打拿極光電倍增管逐級增益自動測試系統

劉欣妍，錢蕓生，魏靜雯

（南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094）

引言

光電倍增管（photomultiplier tube, PMT）是微光探測系統的核心器件[1]，可以工作在紫外光譜、可見光譜甚至近紅外光譜區[2]，在化學分析[3]、醫學影像[4-5]、粒子物理學[6]、天文學[7]、紫外探測[8]等領域都有著重要應用。自1934 年第一只聚焦型PMT誕生以來，各種PMT 不斷涌現。根據倍增方式，PMT 可以分為打拿極PMT、微通道板光電倍增管（microchannel plate-photomultiplier tube, MCP-PMT）以 及 硅 光 電 倍 增 管（silicon photomultiplier tube,SiPM）3 大類。國外打拿極PMT 的研制和生產廠商有日本Hamamatsu 公司、英國ET 公司和美國BURLE 公司等[9]。國內主要有北方夜視技術股份有限公司、中國電子科技集團第五十五研究所以及海南展創光電技術有限公司等單位。但由于國內打拿極PMT 起步較晚，產品在性能方面仍有待提升。此外，國內正在建設JUNO 探測器、地中海KM3NET 中微子探測器以及南極IceCube 中微子觀測站等，需要大量的高性能打拿極PMT。因此，研發和生產高性能國產打拿極PMT 具有重要意義。逐級增益是評價打拿極PMT 性能的重要參數之一。

目前，國內嘗試通過優化打拿極PMT 的電子光學輸入系統及倍增極系統結構，以期改進其增益特性，并取得了一定成果。最近中國科學院高能物理研究所與國內PMT 產商合作，設計了世界最短的3 英寸超緊湊型打拿極PMT，其增益在1100 V 電壓下可達到106量級，在一定電壓下甚至可以達到107量級[10]。增益測試是研發和生產高增益國產打拿極PMT 不可缺少的重要環節?，F在國內僅有一臺由海南展創研制的打拿極PMT 逐級增益測試系統，通過人工調整各倍增級的電壓設置實現逐級增益測試，操作繁瑣且測試效率不高。為提高測試效率，本文擬根據打拿極PMT 的逐級增益測試方法，采用實驗室自主研發的逐級增益信號控制與處理電路得到輸出信號，并基于Visual Studio 2012 軟件開發平臺實現自動測試，設計一套打拿極PMT 逐級增益自動測試系統，以期為國產打拿極PMT 的逐級增益特性提供準確高效的自動測試手段，并為其增益改進提供參考。

1 測量原理

1.1 打拿極PMT 基本結構和工作原理

打拿極PMT 主要包括光電陰極、電子光學輸入系統、電子倍增系統和陽極組成。電子倍增系統是分立的[11]，且有8 個以上倍增級[12]，可分為環形籠狀、盒柵狀、線聚焦形、條狀波形、細篩形和微通道板型。圖1 為盒柵狀打拿極PMT 的結構示意圖[13]。其工作原理如下：入射光透過輸入窗照射在光電陰極上，光電陰極因外光電效應產生光電子；施加在光電陰極和多級電子倍增系統間的負高壓使得光電子被加速并聚焦到第一倍增級上，第1 倍增級隨即發生二次電子發射產生更多的倍增電子，這些倍增了的二次電子又被加速聚焦到第2 倍增級上……經過多次倍增后，電子被陽極收集并輸出。

圖1 盒柵狀打拿極PMT 的基本結構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of basic structure for box-grid type of dynode PMT

1.2 打拿極PMT 逐級增益測試原理

《GB/T 12564—2008 光電倍增管總規范》規定：增益是指在一定工作電壓下陽極輸出電流與陰極電流的比值[14]。增益可按（1）式計算：

式中：Gi是第i級增益；Ii是第i倍增級的陽極輸出電流，單位為mA；Ii?1是第i?1 倍增級的陽極輸出電流，單位為mA；k為打拿極級數。

2 測量裝置組成

測試系統由自動光源系統、測試暗箱、信號控制與處理電路和測試軟件組成，測試系統的原理圖如圖2 所示。

圖2 測試系統原理框圖Fig. 2 Block diagram of test system principle

圖3 為逐級增益測試系統示意圖。信號控制與處理電路、顯示屏和工控機均放在機柜內。

圖3 測試系統示意圖Fig. 3 Schematic diagram of test system

2.1 硬件組成

1） 自動光源

測試時一般要求目標陰極電流值為10 nA，且逐級倍增后電流值可能會超過電流計設定閾值，因此需要設計自動光源，通過改變光源輸出強度調整輸出電流。

鹵鎢燈的連續光譜波段范圍為450 nm ～940 nm，具有體積小、發光效率高、色溫穩定、壽命長等特點，是可見-紅外波段的理想光源[15]。因此，本文基于色溫為2 856 K 的24 W 溴鎢燈設計了自動光源，采用多通道數字電源給其供電。光源在正式工作前必須進行預熱才能進入穩定工作狀態，為保證測試效率，設計了電動擋板，可以在不改變光源狀態的情況下控制光路的通斷。

配備了6 塊光密度（OD）值分別為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 的中性濾光片的電動濾光片輪粗調光源輸出強度，相鄰2 塊濾光片之間照度的細調通過電動可調光闌調節。

經過測試，自動光源可以實現10?9lm～10?3lm內光源輸出強度連續可調，滿足測試要求。

2） 信號控制與處理電路

光電倍增管正常工作時，陰極和陽極間的電壓可高達上千伏，且要求高壓供電電源的穩定性和輸入電壓的穩定性優于0.05%[16]。為滿足上述要求，實驗室自主研發了PMT 逐級增益測試信號控制與處理電路，包含高壓控制模塊、電流計模塊和繼電器陣列。

高壓控制模塊可產生?3 000V～0 V 穩定無過沖電壓，可通過RS485 串口與其通信，從而實現模式設置、電壓調節和高壓啟停。電流計模塊負責采集電流信號，可通過RS485 串口將電流值傳送至上位機做進一步的處理。此外，電流計有手動和自動2 種操作模式，且有1 mA、200 mA、2 μA、10 μA、50 μA、100 μA、500 μA、20 nA 共8 個 檔位，在自動模式下，電流計可根據當前電流值大小自動切換至相應的檔位。

在逐級測試每個倍增級時，保持前幾個倍增級間的電壓和分壓比不變是個難點，因此設計了如圖4 所示的繼電器陣列，通過多個可變電阻和繼電器開關的組合實現了級間電壓的通斷控制，而且分壓穩定性在0.05%以內。其中，R1～R20 為可變電阻，SW1～SW42 為繼電器開關。

圖4 繼電器陣列原理圖Fig. 4 Schematic diagram of relay array

2.2 測試軟件

在Visual Studio 2012 開 發 環 境 下，基 于 模 塊化設計方法，利用Micorosoft Foundation Classes 編寫了PMT 逐級增益自動測試系統軟件，通過ADO數據庫訪問技術將數據實時保存至Microsoft Access 2010 中，其界面如圖5 所示。軟件包含測試信息輸入、電源控制、高壓電源控制、電流計控制、測試模式設置、繼電器陣列控制和數據庫操作等功能，并通過多線程開發技術實現自動控制。

圖5 測試系統軟件界面Fig. 5 Interface of test system software

3 實驗結果與分析

3.1 測試流程

本文對北方夜視技術股份有限公司南京分公司研制的打拿極PMT 進行了逐級增益測試。實驗過程中，先運行測試軟件30 min 給溴鎢燈預熱，光源供電電壓為12 V，電流為2 A，保證光源功率為24 W，遮光板保持關閉。再將第一個標準管放至暗箱里的PMT 插座上，陰極面對著平行光管出光口。給PMT 陰極加上相應的工作電壓，使其正常工作。繼電器選擇陰極測量模式。此時的電流計讀數為陰極暗電流值，打開遮光板，調節光闌值，使得電流計讀數減去暗電流的電流值能夠達到測試要求的目標陰極電流值I0。此時可以準備第一倍增級的增益測試。

測試第一倍增級時，先關閉遮光板，系統自動切換至第一級測試的繼電器陣列，輸出測試該級所需的高壓值?？刂齐娏饔嬜x取電流值，當前值為該級暗電流值。再打開遮光板，此時電流計讀取的電流需減去該級暗電流值才是該級倍增后的實際電流值I1，根據（1）式可以得出該級增益。余下倍增級各級增益測量方法與第一倍增級相同。PMT 的整管增益為各級增益相乘。

3.2 實驗結果與討論

1） 增益特性

一般情況下，PMT 的整管增益G與工作電壓U的關系為[17]

式中：a是常數；b與打拿極材料和倍增級級數有關。由此可知，工作電壓對PMT 增益有直接影響：工作電壓越高，PMT 增益越大，且增益G與工作電壓U的對數值呈線性關系。

為驗證上述理論，分別測試了3 個打拿極PMT 產品在不同工作電壓下的整管增益，結果如表1 所示。

表1 不同工作電壓下3 個PMT 的逐級增益Table 1 Progressive gain of three PMT at different operating voltages

基于最小二乘法在Matlab 平臺對數據進行擬合，得到的增益特性曲線如圖6 所示。

圖6 增益特性曲線Fig. 6 Fitting curves of gain characteristics

從圖6 可以看出，隨著工作電壓逐漸升高，PMT的整管增益越來越大，且整管增益與工作電壓的對數值確實呈線性關系。

2） 重復性測試

重復性是評價測試系統性能的重要指標。其計算方法如下：式中：δ為重復性；σ為標準差；x是n次測試的平均值；xi是第i次測得的數據。

首先在工作電壓為1 000 V 的情況下，分別對編號為PPH、8160 和PJ 的打拿極PMT 樣品連續測試6 次，得到的測試數據和計算出的重復性結果分別如表2、表3 和表4 所示。

表2 PPH 號PMT 逐級增益測量結果Table 2 Progressive gain measurement results for PMT of PPH

表3 8 160 號PMT 逐級增益測量結果Table 3 Progressive gain measurement results for PMT of 8 160

表4 PJ 號PMT 逐級增益測量結果Table 4 Progressive gain measurement results for PMT of PJ

由表可知，單級增益測試重復性大部分在0.12%～0.95%之間波動，個別單級增益重復性超過1%，但仍小于2%。整管增益測試重復性最高為1.94%，也在2%以內。因此測試結果重復性保持在2%以內，系統重復性很好。并且，前幾個倍增級由于光很弱，光電流與暗電流比值較小，暗電流對測試結果影響較大，導致重復性波動，隨著光強的增大，光電流逐漸加大，重復性也趨于穩定。

3.3 誤差分析

本文所述測量方法中，影響打拿極PMT 逐級增益測量準確性的主要因素是高壓電源的穩定性和電流計的穩定性，因此，本文對高壓電源的穩定性和電流計的穩定性進行了測量。

為了具體分析，在高壓電源空載輸出1 000 V的情況下，對其輸出進行了測量，并讀取了編號為PVB2210-4002 的PMT 工作時，在該電壓下電流計的輸出值，結果如表5 所示。

表5 高壓電源輸出和電流計輸出6 次測量結果Table 5 Six measurement results output by high-voltage power supply and galvanometer

高壓電源輸出誤差引起的標準不確定度分量u1和電流計測量誤差引起的標準不確定度分量u2為

由于不確定度分量u1和u2相互獨立，它們之間的相關系數為0 ，根據合成標準不確定度的計算公式可得：

4 結論

針對國產高性能打拿極PMT 的逐級增益性能檢測需求，結合打拿極PMT 的工作原理，設計了一套可自動檢測打拿極PMT 逐級增益的測試系統，實現了光源自動調節、信號采集轉換和數據保存等多項功能。在測試電路里設計了繼電器陣列，成功解決了倍增級極間電壓難以自動控制的難題。通過改變打拿極PMT 電壓獲得了相應的電壓增益關系曲線，并在Matlab 平臺上進行了擬合，結果表明打拿極PMT 的增益與工作電壓符合指數關系。此外，在1 000 V 工作電壓下，對3 只打拿極PMT進行了增益測試，測試結果重復性穩定在2%以內。該系統為國產打拿極PMT 的增益特性提供了準確高效的自動測試手段，為提升打拿極PMT 的增益性能提供了實驗支撐。