(tǒng)的TTS值(T使用TTS小于0.5ns的光電倍增管標(biāo)定)。

1.2.4 信號(hào)上升下降時(shí)間

信號(hào)上升時(shí)間tu為信號(hào)前沿從幅度值的10%上升到90%的時(shí)間，信號(hào)下降時(shí)間td為信號(hào)后沿從幅度值的90%下降到10%的時(shí)間。使用信號(hào)發(fā)生器輸出兩路同步脈沖信號(hào)，信號(hào)頻率1kHz。一路作為示波器的觸發(fā)信號(hào)，脈沖寬度150ns;另一路作為L(zhǎng)D驅(qū)動(dòng)電源，脈沖寬度10ns。調(diào)節(jié)高壓電源輸出電壓值，使光電倍增管增益為1X107，調(diào)節(jié)LD驅(qū)動(dòng)脈沖幅度，使LD 發(fā)光10次，光電倍增管只探測(cè)到一次光電信號(hào)。將陽(yáng)極輸出信號(hào)輸送到示波器，分別測(cè)試大量波形的上升時(shí)間與下降時(shí)間，并通過(guò)高斯函數(shù)擬合，擬合函數(shù)的中心值作為該光電倍增管的信號(hào)上升時(shí)間值

與下降時(shí)間值。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 光電倍增管安裝位置不同帶來(lái)的影響

將光電倍增管的尾部沿中心軸指向光陰極為正方向，將該方向與地磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的夾角作為光電倍增管的相對(duì)方向。當(dāng)光電倍增管安裝位置不同，即相對(duì)方向不同時(shí)，其內(nèi)部電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)于地磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的位置發(fā)生變化。光電子在光電倍增管內(nèi)部受到的電場(chǎng)力及洛侖茲力也會(huì)隨之發(fā)生變化，因此隨光電倍增管安裝位置不同，光電子的運(yùn)動(dòng)軌跡也會(huì)不同，使光電倍增管在不同位置表現(xiàn)出不同的性能[4]。

擴(kuò)張結(jié)構(gòu)光電倍增管與非擴(kuò)張結(jié)構(gòu)光電倍增管相比，主要是聚焦級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，以下實(shí)驗(yàn)在相同安裝位置下分別測(cè)試擴(kuò)張結(jié)構(gòu)型與非擴(kuò)張結(jié)構(gòu)型光電倍增管在地磁場(chǎng)環(huán)境下性能的變化。

2.2 地磁場(chǎng)下光電倍增管各性能變化

2.2.1 增益

光電子被聚焦級(jí)有效收集后，會(huì)在微通道板內(nèi)倍增，經(jīng)微通道板倍增放大的電流信號(hào)從陽(yáng)極輸出。我們使用了屏蔽條件下增益為1X107的固定高壓，并將安裝位置傾斜角由0°轉(zhuǎn)到330°。從圖1中可以看出，兩種結(jié)構(gòu)的光電倍增管在沒(méi)有屏蔽時(shí)，增益均表現(xiàn)出一定的角度依賴(lài)性。非擴(kuò)張結(jié)構(gòu)與擴(kuò)張結(jié)構(gòu)相比，增益最大變化值均在±10%左右，但相同旋轉(zhuǎn)角度下，大小變化并不相同，聚焦級(jí)結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致光電倍增管中電場(chǎng)分布不同，電子運(yùn)行軌跡發(fā)生改變，擊打到通道板上能量、速度方向均發(fā)生改變，對(duì)增益在地磁場(chǎng)下的性能表現(xiàn)有一定影響。

圖1 增益變化Fig.1 Gain variation

2.2.2 峰谷比

微通道板ALD(atomiclayer deposition)涂層的二次發(fā)射產(chǎn)率與初級(jí)電子的能量和入射角度有關(guān)，初級(jí)電子能量過(guò)低或過(guò)高都會(huì)降低ALD涂層的二次發(fā)射產(chǎn)率。從圖2中可以看出，光電子在倍增管內(nèi)飛行時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡受到磁場(chǎng)影響，運(yùn)行軌跡的集中性嚴(yán)重變差，導(dǎo)致峰谷比與屏蔽條件下相比顯著降低。

2.2.3 能量分辨率

光電倍增管的能量分辨率ER=σ/Gpeak，其中σ為單光子峰高斯分布的半高寬，Gpeak為單光子高斯分布的中心道址，光電倍增管的能量分辨率與入射粒子的能量有關(guān)，電磁場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，電子運(yùn)行軌跡不同，受電場(chǎng)加速情況不同，電子能量相應(yīng)改變。圖3中給出擴(kuò)張結(jié)構(gòu)與非擴(kuò)張結(jié)構(gòu)光電倍增管在地磁場(chǎng)環(huán)境下能量分辨率的變化。

圖3 能量分辨率變化Fig.3 Energy resolution variation

2.2.4 渡越時(shí)間漲落

光電子運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)直接影響光電子的飛行時(shí)間，因此光電倍增管的渡越時(shí)間與光電子的運(yùn)動(dòng)軌跡密切相關(guān)，電子由于初始出射方向不同，地磁場(chǎng)下電子軌道會(huì)隨出射方向不同而改變，會(huì)對(duì)光電倍增管的TTS產(chǎn)生較大影響[5]。從圖4中可以看到，擴(kuò)張結(jié)構(gòu)對(duì)TTS有很明顯的改善，而在相同旋轉(zhuǎn)角度下，兩種結(jié)構(gòu)的光電倍增管TTS變化表現(xiàn)相似，在垂直于磁場(chǎng)強(qiáng)度方向，TTS所受影響較小。但與無(wú)屏蔽條件相比，兩種光電倍增管的TTS性能均發(fā)生明顯惡化。

2.2.5 信號(hào)上升時(shí)間

與打拿極相比，微通道板型大大減少了光電子在倍增級(jí)的飛行時(shí)間。微通道板的厚度在0.5～1mm之間，光電子在很短的時(shí)間內(nèi)就可以達(dá)到107的量級(jí)，因此地磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)上升時(shí)間影響較小。從圖5中可以看出，暴露在地磁場(chǎng)下的光電倍增管信號(hào)上升時(shí)間略有升高，但幅度并不顯著。

圖4 渡越時(shí)間變化Fig.4 TTSvariation

圖5 信號(hào)上升時(shí)間變化Fig.5 Signal rise time variation

2.2.6 信號(hào)下降時(shí)間

從圖6中可以看出，與信號(hào)上升時(shí)間相同，由于光電子在倍增級(jí)的時(shí)間很小，暴露在地磁場(chǎng)下的光電倍增管信號(hào)下降時(shí)間略有升高，但幅度并不顯著。

2.2.7 收集效率

收集效率與電子飛行軌跡直接相關(guān)，光電子從光陰極飛出后，在聚焦電場(chǎng)作用下，向聚焦級(jí)運(yùn)動(dòng)，被聚焦級(jí)有效收集的光電子才能被光電倍增管倍增。由于地磁場(chǎng)發(fā)生改變，能飛行到微通道板上的電子數(shù)目會(huì)相應(yīng)減少，能被倍增的電子也隨之減少。從圖7中可以看出，收集效率表現(xiàn)出很強(qiáng)的角度依賴(lài)性，在極端角度下，擴(kuò)張結(jié)構(gòu)型光電倍增管收集效率衰減很大。

圖6 信號(hào)下降時(shí)間變化Fig.6 Signalfall time variation

3 結(jié)論

本文主要講述了兩種不同結(jié)構(gòu)的微通道板型光電倍增管在地磁場(chǎng)下的性能表現(xiàn)，并研究了多個(gè)性能與擺放角度的關(guān)聯(lián)性。由于體積較大，地磁場(chǎng)對(duì)大尺寸光電倍增管的性能影響不能忽略，同時(shí)由于聚焦級(jí)的結(jié)構(gòu)不同，不同類(lèi)型的光電倍增管受地磁場(chǎng)的影響也有差異。為保證光電倍增管在最佳狀態(tài)下工作，應(yīng)建設(shè)磁屏蔽系統(tǒng)，否則需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)或理論計(jì)算找到相對(duì)地磁場(chǎng)光電倍增管的最佳擺放位置。

圖7 收集效率變化Fig.7 Collecti on efficiency variation