双脉冲法精确测量PMT脉冲线性电流的实验设计

陈钰钰，唐登攀，胡孟春

(中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900)

光电倍增管工作在脉冲方式下，其脉冲线性特性是光电倍增管的基本性能之一，脉冲线性主要由峰值电流决定，强脉冲光入射时，在后级有大电流流过，因空间电荷密度高而出现饱和现象。这一特性参数表征光电倍增管脉冲工作条件下真实反映待测信号的能力，光电倍增管生产厂家一般会提供。但该参数会根据被测信号的宽度、频率等属性的变化而发生改变，理论计算光电倍增管脉冲线性参数具有很大难度。一般，线性范围指输出偏离线性a%的输出电流，a一般取5或10[1]。探测器的线性测量研究起步很早，已提出了多种测量探测器线性的方法，有偏振片法、双脉冲法、XY示波法、波形比较法。一些使用者对这些方法进行实验研究和改进，提高了测试精度。中国科学院高能物理研究所粒子天体物理重点实验室利用LED作为发光光源，将叠加法应用于脉冲线性的测量[2]。西北核技术研究所应用李萨如图形法对光电倍增管最大脉冲线性参数进行了实验研究[3]。XY示波法和波形比较法需两只PMT，其中1只PMT作为标准管。标准管输出在线性范围内只能说明其输出电流偏离线性直线的差值在一定范围内，由光电倍增管生产厂家设定，常为5%或10%。这说明光电倍增管的输出电流与严格意义上的线性实际上已产生一定程度的偏离。因此标准管的线性度直接影响测试精度。而偏振片法和双脉冲法只用1只PMT，很好地规避了这个问题。但在偏振片法中，偏振片组旋转的角度与折射率的关系需事先校准，校准精度一般不是很高。有研究发现：当光电倍增管的偏离线性度a%大于5%，在对波形数据进行微分处理比较时，得到的处理结果数据将出现较大的不确定度。为减低这种不确定度，本工作以双脉冲法为基础，将建立1套光电倍增管偏离线性度小于5%的精密测量系统，为降低波形数据微分处理不确定度提供技术支持。

1 双脉冲方法

让强、弱两种LED脉冲时间上交替点亮，并使它们各自脉冲的发光强度之比预定为K。LED灯发光使PMT阳极产生脉冲电流，当PMT阳极输出电流非常小(一般电流值为mA量级)时，PMT处于严格线性输出状态。此时，LED灯脉冲的强、弱两种光对应的PMT的输出电流为Ip02、Ip01，Ip02、Ip01与LED发光强度成正比，所以，Ip02/Ip01=K。通过拉近距离、旋转偏振片或减少减光片使PMT接收到的发光强度增大，PMT的输出电流也相应增大，导致线性偏离。PMT接收到的发光强度增大后，当弱脉冲光的输出为Ip1，强脉冲光的输出为Ip2时，两脉冲的输出比为Ip2/Ip1=K′，通常PMT在输出较高电流Ip2时首先偏离线性，因此，Ip2/Ip1

本文应用双脉冲法时使用了减光片，减光片为中性减光片，透过光谱范围覆盖LED灯发光光谱范围。

2 实验设计

2.1 实验设备构成与连接

1台DG2020用于给LED灯供电，并实现光源强、弱两次发光间隔10 s。两台示波器分别记录光源强、弱两次发光PMT对应的信号。1台高压电源用于给PMT供电。设备连接如图1所示。

图1 实验设备连接

2.2 光源系统的选择与设计

固定光源位置不变，用1只LED灯作为灯源，避免发光光谱、角分布等参数的差异。设置DG2020一路信号通道电压为5 V，另一路信号通道电压为7 V，通过二极管并联电路给LED供电，使LED灯发出两种不同强度的光。始终不改变LED供电电压，这样可保证LED灯发光更稳定。设置LED供电电压的目的是使LED灯的发光强度之比K约为3～4，利于拉开弱光和强光下PMT输出电流的差距，又利于在实验中获得PMT脉冲输出电流全曲线的过程中增加电流的取值点。通过改变光路中的减光片数量，达到改变光电倍增管接收到的LED发光强度的目的，使光电倍增管输出脉冲峰值电流在mA～A范围内取值。

LED灯既可连续发光也可脉冲发光，这取决于给LED灯所加电压的情况。设计LED灯发光由DG2020供电，调节DG2020的电压信号输出时间宽度实现LED发光宽度的可调，因此可根据PMT的实际使用条件，有针对性地测量PMT对特定宽度脉冲信号的脉冲线性电流。此次实验调节发光时间宽度约500 ns。测量脉冲线性电流时需使脉冲光源的重复频率尽可能低，因为分压器上并联的电荷存储电容的充电需要一定时间，当重复频率过高时，脉冲的间隙时间过短，使电容不能充分充电，从而造成光电倍增管电极电位分布的改变，影响PMT的测试性能。实验时，使用DG2020的块和循环功能调节两次脉冲时间间隔为10 s，时间分布如图2所示。

图2 DG2020触发时间分布

2.3 记录系统的选择与灵敏度设置

实验使用两台Tek5104数字示波器分别记录PMT接收弱光和强光的输出电流波形。Tek5104最大记录长度即存储深度为25 M字节，最大采样频率为10 G/s，即每点100 ps，示波器水平灵敏度为每格250 μs。这意味着，在最大记录长度、最大采样频率下，示波器只能记录2.5 ms的信号。若用1台示波器记录间隔10 s的两个信号，示波器采样时间需达20 s，则水平灵敏度至少每格1 s，那么即使记录长度为25 M，采样频率仅每点400 ns，对宽度为500 ns的脉冲信号，示波器也只用不到两个点进行记录，采样精度非常低。使用分路盒将两种信号分别用两台示波器记录，每个波形均独立，不受两个信号间隔10 s的时间约束，采样精度可达每点100 ps。另一方面，分别记录两个信号，示波器的垂直灵敏度不会受强光信号的限制，分别调节两台示波器垂直灵敏度，使强、弱两个信号在两个示波器尽可能满屏显示，用示波器尽量多的点记录波形，这提高了示波器的记录精度，减小了读数误差。实验只用1只光电倍增管，信号通过分路盒将光电倍增管输出信号分别送入两台示波器，两台示波器分别用DG2020的信号触发，当信号通道2的5 V信号点亮LED时，信号通道1触发其中1台示波器；当信号通道4的7 V信号点亮LED时，信号通道3触发另一台示波器(图1)。这就实现了两台示波器分别记录两个信号的效果。随减光片的减少，PMT接收到的光强不断增强，需加衰减器时，将1个衰减器加在分路盒的前端(图1)，这样可减少由于两个衰减器的细微差异导致实验精度下降的可能。实验还利用了示波器的平均功能，特别是测量弱信号时，增加测量次数可减少噪声对信号的干扰，提高测试精确度。信号经示波器平均前、后的对比如图3所示。单次测得波形的噪声震荡达近50 mV，占信号峰值幅度约1/5，采样多次平均后的结果更准确，读数误差明显减少。

图3 信号经示波器平均前、后截图

3 数据处理与修正

实验采用俄制CHT系列光电倍增管[5]。实验数据列于表1。对Ip1前4个最小输出值对应的K′取平均得到K，线性度为K′/K。考虑到当光电倍增管输出大于700 mA时，线性度已略微偏离线性直线，需进行修正。修正采用线性插值的方法。线性度及修正线性度列于表1。如第14组数据，强光PMT输出2 450 mA时，实验得其线性度为0.862，此值基于弱光PMT输出828 mA为100%线性这一前提。从第11组和第12组数据插值得到PMT输出828 mA线性度为0.988。则PMT输出2 450 mA时的真实线性度修正为0.988×0.862=0.852。第15组数据采用同样计算方法修正后，得到线性度为0.719。实验认为，小于1%的误差是允许的。PMT脉冲峰值输出小于569 mA时，计算得到的线性度在1.00±0.01范围内，认为PMT输出在线性100%范围，因此修正时线性度全归为1.000，即PMT未出现输出非线性。

表1 双脉冲法线性度

将峰值电流实验值和修正后的非线性度参数作图，得到该光电倍增管完整的脉冲线性曲线，如图4所示。

图4 光电倍增管线性曲线

根据实验数据，采用分段线性插值的方法，可计算出该光电倍增管偏离线性度1%、2%、5%、10%的阳极输出电流分别为765、1 000、1 375、1 932 mA。

4 结论

本文讨论了使用双脉冲方法测试光电倍增管脉冲线性电流，并通过实验细节的设计提高了测试精度，精度达1%。此方法的优势在于不需标准管作参照，且避免了标准管工作在非线性范围时的影响，设计后的双脉冲方法可针对待测信号属性进行较简便、精确的光电倍增管脉冲线性参数测量。

参考文献：

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[3] 管兴胤，张子川，刘君红. 精确测量光电倍增管最大脉冲线性电流参数的实验研究[J]. 原子能科学技术，2009，43(7)：640-643.

GUAN Xingyin, ZHANG Zichuan, LIU Junhong. Experimental study of accurate measuring linear range of photoelectricty multiply tube[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2009, 43(7): 640-643(in Chinese).

[4] 滨松光子技术公司. 光电倍增管基础及应用[M]. 3版. 北京：滨松光子技术公司,2010.

[5] 胡孟春，叶文英，周殿忠，等. 微秒级宽脉冲信号下能输出大于1.5 A线性电流的光电倍增管[J]. 核技术，2004，27(4)：313-316.

HU Mengchun, YE Wenying, ZHOU Dian-zhong, et al. A kind of photomultiplier tube with the highest linear current larger than 1.5 A for measuring microsecond pulse signals[J]. Nuclear Techniques, 2004, 27(4): 313-316(in Chinese).