光电倍增管下的核电子学前端系统噪声问题分析

付春亮 林江景 郭明 龚林华

中船重工集团公司第七一九研究所，湖北 武汉 430000

核电子学前端系统研究是整个核电子学研究的重点、热点。光电倍增管是一种比较灵敏的检测器，能够在来自阴极的光电子脉冲这样低的检测水平下工作[1]。在核电子学前端系统的研究中的作用是比较大的。核电子学前端系统研究一直是核电子学研究的热点，其前端系统的噪声历来是该领域的研究重点。

1 光电倍增管的噪声源

光电倍增管的噪声来源可以简单地归结为两种类型：第一种是光电倍增管工作的时候所引起的噪声。第二种就是光电倍增管设计和制造的方式及使用条件所引起的噪声[2]。正因为噪声的来源主要是这两个方面，因此，在对噪声进行特征描述的时候，需要进行更加细致的综合分析。

首先，光子噪声。光子噪声主要来源于热宽带源，噪声与平均光子达到速率和光阴极的时间有直接关系；其次，光阴极噪声。光阴极电子流所产生的噪声与量子效率以及单位时间内发射热电子的平均率有关；再次，二次发射噪声。二次发射噪声会随着时间的变化而有所起伏，主要在电子与光电倍增管的撞击后产生；最后，倍增极串的噪声。这种噪声会随着倍增及的输出撞击而不断增益，噪声影响与第一次撞击释放的二次电子有直接关系。

除此之外，还有一些其他的原因造成的噪声。比如在光电倍增管里的放射性所引起的噪声源，根源不清的按脉冲所引起的脉冲随机发射，以及光子发射和二次发射所引起的过剩噪声等等，这些都是光电倍增管的主要噪声源，对这些噪声都会对光电倍增管下的核电子学前端系统产生一定的影响。想要对光电倍增管下的核电子学前端系统的噪声问题进行分析，就需要明确各个噪声的来源，以及他们的影响和计算方法，根据这些影响因素进行综合计算，还可以根据这些噪声影响建立一个光电倍增管的噪声模型，以光电倍增管的噪声模型为一个基点来计算核电子学前端系统的前置放大器噪声模型和滤波形成电路的函数计算模型，最后进行综合的模型计算，推动后续研究计算的发展。

根据上述分析可知，光电倍增管主要是由光阴极、若干二次发射倍增极和阳极构成的，所以，当光量子达到光阴极的时候，光电子从阴极中释放，并且从由级联的二次发射过程倍增产生阳极电荷脉冲。所以，光电倍增管其实是一种带有内放大的真空光电探测器件，它的增益是非常高的，而且在整个系统中的影响范围是比较大的。

2 核电子学前端系统噪声分析

核电子学前端系统主要由光电倍增管、前置放大器和滤波成形电路两方面组成，所以要分析探究核电子学前端系统的噪声问题需要从噪声的上下界入手，通过设定噪声的适当范围来进行研究分析[3]。研究的主要方法是利用计算模型的方式进行实验检测：建立一个核电子学前端噪声模型，并根据此进行研究分析。

前置放大器的噪声模型是根据光电倍增管噪声模型而计算的，假设Rb为探测器的偏置电阻，Ri为前置放大器的反馈电阻，V为总输出电压，T为温度，Ig为栅级漏电流，Acq为电荷灵敏前置放大器的变换增益，Ci为电荷灵敏前置放大器的反馈电容，Cin为电荷灵敏前置放大器的输入电容，k为热力学波尔兹曼常数，gm为JFE的跨导，γ为修正因子，Cgf为场效应管栅极电容，KF为工艺参数。因此，噪声模型为：

根据计算可以通过依据实际情况，频率不可能取负值，势必在（0，+∞）中感兴趣频段，因此通过设置频段上界在，下界在，简化公式（1）可以得公式如下：

依据许兹瓦不等式有：

从这个模型中我们可以发现，对核电子学前端系统噪声问题影响比较大的部分在前置放大器，运动的频率对整个过程的影响正常，但是噪声越大，核电子学前端系统的设计受到的影响越大，所以需要慎重对待核电子学前端系统噪声问题，本次分析主要是采用计算的方式，将核电子学前端系统噪声的上界进行限定，设置好上界之后就能够顺利找到一个比较适合的界线点，而这个点就是直接关系到最后设计系统的点，能够将噪声控制在一个合理的范围内。

总而言之，根据上述计算与分析中可以看出，分析探讨核电子学前端系统的噪声问题能够对核电子学前端系统最大、最小噪声的界限有所确定，这有助于有效解决噪声问题，而对核电子学前端系统中噪声问题的解决能够帮助前端设计得到一个更好的发展，能够确定一个比较好的设计参考目标[4]。另外，从模型计算分析中可以看出，核电子学前端系统中的前置放大器的整体噪声的大小与频带是没有关系的，只与参数有关，而当前的前端系统的总噪音其实与信号频带宽度有直接关系。