馬國悅,馬世紅,白翠琴

(復(fù)旦大學(xué) 物理學(xué)系，上海 200433)

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模塊化光電倍增管實(shí)驗(yàn)開發(fā)

馬國悅,馬世紅,白翠琴

(復(fù)旦大學(xué) 物理學(xué)系，上海 200433)

通過光電倍增管、電流測試儀、負(fù)高壓電源、照度計(jì)等儀器的組合，設(shè)計(jì)了分壓電路,搭建了模塊化的光電倍增管特性測試的實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)了對光電倍增管暗電流、光電特性、伏安特性的測量. 模塊化的實(shí)驗(yàn)平臺組合使得儀器裝置具有良好的開放性，有利于學(xué)生直觀認(rèn)識掌握光電倍增管的工作原理以及性能參量的物理意義.

光電倍增管；暗電流；伏安特性；光電特性

1 引 言

光電倍增管是一種以光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論為原理基礎(chǔ)的真空光電發(fā)射器件. 它把微弱入射光轉(zhuǎn)換成光電子，并獲得倍增，具有極高靈敏度和超快時(shí)間響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn). 一些具有里程碑意義的近代物理實(shí)驗(yàn)都離不開光電倍增管的運(yùn)用，如塞曼效應(yīng)、氫光譜實(shí)驗(yàn)、能譜儀實(shí)驗(yàn)、拉曼光譜等. 現(xiàn)有的一些光電倍增管教學(xué)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了各種儀器的一體化集成和封裝，在簡化實(shí)驗(yàn)操作的同時(shí)，也給學(xué)生理解核心的物理原理概念帶來了困難. 而開放式、模塊化的實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)為學(xué)生提供了一次打開“黑箱”的機(jī)會，直觀地認(rèn)識各種儀器的結(jié)構(gòu)及其組合方式，從而對測量手段的原理和數(shù)據(jù)的物理意義有更深刻的理解，并為學(xué)生自主的探索學(xué)習(xí)提供了拓展的空間[1-7].

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置原理示意圖如圖1所示，實(shí)物如圖2所示. 實(shí)驗(yàn)采用可調(diào)直流電源與LED燈珠組合光源，可通過改變供電電壓調(diào)節(jié)光強(qiáng). 固定JD-3型照度計(jì)探頭與光源的相對位置，可以實(shí)現(xiàn)對相對光強(qiáng)的測量. 光電倍增管供電采用1 500 V可調(diào)負(fù)高壓電源，信號電流測量采用HB-311型PA級電流測試儀. 采用GDB221倍增管與濱松R669光電倍增管. 為保障密閉充分遮光，以鋁制管座外殼遮罩，遮罩前端為直徑2.0 cm通光孔，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié)通光面積. 該設(shè)計(jì)既降低了對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求，同時(shí)又保證了實(shí)驗(yàn)儀器的開放性.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺

光電倍增管分壓電路的設(shè)計(jì)(圖3)：光電陰極接負(fù)高壓供電，設(shè)計(jì)分壓電路在1 000 V工作狀態(tài)下電流為1.96 mA，約為平均陽極電流的20倍，以保障倍增極間的電壓分布. 由此確定分壓電路單位阻值為39 kΩ，陰極與第一倍增極間電阻阻值為單位電阻的3倍即120 kΩ，以確保第一打拿極收集電子的效率，提高系統(tǒng)增益. 末三級的旁路電容在脈沖信號下可保障光電線性，大小分別為0.01,0.01,0.047 μF[8].

圖3 光電倍增管分壓電路示意圖

3 測試結(jié)果與分析

3.1 暗電流

對GDB221，R669管的測量結(jié)果如圖4所示. 在低壓區(qū)0～400 V，暗電流低于pA量級；工作電壓區(qū)域600～1 000 V,暗電流上升至nA量級；在1 300 V以上電壓時(shí)，R669管的暗電流陡升至μA量級. 從圖中曲線可以明顯觀察到存在狀態(tài)躍變的情況.

圖4 暗電流曲線

對于低壓區(qū)0～400 V，暗電流曲線呈現(xiàn)明顯的線性特征，如圖5所示.

采用直線擬合得到GDB221管和濱松R669管的結(jié)果分別為

Idark=(0.061 4±0.000 4)U+(0.10±0.09),

Idark=(0.004 6±0.000 2)U+(-0.27±0.04) .

暗電流同工作電壓之間呈正比關(guān)系，如圖6所示，由斜率可以求得GDB221管和濱松R669管的電阻分別為

R=(1.630±0.013)×1013Ω，

R=(2.16±0.09)×1014Ω .

圖5 低壓區(qū)暗電流曲線

圖6 工作電壓區(qū)間暗電流

此量級的電阻可以認(rèn)為是漏電因素的作用. 光電倍增管電極之間玻璃、管座和灰塵會導(dǎo)致漏電，由于漏電電流不經(jīng)過電子倍增系統(tǒng)，所以電阻性質(zhì)穩(wěn)定，不隨電壓變化.

當(dāng)電壓上升至工作區(qū)間600～1 000 V，暗電流曲線隨負(fù)高壓增大迅速上升.

GDB221和濱松R669管對數(shù)處理后如圖7所示，的數(shù)據(jù)直線擬合的結(jié)果分別為(電流以pA為單位)

lgI=(8.9±0.2)lgU+(-24.2±0.6),

lgI=(6.64±0.09)lgU+(-17.3±0.3) .

擬合表明I∝U(8.9±0.2),I∝U(6.64±0.09)，證明了對暗電流來自倍增系統(tǒng)放大.

圖7 對數(shù)處理后的工作電壓區(qū)間暗電流

注意到，濱松R669管在高于1 300 V時(shí)，其對數(shù)處理曲線進(jìn)一步偏離線性，暗電流上升速度再次加快，存在“突升”現(xiàn)象，其原因可能來自場致發(fā)射電子或殘余氣體電離放電在高壓區(qū)明顯作用[7-9].

3.2 伏安特性的測量

對濱松R669管在不同入射光強(qiáng)下的伏安特性曲線測試結(jié)果如圖8所示.

陽極輸出電流隨負(fù)高壓增大而快速上升，這反映了增益(放大倍數(shù))隨電壓的變化，且數(shù)據(jù)表明上升速度與入射光波長、強(qiáng)度均無關(guān). 濱松R669管對數(shù)擬合得到的結(jié)果為(照度計(jì)示數(shù)0.8,0.4 lx)

lgI=(6.35±0.03)lgU+(-13.2±0.09),

lgI=(6.36±0.03)lgU+(-13.5±0.10).

圖8 對數(shù)處理后伏安特性曲線

因此倍增管伏安特性在理論上應(yīng)滿足I∝Unk，其中n為倍增極數(shù)量. 濱松R669管有10個(gè)倍增極，相應(yīng)的k=0.636±0.003.

3.3 光電特性的測量

實(shí)驗(yàn)采用測量相對光強(qiáng)的辦法,在伏安特性電路的基礎(chǔ)上，靠近LED處放置照度計(jì)探頭，測量過程中保持位置固定，調(diào)節(jié)LED工作電壓，測得照度計(jì)示數(shù)及光電流即反映光電特性. 對濱松R669管光電特性曲線測量光電線性曲線測量結(jié)果如圖9所示.

圖9 光電特性曲線

倍增管加壓800 V時(shí),

I=(0.974±0.008)L+(2.6±0.8) ,

倍增管加壓500 V時(shí),

I=(0.758 4±0.004)L+(3.7±0.7).

在低光強(qiáng)區(qū)域光電倍增管光電特性呈良好的線性，由于光強(qiáng)測量并不是絕對值，所以斜率不能反映倍增管的絕對靈敏度.

當(dāng)光電流信號增大至一定值時(shí)，光電倍增管光電特性將出現(xiàn)線性極限，對于工作電壓500 V和800 V，線性極限分別317 μA和717 μA左右. 此時(shí)分壓電路中的電流大小為1 000 μA和1 700 μA. 根據(jù)倍增管工作電路原理，當(dāng)分壓電路電流為光電流信號的20倍以上時(shí)，各倍增極間電壓可實(shí)現(xiàn)平均分配. 當(dāng)光電流增大至分壓電流量級可比擬時(shí)，倍增極間的等效電阻不再相同，電壓分布發(fā)生變化，使得倍增系統(tǒng)放大倍數(shù)降低，光電線性被破壞.

4 結(jié)束語

以微電流測試儀、照度計(jì)、高壓源等基本實(shí)驗(yàn)儀器組合搭建了模塊化光電倍增管特性研究的實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以國產(chǎn)GDB-221、濱松R669光電倍增管為例，研究了光電倍增管的暗電流、光電特性和伏安特性. 實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容豐富，儀器平臺開放度高、可調(diào)節(jié)性強(qiáng)，有助于學(xué)生從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，直觀理解光電倍增管工作的原理和影響因素，能夠激發(fā)學(xué)生鉆研探究的熱情，從而對物理規(guī)律有更深入的理解和掌握.

[1] 陳森，張師平，吳疆，等. 光電倍增管光譜特性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 大學(xué)物理，2013，26(1)：26-29.

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[8] 別爾可夫斯基. 真空光電器件[M]. 北京：原子能出版社出版社，1980.

[9] 陳成杰，徐正卜. 光電倍增管[M]. 北京：原子能出版社，1988.

[責(zé)任編輯：郭 偉]

Modular design of photomultiplier experiment

MA Guo-yue, MA Shi-hong, BAI Cui-qin

(Department of Physics, Fudan University， Shanghai 200433, China)

By combining photomultiplier, amperemeter, negative high voltage power supply, illuminometer and so on, an experimental platform was constructed for the purpose of studying the characteristics of photomultiplier (PMT). Several major parameters and characteristics of photomultiplier had been measured and analyzed, including the characteristic of dark current, current-voltage characteristic under different light intensities and photoelectric characteristic. The experimental platform with modular design was open type, which could help student intuitively master the operating principle and performance parameter of photomultiplier.

photomultiplier; dark current; current-voltage characteristic; photoelectric characteristic

2014-05-19；修改日期：2014-08-07

國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(No.J0730310,No.J1103204)

馬國悅(1993-)，男，江蘇無錫人，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系 2011級本科生.

指導(dǎo)教師：白翠琴(1979-)，女，河北石家莊人，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系工程師，碩士，從事蛋白質(zhì)聚集的計(jì)算模擬及物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.

O462

A

1005-4642(2015)06-0035-04

“第8屆全國高等院校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”論文