光电转化器件光阴极量子效率测量研究

夏经铠 钱 森 王文文, 宁 哲 程雅苹 王贻芳江晓山 王 铮 李小男 祁 鸣 衡月昆 刘术林

光电转化器件光阴极量子效率测量研究

夏经铠1,2,3钱 森1,2王文文1,2,4宁 哲1,2程雅苹1,2,3王贻芳1,2江晓山1,2王 铮1,2李小男1,2祁 鸣4衡月昆1,2刘术林1,2

1（核探测与核电子学国家重点实验室 北京 100049）
2（中国科学院高能物理研究所 北京 100049）
3（中国科学院大学 北京 100049）
4（南京大学 南京 210093）

光电器件（光电倍增管、光电二极管、太阳能电池等）的应用研究日益广泛，对其性能的测试要求也越来越高，尤其是对其核心部件光阴极光电转化量子效率(Quantum efficiency, QE)的测试和标定。通过建立的光阴极性能测试系统，开展了对各种型号光电器件阴极的测试研究。测试研究内容包括对光阴极在特定波长下QE的绝对测量和相对测量、对光阴极频谱响应特性的测量以及对光阴极面均匀性的扫描测试。目前对多种不同型号的光电二极管(Photo diode, PD)和光电倍增管(Photomultiplier tube, PMT)光阴极QE的测试结果显示，无论采用绝对测量或相对测量，其结果均与已有第三方标定结果一致；同时，搭建的二维扫描测试平台实现了对平面型光阴极均匀性的快速准确测试。

光电转化器件，光阴极，量子效率测量

光电探测器是将输入光信号转换成输出电信号的探测器件，因其具有高探测效率及快时间响应等优点而广泛应用于各种探测及成像领域。光电倍增管、光电二极管等典型光电探测器大量运用于核物理及粒子物理实验中。光电探测器中，实现光电转换功能的核心部件是光阴极。光阴极工作所依据的原理是光电效应，即光阴极材料吸收入射光子能量并传递给价带电子，使其激发跃迁成为自由电子，形成电信号。

光阴极的探测灵敏度表示其将入射光信号转换为可输出电信号的能力，与入射光的波长相关，通常用辐射灵敏度S或量子效率(Quantum efficiency, QE)来表示。尽管不同的行业采用不同的定义，但两者对光阴极光电转化的表征是一致的。在特定波长下，光阴极发射的光电流与入射光强的比值定义为辐射灵敏度(A/W)；光阴极发射的光电子数与入射光子数的比值则定义为量子效率。两者间换算关系如式(1)所示[1]：

式中，h是普朗克常数；c是光在真空中的速度；λ是入射光的波长；e是电子所带电量。

光阴极光电转换效率的高低通常用QE表示，它是决定整个光电探测器探测效率的关键因素。在实际应用研究中，对光阴极量子效率的准确测试非常重要。如在高能物理领域的中微子观测中，通常要求所使用光电倍增管对来自液体闪烁体或水契伦柯夫效应的光具有20%以上的量子效率[2]。因此在实验建设阶段需要对准备使用的光电倍增管进行量子效率测试，筛选出合格的产品。此外在光阴极技术研究领域，对量子效率的准确测量能够为光阴极的研制提供重要依据。

本文建立的光电倍增管性能测试实验室包括一套准确可靠的光阴极量子效率测试系统。利用这套测试系统对多种不同型号的光电探测器件的光阴极性能进行测试。

1 实验测试系统

本实验室建立了一套功能全面、操作自动化和可远程控制获取的光阴极测试系统。测试系统的结构分为三层：第一层位于避光良好的暗室内，主要包括待测光电探测器，不同种类的光源及实验平台；第二层是用于控制和测量的各种硬件设备，如脉冲发生器、皮安表和功率计等；第三层是运行于计算机上的远程控制和数据获取软件，计算机操作系统为Windows 7，软件采用LabVIEW编程，通过RS232、GPIB及Ethernet等通信总线与第二层的硬件设备进行交互，控制实验的进行并存取测量数据。

实验中使用了不同种类的光源，包括便于移动和安装的410 nm激光二极管，可提供300-800 nm波段光的单色仪，功率可调的OPO激光器（波长210-1 000 nm）。上述三种光源产生的均为光斑直径小于3 mm的点光源，照射在光阴极上可对光阴极相应位置处量子效率进行测量研究。

同时实验装置中包括一个20 cm×20 cm的二维移动平台。将待测光电探测器或光源固定安装在平台上，可以实现对平面型光阴极面的量子效率均匀性扫描。测试过程中使用410 nm的激光二极管作为光源，因为通常在大量使用光电倍增管的中微子实验中，从添加了移位剂的液体闪烁体中产生的光子峰值波长在410 nm附近[3]。

激光二极管光源长时间的稳定性如图1所示。长时间监测显示其功率的稳定性为：7.52±0.22 μW，满足测试要求。

图1 410 nm激光二极管光源长期稳定性测试Fig.1 Stability measurement results of the 410-nm laser diode.

利用上述测试系统，完成了大量实验测量工作。首先利用410 nm的激光二极管，对多种不同种类的光电探测器，如各种型号的光电倍增管和硅光电二极管在该波长处的量子效率进行了测量。在测量中使用了两种不同的方法——相对测量和绝对测量，将两种测量得到的结果进行了比较验证。对平面型光阴极，利用移动平台完成了阴极面量子效率均匀性的扫描。此外，使用单色仪提供的不同波长光源，完成了对多种光阴极的频谱响应测量。

2 光阴极性能研究测试结果

2.1光阴极光电流坪曲线测试

光阴极光电转化效率的测定主要是通过监测其在特定入射光下产生的光电流。该光电流在测量量子效率的实验条件下为几纳安培到几十纳安培，实验中使用可精确到0.1 nA的微小电流计测量得到。在测试中，无论是对样管的静态测试还是在样管制备平台上的动态测试，对入射光源的强度要进行合理的调节，如图2所示，对于不同的光电阴极，相同功率条件下相同波长的单色光(410 nm)入射到光阴极面上时，监测其光电流获得坪曲线的阴极电压不同。这意味着对光阴极的测试，尤其是对QE的监测，不同的样管，不同的光阴极，不能简单地使用相同的光强和阴极工作高压进行测试，如此，将会导致一些错误的现象发生。

如图2所示，在同一410 nm光源照射下，不同型号的光电倍增管阴极电流到坪所需电压不同。对于50.8 mm的XP2020[4](QE为23%)和203.2 mm的R5912-100[5](QE为35%)，若不考虑不同光阴极（有不同的坪曲线）需要不同的阴极高压，仅对比光电流，将是不正确的。在R5912-100还没有到坪的高压（小于300V）情况下，用测得的光电流无法计算得到正确的QE，而在低于50 V下，XP2020的光电流甚至高出R5912-100的光电流。

图2 不同PMT在相同光强下的光电流坪曲线Fig.2 Measured cathode current plateau curves of different PMTs.

2.2光阴极量子效率测试

本文在测量光阴极量子效率的过程中使用了相对测量和绝对测量两种方法。在量子效率的相对测量中，使用了一个量子效率已知的参考硅光电二极管和一个分光镜。参考硅光电二极管的量子效率数据由其生产厂家提供。分光镜能将适当波长范围内的入射光分成强度相同的两束出射光，经实验刻度，两束出射光功率相差小于1%。测量过程中，两束出射光分别入射到参考光电二极管和待测光阴极上。给两者分别加上合适的直流电压用于收集产生的光电子后，两台型号相同的微小电流计分别测量光电二极管和待测光阴极的光电流，则待测光阴极的量子效率可通过式(2)计算得出：

式中，QEPD是参考光电二极管的量子效率；Iunknown和IPD分别是测得的待测光阴极和参考光电二极管的光电流。通过相对测量得到的部分光电探测器在410 nm的量子效率结果见表1。

表1 部分光电探测器在410 nm量子效率测量结果Table 1 QE@410 nm measurement results of several photoelectric devices.

在光阴极量子效率的绝对测量中，使用了一台可精确到0.1 nW的小功率计来直接测量照射到待测光阴极上光的功率。测量得到入射光的功率Plight和相应的光阴极电流Iunknown后，可通过式(3)计算得到光阴极在该波长入射光下的辐射灵敏度S(λ)，进而量子效率可由式(1)计算得到。

从表1中看出，对多种不同种类的光电探测器，相对测量和绝对测量得到的量子效率结果一致。此外，对比部分由生产厂家或第三方单位提供的测量结果，我们的测量结果也与其非常一致，表明所建立测试系统具有高度的可靠性和准确性。

2.3光阴极表面均匀性扫描

如§1介绍，为测量平面型光阴极表面均匀性，实验中使用了一个移动平台以实现光源照射到光阴极面位置的变化。平台的移动可通过软件远程控制，并按需求设计了完整的自动化扫描功能。

在整个扫描过程中，光源入射方向垂直于待测光阴极面，以最大程度地避免入射窗口及光阴极的反射效应对测量结果造成影响(如图3)。图4是一只50.8 mm圆面阴极光电倍增管的量子效率扫描结果。可以看出该光电倍增管在靠近阴极面中心处量子效率最高，远离中心靠近边缘处量子效率最低。

图3 二维平面扫描平台Fig.3 Picture of the 2D scanning platform.

图4 XP2020-PMT(50.8 mm)阴极量子效率均匀性扫描结果Fig.4 Measurement results of the cathode uniformity for a 50.8-mm PMT.

2.4光阴极频谱响应

随着入射光波长的变化，光电探测器的阴极灵敏度也会发生变化。不同种类的光阴极灵敏频谱范围和峰值响应波长不同，例如Cs-Te阴极的灵敏大致在150-350 nm，峰值响应波长在230 nm附近，而一般双碱光阴极的灵敏范围在300-550 nm，峰值响应波长在400 nm左右[5]。因此，对不同的实际应用，提前调研需要探测的光谱范围并选择在此范围内灵敏度较高的光电探测器非常重要。

实验中，我们使用单色仪提供300-700 nm的各波段光源，对不同种类的光阴极频谱响应性能进行了测量。图5是一只XP2020光电倍增管和一只R5912光电倍增管的量子效率随波长变化曲线。

从图5中曲线可以看到，上述两种型号的光电倍增管阴极量子效率的峰值波长都在400 nm附近，在短波和长波波段量子效率都很低。图6则测试对比了目前日本滨松公司生产的203.2 mm椭球形PMT的两种量子效率曲线，其中常规光阴极样管R5912在400nm处的量子效率为25%，而高量子效率光阴极SBA样管R5912-100在400 nm处的量子效率提高到了35%。

图5 R5912和XP2020的光阴极频谱响应测试曲线Fig.5 Cathode spectral response of R5912 and XP2020.

图6 滨松高量子效率PMT频谱响应测试曲线Fig.6 Cathode spectral response of two Hamamatsu PMTs (one with high QE).

3 结语

通过光电倍增管性能测试实验室的系列光源和自动化的仪器设备，可以对各种型号的光电器件的光阴极进行细致的研究和测试。不但可以测试其光阴极频谱响应曲线，对于平面型光阴极，还能通过2D扫描平台对其光阴极面的均匀性进行逐点扫描测试。

1 Sommer A H. Photoemissive materials: preparation, properties and uses[M]. Beijing: Science Press, 1979: 58-62

2 Wang Y F, Qian S, Zhao T, et al. A new design of large area MCP-PMT for the next generation neutrino experiment[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2012, 695: 113-117

3 Wang Y F. Hep-ex/0610024[A]. Proceedings of the 33rdInternational Conference on HEP (ICHEP06)[C]. Moscow: World Scientific, 2007

4 Photonis Corp. Photonis XP2020 data sheet[OL]. http://my.et-enterprises.com/pdf/XP2020.pdf, 2007

5 Kimitsugu Nakamura, Yasumasa Hamana, Yoshihiro Ishigami, et al. Latest bialkali photocathode with ultra high sensitivity[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2010, 623: 276-278

6 First Sensor Corp. First sensor PIN PD data sheet[OL]. http://www.mouser.com/ds/2/313/ps100-5-thd-501433_0[ 1]-203120.pdf

7 Hamamatsu Corp. Hamamatsu large photocathode area photomultiplier tubes data sheet[OL]. http://www. hamamatsu.com/resources/pdf/etd/LARGE_AREA_PMT _TPMH1286E05.pdf, 2008

8 HZC Photonis Corp. HZC Photonis XP1805 data sheet[OL]. http://hzcphotonics.com/products/XP1805.pdf

CLC TL813

Measurement and study of the photocathode quantum efficiency of photoelectric conversion device

XIA Jingkai1,2,3QIAN Sen1,2WANG Wenwen1,2,4NING Zhe1,2CHENG Yaping1,2,3WANG Yifang1,2JIANG Xiaoshan1,2WANG Zheng1,2LI Xiaonan1,2QI Ming4HENG Yuekun1,2LIU Shulin1,2
1(State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Beijing 100049, China)
2(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
3(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
4(Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Background:Photoelectric devices such as photomultiplier tubes (PMTs), photo diodes (PDs) and solar cells are widely used in many applications, so reliable evaluation on the performances of such devices is quite necessary, especially for the accurate measurements and calibrations on the photocathode quantum efficiency (QE).Purpose:We aim to build up a cathode performance evaluation system and study the properties of different types of cathodes.Methods:Two different methods named as the relative measurement and the direct measurements were employed to measure the QE values of cathodes. In addition, a 2D platform was built to achieve convenient and accurate processes for the plane type photocathode position uniformity test.Results:With the evaluation system, the cathode properties of dozens of photoelectric devices were tested. The measured QE results, either from the relative or the direct measurement, are consistent with the data provided by the manufacturers or a third party.Conclusion:Our cathode evaluation system is reliable and could be used to study the detailed photocathode properties such as QE, spectral response and position uniformity.

Photoelectric conversion device, Photocathode, Quantum efficiency (QE) measurement

TL813

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.090401

国家自然基金面上项目(Grant No.10775181)、中国科学院仪器设备专项资金资助

夏经铠，男，1990年出生，2011年毕业于北京航空航天大学，现为中国科学院高能物理研究所博士研究生，核技术及应用专业

钱森，E-mail: qians@ihep.ac.cn

2014-05-16，

2014-06-23