可见光脉冲输入下微通道板光电倍增管的动态范围研究
0 引言
微通道板型光电倍增管(Microchannel Plate Photomultiplier Tube,MCP-PMT)作为一种高性能的光电探测器件近年来被广泛地应用于各种探测实验当中[1-2]。在过去的研究中,人们主要把重心放在提高光电探测器件的灵敏度和时间分辨率等指标上,而忽视了高线性度这一关键因素。随着大动态探测需求的不断发展,深入研究并开发大动态范围的MCP-PMT成为当前研究的迫切需求[3]。如惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)中子探测和X射线诊断中,要求MCP-PMT具有大的动态范围[4];国际热核聚变实验堆计划(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)中的LIDAR-Thomson散射系统,为了能使光电探测器件在高灵敏度的前提下保持探测信号不失真,也需要在400~700 nm的可见光范围内提升MCP-PMT的动态范围[5-6]。
相比于打拿级光电倍增管,MCP-PMT在时间性能、抗强磁场等方面具有优势,但动态范围和传统的打拿级光电倍增管相比还存在一定的差距。针对这一现状,国内外一些MCP-PMT的研究机构及生产厂家进行了相应的探索,如日本滨松公司在其F6584型号中采用了2~30 MΩ的低电阻MCP[7],使得在同样的电压条件下可以得到更大的带电流,从而提升MCP-PMT阳极电流输出的线性范围;此外,滨松还提供了另一种策略,将一片MCP和一片雪崩二极管(Avalanche Diode)联用,即构建“MCP+AD”模块,从而得到较高的最大线性输出[8];中国高能物理研究所设计出一种新型的读出模式,将阳极电流读出改为测量光电子的电荷量,克服了高光强下由于极板间电荷传输能力不足而使电流读出偏离线性的问题[9]。
MCP-PMT的动态范围和很多因素相关,输入可见光的强度、频率以及微通道板的材质和MCP-PMT各部分所施加的电压值等因素都会对MCP-PMT的动态范围造成一定的影响[10]。本文主要从输入光脉冲频率与MCP-PMT后端部分所施加的电势差出发,探究MCP-PMT输出电子脱离正常线性倍增的原因。采用仿真与实验相结合的方法,通过优化器件的工作条件及改善器件的结构来进行探索,并针对不同数据来源和样本选择进行综合考虑,设计出了一套有效的实验方案和实施流程。
1 MCP-PMT的工作原理
MCP-PMT主要由光电阴极、MCP倍增系统、阳极以及提供真空环境的密闭管壳组成,如
图 1. MCP-PMT的结构及工作原理示意图
Fig. 1. The schematic diagram of the structure and working principle of MCP-PMT
在输入光强较弱时,MCP-PMT的阳极输出与入射光强呈线性关系,但随着输入光强不断增大,阳极输出逐渐偏离线性,甚至趋于饱和。在没有光照射时,MCP-PMT的阳极也会有微弱的暗电流输出,其主要来源于阴极的热发射和各级之间的漏电流。光电倍增管的动态范围由阳极输出的最大线性电流与暗电流的比值来表示,由于其暗电流一般在纳安级别,阳极输出电流在毫安级别,因此可以用阳极输出最大线性电流来评估其动态范围。
2 理论研究
2.1 信号光频率对MCP-PMT动态范围的影响
电子在MCP通道内传输的情况可以用如
当输入电流为i0(
式中,G=kln
当输入光信号为连续高重频皮秒或纳秒级短脉冲时,微通道板壁面电荷恢复在脉冲传输期间可以忽略,只考虑在两段脉冲间隔的时间内产生电荷补充。为方便研究,引入短脉冲信号饱和参数s=
式中,
将
表 1. MCP的性能参数
Table 1. Performance parameters of MCP
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图 4. 不同s参数下的输出电荷(输入光脉冲频率为1 000 Hz)
Fig. 4. Output charge with different s-parameters at an input optical pulse frequency of 1 000 Hz
输入条件相同时,在相同饱和参数的情况下,从
图 5. 电荷输出的平均增益与频率的关系
Fig. 5. The relationship between the average gain of charge output and frequency
2.2 MCP2与阳极之间电势差对MCP-PMT动态范围的影响
微通道板光电倍增管的阴极与MCP1之间的电势差、MCP1两端的电压、MCP2两端的电压、MCP2与阳极之间的电势差均会对其动态范围产生影响。经过两级MCP倍增之后,大量电子在MCP2与阳极之间堆积,产生严重的空间电荷效应,影响电子输出。改变MCP2与阳极之间的电势差可以调节空间电荷效应带来的影响。
可以将最后一级MCP末端与阳极视为一个电容为C的平行板电容[15-16],电子在MCP2与阳极之间传输等效为电容的放电过程,如
设电子在MCP2与阳极之间的运动时间为
阳极的电流i(t)与电压U2(t)的关系为i(t)=
根据
在计算机仿真技术(Computer Simulation Technology,CST)中建立模型来验证上述推断,由于光电阴极激发出来的光电子数量相对较少,且光电阴极与微通道板的入射孔之间距离较近,因此电势差设定在200 V左右[17]。MCP供电也需要设计合理的电路参数,一般来说,MCP最优工作电压为-700~-800 V。根据上述电压值在CST中建立MCP-PMT的简易单通道模型,规定模型中单通道的长径比为42,倾斜角为10°[18-19]。初始情况下,设置阴极有3个电子同时垂直发射出来,经过电场的加速使其进入到微通道板内开始倍增。由
进一步在CST工作室中进行模拟,改变MCP2-阳极板之间的电势差,观察其电场线分布的情况。由
图 8. 微通道板末端平行电场畸变示意图
Fig. 8. Schematic diagram of parallel electric field distortion at the end of the microchannel plate
通过在CST工作室中的仿真结果可以得出微通道板末端平行电场的畸变深度与MCP2-阳极间电势差的关系,如
表 2. 浸入深度与电势差的关系
Table 2. The relationship between immersion depth and potential difference
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根据上述分析可知,阳极输出最大线性电流与MCP2-阳极板之间的电势差不是一种简单的线性关系,在电势差较低时,微通道板末端的电荷在通过等效电容释放过程中电容的等效面积收缩程度较小,受空间电荷效应影响的程度较轻。随着MCP2-阳极板之间电势差的增加,阳极输出最大线性电流的变化趋势是由更加严重的空间电荷效应带来的反向作用与电势差带来的正向作用二者互相抗衡来决定的。
3 实验测试
3.1 脉冲条件下频率影响实验
为验证上述频率对动态范围的影响,开展了脉冲光对MCP-PMT的辐照实验[20-21]。实验流程如
在实验过程中采用Thorlabs公司所生产的一组滤光片,将光源在无滤光片下的初始光照强度记为I0,不同滤光片条件下对应的相对光照强度如
表 3. 不同滤光片对应的相对光照强度
Table 3. Relative light intensity of different filters
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阳极输出电流随输入光强的变化趋势如
在此基础上,通过继续增大入射到阴极上光强来进一步分析输入光脉冲频率对输出电流非线性的影响,其结果如
图 11. 输入脉冲不同频率下输出电流与线性偏离度的关系
Fig. 11. The relationship between anode peak voltage and linear deviation at different frequencies
3.2 脉冲条件下MCP2-阳极电势差影响实验
针对提出的有关末端电势差的观点,通过实验来进行进一步验证。采用双脉冲的方法来测量MCP-PMT的线性特性,首先让强弱两种LED脉冲光在时间上交替点亮,输入波形如
图 12. 强弱脉冲输入光波波形示意
Fig. 12. Schematic of the shape of strong and weak pulse input light waves
实验用到的主要装置包括脉冲激光源、高压电源、MCP-PMT等,采用双MCP的光电倍增管50-21018进行辐照实验。选取三组不同的电压值施加到MCP1两端,用来作为不同增益条件下的对比实验,在每组特定的MCP1电压下通过改变分压电路中MCP2-阳极之间的电势差来验证上述理论结果。采取脉冲发射器输出半高宽为300 ns的强弱两种三角波来激发蓝光光源,随着不断调整光源到MCP-PMT的距离,使得光强在强光条件下时逐渐偏离线性,并记录此时强光条件下的阳极输出电压峰值,具体参数设定如
表 4. MCP-PMT各部分电压参数的设定
Table 4. Voltage parameter settings for various parts of MCP-PMT
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在上述三组实验结果中选出MCP2-阳极电势不同情况下的阳极输出最大线性电压。由
图 14. 动态范围随MCP2-阳极电压的变化趋势
Fig. 14. The relationship between dynamic range and voltage between MCP2-Anode
4 结论
本文研究了脉冲输入光的频率及MCP-PMT末端电压值对MCP-PMT动态范围的影响,并通过实验验证得出:1)随着脉冲输入频率的增加,MCP-PMT的输出电压会越早脱离线性区域。2)随着MCP2-阳极之间电势差的增大,MCP-PMT的最大线性输出电压不是简单单调变化的,而是在抗衡中表现一个不断起伏的趋势。在此基础上进一步探究了制约MCP-PMT动态范围的因素,即壁面电荷补充不充分及空间电荷效应的干扰。当输入脉冲的频率较高时,MCP-PMT的动态范围受到的制约主要与前者有关;当MCP2-阳极电势差提升时,由于大量二次电子在极板间向阳极传输时的情况较为复杂,动态范围便会因空间电荷效应造成的影响从而无法与电场强度成正比关系。
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