光电倍增管的原理及特性测量

陈鑫，念聪，王巧

（西藏大学理学院，拉萨850000）

1 光电倍增管技术原理及滨松R5912 型光电倍增管

1.1 光电倍增管技术原理

光电倍增管技术的应用是建立在外光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上一种光电感应原件。在实际的工作中一般应用在紫外、可见以及近红外区等光谱区域。光电倍增管的内部结构除了光电阴极和阳极外，其两极之还放置多个瓦形倍增电极。在使用中管内相邻两倍增电极之会间产生电压加速电子。在光电倍增管光电阴极受到光源照射后会释放出光电子，之后其在电场作用下射向第一倍增电极，形成电子二次发射、三次发射等，最终造成管子内电子数的不断倍增[1]。最终光电倍增管阳极收集到的电子可增加104～108倍，实现对系统内微弱光信号的检测。因此，为提高光电倍增管使用质量，开展了其测量技术与其在生产中的实践应用研究。

1.2 滨松R5912 型光电倍增管

滨松R5912 型光电倍增管是一种8 英寸的中型光电倍增管，它目前在包括国家“十三五”重大设施LHAASSO 实验及在西藏开展的水切伦科夫实验中，有较大规模的应用，虽然滨松R5912 型光电倍增管为一种市场化、规模化生产的器件，但由于它的高灵敏度，快速响应等特点，使得每个光电倍增管的性能并不完全一致，并且厂家给出的参数中，也不能完全满足宇宙线实验的需求，因此需要对其特性进行分析。

2 测试流程与主要测试部件

图1 光电倍增管测量流程图

2.1 测试部件

此次实验测试的光电倍增管的型号为滨松R5912，在特性测量实验中，采用了计算机系统对光电倍增管特性进行测试。其主要的测试原件主要包括以下四个部分：

①测试信号采集系统。测试信号的采集质量决定了特性测试的整体效果，因此采用了VME 机箱为平台的计算机系统采集信号。信号采集测试系统主要是由CPU 与FEE 前端电子板组成。每块FEE 板有32 个通道，可以同时测量32 路信号，用于记录信号的相关信息。其中CPU 系统是向FEE 板发送指令，并将FEE 采集处理的数据通过网线传递给电脑和脉冲信号发生器。脉冲信号发生器采用CAEN 公司DG5102 可编程脉冲发生器，波形、脉冲宽度、输出电压可调。之后通过FEE 板的32 个通道，完成对32 路输入信号信息的记录，最后通过网络系统发送给测试计算机系统。

②高压信号源系统。这一系统主要为测量工作提供强电场环境。此次试验是通过高压源模块产生的高压测试信号，该模块是意大利CAEN 公司生产的SY5527 多通道高压源。

③LED 光源信号。用光源测量光电倍增管的光电子谱一般有四种方法，即分别用LED、激光、放射源、Xe 灯四种光源，光源信号是光电倍增管信号测试的必备装置。此次试验使用了LED 灯光源。这主要是由于LED 灯发出的光与光电倍增管使用的光波段较为接近，进而提高了测试整体质量，同时为了精确地测得单光电子谱，采用传导光纤将其微弱的光缩小截面至光电倍增管。

④测试暗室。为了实现试验所需的完全避光环境，单独隔离出一间空屋使其处于完全避光环境并搭建了实验暗箱用于安置测量的光电倍增管与LED 光源。

2.2 高压响应曲线特性分析

这里我们主要对光电倍增管的高压响应进行测试与分析。在试验中这一参数的测量主要包括了以下过程。

首先，通过测量高压响应曲线参数，获得已知的阳极输出电荷量：

在这一公式中：N 代表在光强条件下光电倍增管中光阴极发出的光电子量；G 代表光电倍增管增益。试验中光电倍增管在两个不同高压下，其对应增益与阳极输出电荷对应关系公式为：

根据这一公式测得光电倍增管在区别高压下阳极输出电荷数，同时在公式两边取10 的对数点进行直线拟合[2]，数据采集过程通过对PMT 施加高压，PMT输出脉冲经过数据采集卡实现模数转换，ROOT 系统软件读取数字信号，用Origin 绘制图像，获得了PMT 的高压响应图像。

因此，PMT 的光电子经过n 级倍增后的增益与高压为线性关系：

log10（gain）=a+βlog（hv）

实验仍然运用上述所示基本测试系统，将示波器与电脑通过局域网相连作为采数系统，通过改变加载到PMT 上的高压可以计算得到相应的电荷量，进而测试得到高压响应曲线。实验中调节LED 的光强至适当强度，同时选取加载到PMT 上的高压范围为900～1800V，使得PMT 输出信号幅值不超过线性范围。实验中我们通过示波器对总共十个测试点（每隔100V 为一个采样点）的波形进行了测试、取样和数据处理，并通过直线拟合得到如图所示结果β=7.038，a=-15.96,然后将β代入公式（2），便可得到该电压下的增益。

图2 光电倍增管高压响应曲线

3 结语

在运行过程中光电倍增管除了绝对增益外，也存在直接工作中的低增益状态。但是在实际的测试中，由于低增益状态下其电子信号幅度较微弱，因此其参数很难实际测量，为此我们需要测量到光电倍增管的高压响应曲线。在本次实验中，我们对滨松R5912 型光电倍增管高压特性测量为以后光电倍增管的增益分析提供了理论支持，为更细致地对R5912 型光电倍增管研究做好了充分的准备。