光电倍增管在地基粒子天体物理实验中的应用

刘茂元 陈鑫 念聪

光电倍增管因其极高的灵敏度、快速响应等特点在探测微弱光信號及快速脉冲光信号方面是一个重要的探测器件。地基粒子天体物理实验中对光电倍增管有广泛的应用，本文简要介绍了它在地基粒子天体物理实验中的用途及需要精确测量的几个参数。

1引言

光电倍增管于1934 年第一次研制成功，它作为弱光探测器已有80多年的发展历史，它经历了光度测量、闪烁计数、时间测量等几个发展阶段以后。自20世纪70年代开始光电倍增管进入飞速发展的阶段各种结构和功能的光电倍增管层出不穷性能参数也不断提高由于光电倍增管具有极高的灵敏度、快速响应等特点在探测微弱光信号及快速脉冲光信号方面是一个重要的探测器件.因此，光电倍增管被广泛应用到光谱分析、遥感卫星测量、环境监测等广阔领域。在地基粒子天体物理实验中光电倍增管做为粒子探测器也被大量使用。

2光电倍增管原理及分类

光电倍增管一般由光电阴极、电子光学输入系统、二次发射倍增系统和阳极组成，光电阴极是由光电发射材料制成，光子进入阴极产生光电效应而发射电子，我们称为一次电子。光电阴极上产生的每一个电子，在电场作用下加速、聚焦、轰击第一个打拿极，就会产更多的电子，我们称为二次电子。这样依次类推。经过10个或更多的打拿极。最后，经倍增的光电子被阳极收集而输出信号。光电倍增管的种类较多，分类方法也多样。根据光电倍增管的窗口形状，可分为侧窗式光电倍增管和端窗式光电倍增管;根据窗口结构，光电倍增管可分为凹镜窗式、棱镜窗式等;根据其入射光的波长范围.光电倍增管可分为红外光电倍增管、紫外光电倍增管;根据光电倍增管所具有的特殊功能，它可分为耐高温光电倍增管、快速光电倍增管、高稳定度光电倍增管等。光电管虽然是一种最简单的光敏管，但用途不同，其结构变化也较多。

3光电倍增管的主要性能参数

3.1灵敏度和工作光谱区

光电倍增管的灵敏度S是指在1lm的光通量照射下所输出的光电流强度，灵敏度随入射光的波长而变化，这种灵敏度称为光谱灵敏度，而描述光谱灵敏度随波长而变化的曲线称为光谱响应曲线，由此可确定光电倍增管的工作光谱区和最灵敏波长。

3.2暗电流

光电倍增管在全暗条件下工作时，阳极所收集到的电流称为暗电流。当光电倍增管在很低电压下工作时，玻璃芯柱和管座绝缘不良引起的欧姆漏阻是暗电流的主要成分，暗电流随工作电压的升高成正比增加;当工作电压较高时，暗电流主要来源于热电子发射。因此，降低温度及降低电压都能降低暗电流。

3.3噪声和信噪比

在入射光强度不变的情况下，暗电流和信号电流两者的统计起伏叫做噪声。这是由光子和电子的量子性质而带来的统计起伏以及负载电阻在光电流经过时其电子的热骚动引起的。输出光电流强度与噪声电流强度之比值，称为信噪比。显然，降低噪声，提高信噪比，将能检测到更微弱的入射光强度。

4光电倍增管在地基粒子天体物理实验中的应用

当外太空的高能宇宙射线（原处宇宙射线）进入大气层后，会与空气核发生作用，产生大量的次级粒子，次级粒子会分布在几十至上千平方米范围内，在地面建立探测器阵列，就可以根据次级粒子到达的时间，探测器着火的数目及横向分布等信息，重建出原初宇宙射线的方向和能量等信息。

在地基粒子天体物理实验中，光电倍增管作为大部分探测器的核心部件在实验中起着关键性作用。探测器一般由探测介质（如塑料闪烁体，水等），光导设备，光电倍增管，电子学系统等组成，粒子到达探测介质后与探测介质发生作用而发光，光子经光导设备到达光电倍增管，经光电倍增管后，光子变为电子，并经过放大，传输到电子学系统。

由于一般的探测阵列由几十甚至成百上千的单元探测器组成，虽然每个探测器应用同一型号的光电倍增管，但由于它的生产工艺及高精度等性质的因素，在相同的高压下，每个光电倍增管的增益也会不同。如果增益不同，那么相同的粒子打在不同探测器上得到的信号也就不一致，这样将造成重建的方向，能量信息的不准确，甚至于探测器阵列数据的错误。为此，必须使每个光电倍增管的增益一致，也就是使它们工作在相同增益的电压下，这就要求在应用光电倍增管组成探测器阵列之前，对它们的高压响应作一次准确测试，确定它的工作高压，使它们增益一致。通常情况，每个光电倍增管会有不同的工作电压。

光电倍增管的线性范围也是一个重要的参数，即输入的光子与输出的信号之间的线性时才能准确的测出次级粒子能量。由于有时会碰到能量很大的次级粒子打在探测器上后发出较多的光子，造成光电倍增管的不在其线性范围内或者饱和，这样不能准确测出到达粒子能量。所以必须准确测量每个光电倍增管的线性范围。如果仅仅一种光电倍增管不能达到要求的话，可以在一台探测器选用两种类型的光电倍增管，但这会造成成本的大量增加。另一种方法是采用中间打拿级输出形式，以增大光电倍增管的量程，但这时要注意打拿级输出与阳极输出的线性关系，两者呈线性，才可以用于测量次级粒子能量。

项目资助：西藏大学大学生创新训练项目2018QCX010。

（作者单位：西藏大学理学院）