光電倍增管在地基粒子天體物理實驗中的應(yīng)用

劉茂元 陳鑫 念聰

光電倍增管因其極高的靈敏度、快速響應(yīng)等特點在探測微弱光信號及快速脈沖光信號方面是一個重要的探測器件。地基粒子天體物理實驗中對光電倍增管有廣泛的應(yīng)用，本文簡要介紹了它在地基粒子天體物理實驗中的用途及需要精確測量的幾個參數(shù)。

1引言

光電倍增管于1934 年第一次研制成功，它作為弱光探測器已有80多年的發(fā)展歷史，它經(jīng)歷了光度測量、閃爍計數(shù)、時間測量等幾個發(fā)展階段以后。自20世紀(jì)70年代開始光電倍增管進(jìn)入飛速發(fā)展的階段各種結(jié)構(gòu)和功能的光電倍增管層出不窮性能參數(shù)也不斷提高由于光電倍增管具有極高的靈敏度、快速響應(yīng)等特點在探測微弱光信號及快速脈沖光信號方面是一個重要的探測器件.因此，光電倍增管被廣泛應(yīng)用到光譜分析、遙感衛(wèi)星測量、環(huán)境監(jiān)測等廣闊領(lǐng)域。在地基粒子天體物理實驗中光電倍增管做為粒子探測器也被大量使用。

2光電倍增管原理及分類

光電倍增管一般由光電陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)、二次發(fā)射倍增系統(tǒng)和陽極組成，光電陰極是由光電發(fā)射材料制成，光子進(jìn)入陰極產(chǎn)生光電效應(yīng)而發(fā)射電子，我們稱為一次電子。光電陰極上產(chǎn)生的每一個電子，在電場作用下加速、聚焦、轟擊第一個打拿極，就會產(chǎn)更多的電子，我們稱為二次電子。這樣依次類推。經(jīng)過10個或更多的打拿極。最后，經(jīng)倍增的光電子被陽極收集而輸出信號。光電倍增管的種類較多，分類方法也多樣。根據(jù)光電倍增管的窗口形狀，可分為側(cè)窗式光電倍增管和端窗式光電倍增管;根據(jù)窗口結(jié)構(gòu)，光電倍增管可分為凹鏡窗式、棱鏡窗式等;根據(jù)其入射光的波長范圍.光電倍增管可分為紅外光電倍增管、紫外光電倍增管;根據(jù)光電倍增管所具有的特殊功能，它可分為耐高溫光電倍增管、快速光電倍增管、高穩(wěn)定度光電倍增管等。光電管雖然是一種最簡單的光敏管，但用途不同，其結(jié)構(gòu)變化也較多。

3光電倍增管的主要性能參數(shù)

3.1靈敏度和工作光譜區(qū)

光電倍增管的靈敏度S是指在1lm的光通量照射下所輸出的光電流強(qiáng)度，靈敏度隨入射光的波長而變化，這種靈敏度稱為光譜靈敏度，而描述光譜靈敏度隨波長而變化的曲線稱為光譜響應(yīng)曲線，由此可確定光電倍增管的工作光譜區(qū)和最靈敏波長。

3.2暗電流

光電倍增管在全暗條件下工作時，陽極所收集到的電流稱為暗電流。當(dāng)光電倍增管在很低電壓下工作時，玻璃芯柱和管座絕緣不良引起的歐姆漏阻是暗電流的主要成分，暗電流隨工作電壓的升高成正比增加;當(dāng)工作電壓較高時，暗電流主要來源于熱電子發(fā)射。因此，降低溫度及降低電壓都能降低暗電流。

3.3噪聲和信噪比

在入射光強(qiáng)度不變的情況下，暗電流和信號電流兩者的統(tǒng)計起伏叫做噪聲。這是由光子和電子的量子性質(zhì)而帶來的統(tǒng)計起伏以及負(fù)載電阻在光電流經(jīng)過時其電子的熱騷動引起的。輸出光電流強(qiáng)度與噪聲電流強(qiáng)度之比值，稱為信噪比。顯然，降低噪聲，提高信噪比，將能檢測到更微弱的入射光強(qiáng)度。

4光電倍增管在地基粒子天體物理實驗中的應(yīng)用

當(dāng)外太空的高能宇宙射線（原處宇宙射線）進(jìn)入大氣層后，會與空氣核發(fā)生作用，產(chǎn)生大量的次級粒子，次級粒子會分布在幾十至上千平方米范圍內(nèi)，在地面建立探測器陣列，就可以根據(jù)次級粒子到達(dá)的時間，探測器著火的數(shù)目及橫向分布等信息，重建出原初宇宙射線的方向和能量等信息。

在地基粒子天體物理實驗中，光電倍增管作為大部分探測器的核心部件在實驗中起著關(guān)鍵性作用。探測器一般由探測介質(zhì)（如塑料閃爍體，水等），光導(dǎo)設(shè)備，光電倍增管，電子學(xué)系統(tǒng)等組成，粒子到達(dá)探測介質(zhì)后與探測介質(zhì)發(fā)生作用而發(fā)光，光子經(jīng)光導(dǎo)設(shè)備到達(dá)光電倍增管，經(jīng)光電倍增管后，光子變?yōu)殡娮?，并?jīng)過放大，傳輸?shù)诫娮訉W(xué)系統(tǒng)。

由于一般的探測陣列由幾十甚至成百上千的單元探測器組成，雖然每個探測器應(yīng)用同一型號的光電倍增管，但由于它的生產(chǎn)工藝及高精度等性質(zhì)的因素，在相同的高壓下，每個光電倍增管的增益也會不同。如果增益不同，那么相同的粒子打在不同探測器上得到的信號也就不一致，這樣將造成重建的方向，能量信息的不準(zhǔn)確，甚至于探測器陣列數(shù)據(jù)的錯誤。為此，必須使每個光電倍增管的增益一致，也就是使它們工作在相同增益的電壓下，這就要求在應(yīng)用光電倍增管組成探測器陣列之前，對它們的高壓響應(yīng)作一次準(zhǔn)確測試，確定它的工作高壓，使它們增益一致。通常情況，每個光電倍增管會有不同的工作電壓。

光電倍增管的線性范圍也是一個重要的參數(shù)，即輸入的光子與輸出的信號之間的線性時才能準(zhǔn)確的測出次級粒子能量。由于有時會碰到能量很大的次級粒子打在探測器上后發(fā)出較多的光子，造成光電倍增管的不在其線性范圍內(nèi)或者飽和，這樣不能準(zhǔn)確測出到達(dá)粒子能量。所以必須準(zhǔn)確測量每個光電倍增管的線性范圍。如果僅僅一種光電倍增管不能達(dá)到要求的話，可以在一臺探測器選用兩種類型的光電倍增管，但這會造成成本的大量增加。另一種方法是采用中間打拿級輸出形式，以增大光電倍增管的量程，但這時要注意打拿級輸出與陽極輸出的線性關(guān)系，兩者呈線性，才可以用于測量次級粒子能量。

項目資助：西藏大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目2018QCX010。

（作者單位：西藏大學(xué)理學(xué)院）