地磁場下微通道板型光電倍增管性能研究

蘇德坦,葉 皓,孫建寧1,,司曙光,黃國瑞,曹宜起,錢 森,李 珅,王興超,任 玲,馬麗雙

(1.微光夜視技術重點實驗室，陜西 西安 710065;2.北方夜視技術股份有限公司，江蘇 南京 211106;3.中國科學院高能物理研究所，北京 100049;4.核探測與核電子學國家重點實驗室，中國科學技術大學，安徽 合肥 230026))

0 引言

1911年，奧地利物理學家V.F.Hess 用3 臺靜電計測得5300 m 的高空上電離率增長到地面的4 倍。他認為該觀察結果最好的解釋是設想一種高穿透力的射線從宇宙進入大氣層。后人將這種射線命名為宇宙線，V.F.Hess 據此獲得1936年諾貝爾物理學獎。雖然當前對宇宙線的起源尚無完備的理論，但人類已意識到某些宇宙線的能量遠超目前人工加速器所能達到的水平。為通過宇宙線解決當前物理學界遇到的新問題，我國發改委批準建立高海拔宇宙線觀測站(Large High Air Altitude Shower Observatory，LHAASO)，旨在探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化、高能天體演化和暗物質等前沿問題。LHAASO 項目采用多種探測手段實現復合、精確的測量，大幅度提高靈敏度，覆蓋更寬廣的能譜，從而建設第三代γ天文探測器[1]，這就要求光電倍增管具有較好的渡越時間離散值和低暗計數。針對LHAASO 項目對光電倍增管的特殊要求，北方夜視技術股份有限公司設計出一種擴張結構微通道板型光電倍增管。

LHAASO 項目中，光電倍增管的核心指標是光電陰極不同位置出射光電子的渡越時間漲落(transit time spread, 以下簡稱TTS)，TTS 主要受光電倍增管結構和分壓器電路的影響。通過CST 仿真軟件計算分析，為了提高TTS，可以通過增加陰極和聚焦級之間的電壓差或者擴大聚焦級直徑實現，而陰極與聚焦級之間的電壓差不能過高，因此只能通過擴大聚焦級直徑來解決。為此我們專門設計出一種高穩定性的自動擴張型聚焦級，在不改變過渡節口徑的情況下大幅增大了聚焦級直徑。為優化信號上升時間和信號下降時間，并降低噪聲和TTS，在原分壓器的基礎上優化目前的分壓比。

微通道板的每個孔徑約為20 μm，孔內壁使用電阻和二次發射涂層處理，當孔壁被二次電子轟擊時，每個微孔像單獨的電子倍增器一樣出現電子倍增現象，電子倍增的具體狀態因入射電子的初始能量和入射角度的不同而發生改變。當光電倍增管在磁場中工作時，由于同時存在電場和磁場，所以電子軌跡同時受到電場力及洛侖茲力的作用，并出現相應變化[2]。

傳統的小尺寸微通道板型光電倍增管理論上可以在高達2T 的磁場強度下工作，這是因為微通道板有優秀的抗磁場干擾能力。而在大尺寸光電倍增管中，光電子沿較長的路徑運動，此時電子軌跡很容易受到輕微的地磁場的影響，從而導致收集效率發生變化。變化的主要原因是光電子不能準確聚焦到第一MCP 的位置，且較小的MCP 開口也使光電子更容易受到地磁場的影響[3]。

為研究光電倍增管在地磁場中的最佳相對擺放位置，本文對光電倍增管結構受地磁場影響和光電倍增管安裝位置受地磁場影響分別進行不同角度的研究，最終得到最佳相對擺放位置，并通過擴張結構與非擴張結構光電倍增管在地磁場下性能對比，得到擴張型聚焦級和新分壓器對地磁場下工作性能的影響。

1 測試環境及測試方法

1.1 測試環境

1.1.1 溫度濕度及光量子數

所有實驗均在溫度22℃±3℃，濕度小于等于60%的條件下進行。暗室內部全部黑化，關燈、關門后暗室內照度小于10-12lx(20 英寸光電倍增管置于其中，暗室計數率增量小于100 Hz，光子數小于100個/m2)。使用405 nm LED(light emitting diode)作為光源，光源散射成圓錐面并照射到光電倍增管陰極面上，測試過程中保證溫濕度與光強基本恒定。

1.1.2 屏蔽環境

北方夜視技術股份有限公司建造了能同時屏蔽高頻電磁場和低頻電磁場的屏蔽室。磁屏蔽室主體由屏蔽層和主體骨架組成，通過屏蔽焊接工藝，形成一個完整的密封多面體。屏蔽層采用6 mm 純鐵板(六面一致)，通過屏蔽焊接構成連續的四面體。對磁屏蔽室內的磁場進行實地測量，磁場強度集中分布10 mGs～20 mGs 之間，可見磁屏蔽室具有良好的地磁屏蔽與電磁屏蔽效果。使用光纖為光電倍增管提供光源，并使用電子學取數系統測試光電倍增管相關性能。

1.1.3 地磁場環境

本實驗在東經118°46′、北緯31°54′附近進行，在該地測量地磁場，磁場強度大約為450 mGs。在地磁場環境下，需要重新搭建一套測試裝置，該設備在搭建過程中，已注意遠離鐵、鎳等對磁場敏感的金屬材料。將待測光電倍增管放置在黑色長筒中，該長筒頂端裝有光纖固定裝置。使用光纖為光電倍增管提供光源，并使用電子學取數系統測試光電倍增管相關性能。

1.2 測試方法

1.2.1 工作電壓

信號發生器輸出兩路同步脈沖信號，信號頻率1 kHz。一路作為V965 觸發信號，脈沖寬度150 ns;另一路作為激光二極管(以下簡稱LD)的電源，脈沖寬度10 ns。調節LD 脈沖驅動寬度，使LD 發光10次，光電倍增管只探測到一次信號。將陽極輸出信號放大到N979 放大器，經過放大的信號輸送到V965測試單光電子譜。使用雙高斯函數分別擬合單光電子譜的臺階峰和信號電荷峰，臺階峰擬合區間為μ-1σ～μ+1.5σ，μ為峰位值，σ為標準差;信號電荷峰擬合區間為μ-1σ～μ+1σ，μ為峰位值，σ為標準差。增益由下式得到:

式中:Xsig為單光電子信號譜的擬合峰位;Xped為電子學臺階的擬合峰位;V965的q值為25fC;e為單電子電荷量。當增益達到1X107時，程控高壓電源顯示的電壓值即為光電倍增管的工作電壓。

1.2.2 單光電子峰谷比

單光單子峰谷比指在單光電子輸入狀態下，脈沖信號的峰值計數值與臺階峰和信號峰之間的谷位置計數值的比值。使用高斯函數擬合測試工作電壓時測得的單光電子信號電荷譜，取最低點及其前后各2點，共5個點的均值，每個點電荷量為25fC。擬合區間為μ-1σ～μ+1σ，μ為峰位值，σ為標準差。單光子

峰谷比P/V由下式得到:

式中:NP為擬合函數的幅值;NV為谷位置的高度值。

1.2.3 渡越時間漲落

渡越時間指入射光入射到光陰極面起，到輸出脈沖出現為止的時間。渡越時間漲落為所有單光子脈沖渡越時間的起伏。信號發生器輸出兩路同步脈沖信號，信號頻率1kHz。一路作為V1290A 觸發信號，脈沖寬度150ns;另一路作為LD驅動電源，脈沖寬度10ns。計算光纖衍射角并調整光纖端頭與光電倍增管的距離，使光纖輸出的光覆蓋光電倍增管陰極面的直徑為460 nm。調節高壓電源輸出電壓值，使光電倍增管增益為1X107。調節LD驅動脈沖幅度，使LD發光十次，光電倍增管只探測到一次光電信號。將陽極輸出信號輸送到N979放大器，經過放大的信號輸送到V1290A進行時間測試，測試數據使用高斯函數擬合，下式即為TTS的計算公式:

式中:σ為擬合函數的標準差;T為測試系統的TTS值(T使用TTS小于0.5ns的光電倍增管標定)。

1.2.4 信號上升下降時間

信號上升時間tu為信號前沿從幅度值的10%上升到90%的時間，信號下降時間td為信號后沿從幅度值的90%下降到10%的時間。使用信號發生器輸出兩路同步脈沖信號，信號頻率1kHz。一路作為示波器的觸發信號，脈沖寬度150ns;另一路作為LD驅動電源，脈沖寬度10ns。調節高壓電源輸出電壓值，使光電倍增管增益為1X107，調節LD驅動脈沖幅度，使LD 發光10次，光電倍增管只探測到一次光電信號。將陽極輸出信號輸送到示波器，分別測試大量波形的上升時間與下降時間，并通過高斯函數擬合，擬合函數的中心值作為該光電倍增管的信號上升時間值

與下降時間值。

2 測試結果與分析

2.1 光電倍增管安裝位置不同帶來的影響

將光電倍增管的尾部沿中心軸指向光陰極為正方向，將該方向與地磁場場強的夾角作為光電倍增管的相對方向。當光電倍增管安裝位置不同，即相對方向不同時，其內部電場場強相對于地磁場場強的位置發生變化。光電子在光電倍增管內部受到的電場力及洛侖茲力也會隨之發生變化，因此隨光電倍增管安裝位置不同，光電子的運動軌跡也會不同，使光電倍增管在不同位置表現出不同的性能[4]。

擴張結構光電倍增管與非擴張結構光電倍增管相比，主要是聚焦級結構發生了改變，以下實驗在相同安裝位置下分別測試擴張結構型與非擴張結構型光電倍增管在地磁場環境下性能的變化。

2.2 地磁場下光電倍增管各性能變化

2.2.1 增益

光電子被聚焦級有效收集后，會在微通道板內倍增，經微通道板倍增放大的電流信號從陽極輸出。我們使用了屏蔽條件下增益為1X107的固定高壓，并將安裝位置傾斜角由0°轉到330°。從圖1中可以看出，兩種結構的光電倍增管在沒有屏蔽時，增益均表現出一定的角度依賴性。非擴張結構與擴張結構相比，增益最大變化值均在±10%左右，但相同旋轉角度下，大小變化并不相同，聚焦級結構變化導致光電倍增管中電場分布不同，電子運行軌跡發生改變，擊打到通道板上能量、速度方向均發生改變，對增益在地磁場下的性能表現有一定影響。

圖1 增益變化Fig.1 Gain variation

2.2.2 峰谷比

微通道板ALD(atomiclayer deposition)涂層的二次發射產率與初級電子的能量和入射角度有關，初級電子能量過低或過高都會降低ALD涂層的二次發射產率。從圖2中可以看出，光電子在倍增管內飛行時運動軌跡受到磁場影響，運行軌跡的集中性嚴重變差，導致峰谷比與屏蔽條件下相比顯著降低。

2.2.3 能量分辨率

光電倍增管的能量分辨率ER=σ/Gpeak，其中σ為單光子峰高斯分布的半高寬，Gpeak為單光子高斯分布的中心道址，光電倍增管的能量分辨率與入射粒子的能量有關，電磁場發生改變時，電子運行軌跡不同，受電場加速情況不同，電子能量相應改變。圖3中給出擴張結構與非擴張結構光電倍增管在地磁場環境下能量分辨率的變化。

圖3 能量分辨率變化Fig.3 Energy resolution variation

2.2.4 渡越時間漲落

光電子運動軌跡會直接影響光電子的飛行時間，因此光電倍增管的渡越時間與光電子的運動軌跡密切相關，電子由于初始出射方向不同，地磁場下電子軌道會隨出射方向不同而改變，會對光電倍增管的TTS產生較大影響[5]。從圖4中可以看到，擴張結構對TTS有很明顯的改善，而在相同旋轉角度下，兩種結構的光電倍增管TTS變化表現相似，在垂直于磁場強度方向，TTS所受影響較小。但與無屏蔽條件相比，兩種光電倍增管的TTS性能均發生明顯惡化。

2.2.5 信號上升時間

與打拿極相比，微通道板型大大減少了光電子在倍增級的飛行時間。微通道板的厚度在0.5～1mm之間，光電子在很短的時間內就可以達到107的量級，因此地磁場對信號上升時間影響較小。從圖5中可以看出，暴露在地磁場下的光電倍增管信號上升時間略有升高，但幅度并不顯著。

圖4 渡越時間變化Fig.4 TTSvariation

圖5 信號上升時間變化Fig.5 Signal rise time variation

2.2.6 信號下降時間

從圖6中可以看出，與信號上升時間相同，由于光電子在倍增級的時間很小，暴露在地磁場下的光電倍增管信號下降時間略有升高，但幅度并不顯著。

2.2.7 收集效率

收集效率與電子飛行軌跡直接相關，光電子從光陰極飛出后，在聚焦電場作用下，向聚焦級運動，被聚焦級有效收集的光電子才能被光電倍增管倍增。由于地磁場發生改變，能飛行到微通道板上的電子數目會相應減少，能被倍增的電子也隨之減少。從圖7中可以看出，收集效率表現出很強的角度依賴性，在極端角度下，擴張結構型光電倍增管收集效率衰減很大。

圖6 信號下降時間變化Fig.6 Signalfall time variation

3 結論

本文主要講述了兩種不同結構的微通道板型光電倍增管在地磁場下的性能表現，并研究了多個性能與擺放角度的關聯性。由于體積較大，地磁場對大尺寸光電倍增管的性能影響不能忽略，同時由于聚焦級的結構不同，不同類型的光電倍增管受地磁場的影響也有差異。為保證光電倍增管在最佳狀態下工作，應建設磁屏蔽系統，否則需要通過實驗或理論計算找到相對地磁場光電倍增管的最佳擺放位置。

圖7 收集效率變化Fig.7 Collecti on efficiency variation