“日盲”紫外光电倍增管的性能研究

梁静静，衡月昆，李玉梅，阮向东，雷祥翠，方 灿，吴 智，王小状，徐美杭，罗凤娇,刘术林，钱 森，闫保军，杨玉真，杨露萍, 杨 彪

( 1. 广西大学，广西南宁530004；2. 中国科学院高能物理研究所，北京 100049；3. 核探测与核电子学国家重点实验室，北京 100049；4. 中国科学技术大学，合肥 230026；5. 南京大学，南京 200093；6. 河南大学，开封 475001)

“日盲”紫外光电倍增管的性能研究

梁静静1,3，衡月昆2,3†，李玉梅1,3，阮向东1，雷祥翠2,3，方 灿1,3，吴 智2,3，王小状3,4，徐美杭2,3，罗凤娇2,3,刘术林2,3，钱 森2,3，闫保军2,3，杨玉真3,5，杨露萍3,6, 杨 彪2,3

( 1. 广西大学，广西南宁530004；2. 中国科学院高能物理研究所，北京 100049；3. 核探测与核电子学国家重点实验室，北京 100049；4. 中国科学技术大学，合肥 230026；5. 南京大学，南京 200093；6. 河南大学，开封 475001)

“日盲”紫外光电倍增管（PMT）对日光不敏感，具有高量子效率、高日盲紫外线获取率、低干扰性、响应速度快、全天候工作等优点而引起人们的重视。文章简要介绍了“日盲”紫外光电倍增管的应用，对日本滨松（Hamamatsu）公司生产的侧窗型日盲紫外光电倍增管R7154的性能作了测试和研究，包括暗计数率、单光电子响应以及渡越时间分散（TTS）等。结果表明，“日盲”紫外光电倍增管对单光电子具有较好的响应，在增益为1.83×107时峰谷比可达到3.2，暗计数率低于60Hz，TTS可达到1.22ns，为其实际应用提供了比较可靠的依据。

日盲；光电倍增管（PMT）；单光电子谱；暗计数率

1 引言

近年来，紫外线辐射越来越受到人们的重视，紫外探测技术也成为探测领域研究的热点，成为了继可见光、红外探测技术之后又发展起来的一种重要的光电探测技术。紫外线辐射在很多现象中都存在，宇宙空间中太阳辐射、石油和酒精等燃烧的火焰、气体污染物分子、闪电放电以及高压电力设备的电晕现象等都含有紫外线辐射[1]。由此可见，紫外探测技术在高能物理、军事、航天、通讯、天气预报、火灾探测等领域都有着广泛的应用需求。

“日盲”紫外光电倍增管因工作在日盲区[2]、紫外区而具有独特的探测优势，它作为日盲紫外信号探测器具有高量子效率、高日盲紫外线获取率、低干扰性、响应速度快、全天候工作等优点[3]。它在太阳中紫外辐射的地面观测、高压设备电晕检测、降雹云的检测、对空间目标的捕获跟踪、紫外通信系统以及火灾预警等领域发挥了很重要的作用[4]。而在不同领域中，对“日盲”紫外光电倍增的性能的需求不一样，因此在选用“日盲”紫外光电倍增管时，需要对不同“日盲”紫外光电倍增管的性能有一定的了解。

本文对“日盲”紫外光电倍增管（PMT）作了性能测试和研究，主要包括“日盲”PMT的单光电子谱、PMT的时间分辨、增益（Gain）、暗计数等，可为“日盲”紫外光电倍增管的实际应用提供参考。

2 “日盲”PMT性能的测试

本次实验选用的PMT是由日本滨松（Hamamatsu）公司生产的日盲型光电倍增管R7154，其响应波长为160-320nm，最大灵敏波长为254nm。R7154是侧窗型光电倍增管，侧窗面积为24mm×8mm，光阴极面的材料是Cs-Te，它是一种对于300nm以上的波长灵敏度急剧下降的“日盲”材料[5]。窗口材料是透紫的石英玻璃，内部有九个倍增级，每级间的分压都是均等的。根据实验的需求，我们对滨松公司的分压电路做了改进，并制作成PCB板。图1（a）为日盲光电倍增管R7154[6]，（b）为R7154的分压器回路，如图所示，分压电阻R1-R10的阻值510kΩ，为了减轻输出波形的振荡，在末端两个倍增级接入阻尼电阻R11、R12[7]。

图1 (a)日盲光电倍增管R7154[6]，(b)R7154的分压器回路

2.1 UV-LED稳定性测试

紫外发光二极管（UV-LED）在实验中是给PMT性能研究提供测试光源，UV-LED是否满足长时间稳定工作将直接影响到PMT性能研究结果的准确性，因此，在测试PMT的单光电子谱之前，UV-LED的长时间稳定性工作测试是必要的。本实验使用的UV-LED的波长为254 nm，稳定性测试流程如图2(a)所示，脉冲发生器驱动 UV-LED发光，通过功率计（Power Meter）测试功率。测试结果如图 3(b)所示，其功率为1.601±0.0007μW，表明该发光二极管可进行长期稳定性工作。

图2 (a)UV-LED稳定性测试系统，(b)254nmUV-LED长期稳定性测试

2.2 单光电子谱测试

2.2.1 测试系统

R7154单光电子谱的测试系统如图3所示。测试过程中使用254nm的发光二极管（LED）作为光源，由脉冲发生器驱动发光，驱动频率为1KHz，脉宽占空比调至0.001%，为脉冲发生器所能达到的最小值。光从石英玻璃壳侧面射入光阴极面，在光阴极上发生光电效应，电子经过打拿级倍增后，汇集到阳极，从阳极引出电信号输入QDC中作为测量信号。同时脉冲发生器同步输出一个TTL脉冲信号，输入扇入扇出（Fan In/Fan Out）相位发生180°转变，经过插件恒比定时甄别器（CFD）转化为NIM电平，最终送入QDC输出作为测量信号的开门信号，这样就能保证QDC所取的信号均来自LED发出的光子信号，再通过计算机上Lebview数据获取程序得到信号的电荷谱，并将数据收集保存。本次实验使用的是脉冲发生器同步触发的方法，在一定程度上，大大减小了自触发的情况下高噪声计数率的干扰，提高了信噪比。

图3 单光电子的测试系统

2.2.2 PMT增益测试

光电倍增管的增益（Gain）等性能是在单光电子状态下得到的。光子入射到光阴极产生的光电子经过倍增级倍增后满足泊松分布[8]规律

其中μ为第一倍增级收集到的平均光电子数。假设[9]e-μ=0.9,μ =0.1054；则P（1）==0.09486。因此，当单光电子信号所占比例约为10%时，信号可以当作单光电子信号[10]。

图4 R7154的单光电子谱

图4为测试R7154在1000V的高压下得到的单光电子谱。其中，在电荷谱中计算增益（Gain）[9]、峰谷比（P/V）的方法分别是：

由此可知，在该高压下的单光电子谱中，R7154的单光电子信号所占比例为10.33%、增益Gain=1.83×107、峰谷比P/V=3.2。

在单子状态下，对增益进行扫描。使用计算机上Labview软件编写的QDC取数程序对R7154输出的电荷信号取数。取数时，R7154的工作电压区间为750V-1250V，每隔25V取一次数，每次取数时间为5分钟。在对R7154不同电压下获取的实验数据拟合处理中，采用的是两个单高斯函数拟合台阶峰和单光电子峰，再用一个双高斯函数拟合整个电荷谱，得到不同电压下的增益、单光电子信号的概率等。图5为不同电压下单光电子信号所占的比例，图6为R7154的高压-增益曲线。由图可知，实验中总共获取了21个电压下的单光电子谱，每个电压下单光电子信号所占的比例约为10%，PMT的增益随着高压增加而增加，其变化满足指数分布。

图5 不同电压下单光电子信号所占的比例

图6 R7154的高压-增益曲线

2.2.3 阳极暗计数率

光电倍增管即使在没有光入射的情况下，在阳极也会产生计数，此即为阳极暗计数。而光电倍增管作为探测微弱光、微小电流的探测器，要求阳极暗计数越小越好。产生阳极暗计数的原因包括由光阴极和打拿极的热电子发射，PMT内的漏电电流，环境中各种射线导致PMT材料发光引起的噪声电流等。

在室温条件下，测试“日盲”紫外光电倍增管R7154在1000V的高压下的阳极暗计数率，此时R7154的增益为1.83×107。将PMT放置在暗箱中，测试在甄别器中设置了3mV、4 mV、5 mV三个触发阈值，采用Labview程序取数，每两分钟记一次数，连续取数12小时以上，阳极暗计数率的结果如图7所示。由图可知，触发阈值分别为3mV、4mV、5mV 时，“日盲”紫外光电倍增管阳极暗计数率约为60Hz、48Hz、40Hz。

图7 R7154的阳极暗计数率

2.2.4 PMT的时间特性

PMT的渡越时间分散（TTS）[7]是指光照射到光阴极起，到阳极输出信号之间的时间的涨落，它是PMT的重要时间性能指标。PMT的渡越时间涨落与光电子数目有关，一般是以单光电子状态下的渡越时间涨落（TTS）来表征PMT的时间性能[11]。TTS常表示为时间谱的半高宽度（FWHM）。图8为R7154的渡越时间分散（TTS）测试系统方框图。

图8 R7154的TTS测试系统

将PMT输出来的信号和脉冲发生器给的门信号一起输入数字示波器(RIGOL-DS1302CA)中，信号输出采用的是直流耦合，通过USB接口连接计算机，经过计算机上的Labview软件编写的程序对信号波形进行采集，共取 200000组数据。在单光电子状态下，由于在数字示波器上显示的波形信号在门信号中的位置和幅度会有抖动，因此，应用Labview程序对数字示波器上的信号波形进行大量采集并且运用ROOT程序对信号波形数据进行离线处理。

实验取数时，R7154的高压为1000V，在该电压下，R7154的增益可达到1.83×107。为了得到R7154的TTS，先求出每个信号的幅度以及达峰时刻，再对每个信号的幅度作统计，得到信号幅度的平均值，取幅度平均值的1/4位置的点作为计算时间晃动的点。因为采用的是平均值来求时间晃动的点，而信号幅度存在晃动，过阈时间随幅度有差异（Time-walk效应），需要做时幅修正。根据以上原因分析，实际上的TTS与测量所得的TTS有如下关系[12]

图9 T-A修正

其中T（A）是时间的修正项，满足

修正结果如图9所示。由图可知，随着信号幅度的增大，过阈时间减小，为了消除时幅的晃动，要做时幅修正，红色线即为时幅修正拟合曲线。

修正前与修正后TTS的结果如图10所示。由图10可知，R7154的时间谱是一个高斯分布，此时，半高宽度（FWHM）值是时间谱经过高斯拟合后得到的标准偏差的2.35倍[7]。由此可得，修正前的TTS为是1.56ns，修正后的TTS分别为1.22ns,相对于文献[9],“日盲”紫外光电倍增管具有较小的TTS。

图10 R7154修正前的TTS与修正后的TTS

3 小结

本文介绍了“日盲”紫外光电倍增管的一些应用领域；研究了R7154的单光电子谱，以及增益随高压的变化；测试了R7154的暗计数率，增益为1.83×107、对应触发阈值分别为3mV、4mV、5mV时,暗计数率分别仅为60Hz、48Hz、40Hz；在时间分辨方面，测量了单光电子渡越时间涨落,经时幅修正后得到其TTS为1.22ns。为“日盲”紫外光电倍增管的实际应用提供比较可靠的依据，也为其他测试“日盲”紫外光电倍增管性能的实验提供了很好的参考。

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[6] http://www.hamamatsu.com.cn/product/category/10079/0/10303/index.html.

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TN929.1

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1003-7551(2016)01-0001-06

2016-1-13

中国科学院重点部署项目“高能物理实验与探测器研制”

† 通讯作者：hengyk@ihep.ac.cn