光电倍增管的原理及特性测量

光电倍增管的原理及特性测量

作者：陈鑫念聪王巧

来源：《中小企业管理与科技·中旬刊》2019年第04期

【摘要】西藏得天独厚的地理位置为宇宙线观测提供了一个天然的平台，20世纪80年以来建立的羊八井宇宙线观测站也已经取得一系列重大成果。而随着宇宙线研究的不断深入，对实验仪器的要求也更加精准。电磁粒子探测器正是这种高精度实验器材，而光电倍增管可谓是探测器中最敏感的部件。基于此，论文对滨松R5912型光电倍增管的主要技术特性开展了测量与特性实践应用研究，为这一技术推广提供了技术理论保障。

【Abstract】Tibet's unique geographical location provides a natural platform for cosmic ray observations. The Yangbajing Cosmic Ray Observatory， which was established in the 1980s， has also achieved a series of major achievements. With the deepening of cosmic ray research， the requirements for experimental instruments are more precise. The electromagnetic particle detector is precisely this kind of high precision experimental equipment， and the photomultiplier tube is the most sensitive components in detectors. Based on this， the main technical characteristics of Hamamatsu R5912 photomultiplier tube are measured and applied in practice， which can provide technical and theoretical guarantee for the popularization of this technology.

【关键词】滨松R5912型光电倍增管;原理;测试系统;高压响应特性

【Keywords】 Hamamatsu R5912 photomultiplier tube; principle; test system; high-voltage response characteristics

【中图分类号】TN152; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;【文献标志码】A; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 【文章编号】1673-1069（2019）04-0155-02

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，開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。

2.1 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壓下，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，Log10和Log10对应点进行直线拟合[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：