魏佳男，劉虎林，陳萍，3，李陽(yáng)，李奎念，韋永林，賀巒軒，趙鑫楠，賽小鋒，劉登，田進(jìn)壽，3，趙衛(wèi)，3

（1 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 超快診斷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710119）（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）（3 山西大學(xué) 極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，太原 030006）（4 西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710024）（5 裝備發(fā)展部某中心，北京 100034）

0 引言

微通道板型光電倍增管（Microchannel Plate Photomultiplier Tube，MCP-PMT）作為一種高性能的光電探測(cè)器件近年來(lái)被廣泛地應(yīng)用于各種探測(cè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中［1-2］。在過去的研究中，人們主要把重心放在提高光電探測(cè)器件的靈敏度和時(shí)間分辨率等指標(biāo)上，而忽視了高線性度這一關(guān)鍵因素。隨著大動(dòng)態(tài)探測(cè)需求的不斷發(fā)展，深入研究并開發(fā)大動(dòng)態(tài)范圍的MCP-PMT 成為當(dāng)前研究的迫切需求［3］。如慣性約束核聚變（Inertial Confinement Fusion，ICF）中子探測(cè)和X 射線診斷中，要求MCP-PMT 具有大的動(dòng)態(tài)范圍［4］；國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）中的LIDAR-Thomson 散射系統(tǒng)，為了能使光電探測(cè)器件在高靈敏度的前提下保持探測(cè)信號(hào)不失真，也需要在400～700 nm 的可見光范圍內(nèi)提升MCP-PMT 的動(dòng)態(tài)范圍［5-6］。

相比于打拿級(jí)光電倍增管，MCP-PMT 在時(shí)間性能、抗強(qiáng)磁場(chǎng)等方面具有優(yōu)勢(shì)，但動(dòng)態(tài)范圍和傳統(tǒng)的打拿級(jí)光電倍增管相比還存在一定的差距。針對(duì)這一現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外一些MCP-PMT 的研究機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)廠家進(jìn)行了相應(yīng)的探索，如日本濱松公司在其F6584 型號(hào)中采用了2～30 MΩ 的低電阻MCP［7］，使得在同樣的電壓條件下可以得到更大的帶電流，從而提升MCP-PMT 陽(yáng)極電流輸出的線性范圍；此外，濱松還提供了另一種策略，將一片MCP 和一片雪崩二極管（Avalanche Diode）聯(lián)用，即構(gòu)建“MCP+AD”模塊，從而得到較高的最大線性輸出［8］；中國(guó)高能物理研究所設(shè)計(jì)出一種新型的讀出模式，將陽(yáng)極電流讀出改為測(cè)量光電子的電荷量，克服了高光強(qiáng)下由于極板間電荷傳輸能力不足而使電流讀出偏離線性的問題［9］。

MCP-PMT 的動(dòng)態(tài)范圍和很多因素相關(guān)，輸入可見光的強(qiáng)度、頻率以及微通道板的材質(zhì)和MCP-PMT各部分所施加的電壓值等因素都會(huì)對(duì)MCP-PMT 的動(dòng)態(tài)范圍造成一定的影響［10］。本文主要從輸入光脈沖頻率與MCP-PMT 后端部分所施加的電勢(shì)差出發(fā)，探究MCP-PMT 輸出電子脫離正常線性倍增的原因。采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過優(yōu)化器件的工作條件及改善器件的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行探索，并針對(duì)不同數(shù)據(jù)來(lái)源和樣本選擇進(jìn)行綜合考慮，設(shè)計(jì)出了一套有效的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)施流程。

1 MCP-PMT 的工作原理

MCP-PMT 主要由光電陰極、MCP 倍增系統(tǒng)、陽(yáng)極以及提供真空環(huán)境的密閉管殼組成，如圖1。當(dāng)入射光透過玻璃窗照射位于玻璃窗口內(nèi)表面的光電陰極時(shí)，會(huì)通過光電效應(yīng)激發(fā)出光電子；光電子在陰極與MCP 之間的高速電場(chǎng)作用下，進(jìn)入MCP 倍增并產(chǎn)生大量的二次電子，最后被陽(yáng)極收集釋放。一般情況下，使用兩片MCP 可以使電子倍增后的增益達(dá)到106～107，從而實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)的目的［11］。

圖1 MCP-PMT 的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of the structure and working principle of MCP-PMT

在輸入光強(qiáng)較弱時(shí)，MCP-PMT 的陽(yáng)極輸出與入射光強(qiáng)呈線性關(guān)系，但隨著輸入光強(qiáng)不斷增大，陽(yáng)極輸出逐漸偏離線性，甚至趨于飽和。在沒有光照射時(shí)，MCP-PMT 的陽(yáng)極也會(huì)有微弱的暗電流輸出，其主要來(lái)源于陰極的熱發(fā)射和各級(jí)之間的漏電流。光電倍增管的動(dòng)態(tài)范圍由陽(yáng)極輸出的最大線性電流與暗電流的比值來(lái)表示，由于其暗電流一般在納安級(jí)別，陽(yáng)極輸出電流在毫安級(jí)別，因此可以用陽(yáng)極輸出最大線性電流來(lái)評(píng)估其動(dòng)態(tài)范圍。

2 理論研究

2.1 信號(hào)光頻率對(duì)MCP-PMT 動(dòng)態(tài)范圍的影響

電子在MCP 通道內(nèi)傳輸?shù)那闆r可以用如圖2 所示的離散網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)表示［12-13］。假設(shè)二次電子在傳輸時(shí)能量恒定，MCP 便可以等效為具有N階等價(jià)極數(shù)的離散電子乘法器。設(shè)給MCP 兩端施加的電壓為VMCP，在沒有輸入電流的情況下，兩個(gè)連續(xù)節(jié)點(diǎn)D之間的電壓差可表示為VD=VMCP/N。

圖2 離散電子乘法器示意圖Fig.2 Schematic diagram of a discrete electronic multiplier

當(dāng)輸入電流為i0（τ）時(shí)，根據(jù)圖3 等效節(jié)點(diǎn)充電的模型，電子增益g（t）可表示為節(jié)點(diǎn)數(shù)N和時(shí)間t的函數(shù)，即

圖3 節(jié)點(diǎn)充電等效電路Fig.3 Node charging equivalent circuit

當(dāng)輸入光信號(hào)為連續(xù)高重頻皮秒或納秒級(jí)短脈沖時(shí)，微通道板壁面電荷恢復(fù)在脈沖傳輸期間可以忽略，只考慮在兩段脈沖間隔的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生電荷補(bǔ)充。為方便研究，引入短脈沖信號(hào)飽和參數(shù)，其中q0代表在Δt時(shí)間內(nèi)輸入脈沖消耗的電荷量，qD=CVD，由此，s可理解為理想情況下從通道內(nèi)消耗的電荷量與初始儲(chǔ)存在通道內(nèi)的電荷量之比?？紤]到頻率帶來(lái)的影響時(shí)，第n段脈沖對(duì)應(yīng)的增益及飽和參數(shù)可分別表示為

式中，Δt為輸入脈沖的時(shí)間間隔。

將表1 中MCP 的參數(shù)代入式（2）、（3），得到不同s參數(shù)下MCP-PMT 輸出電荷的情況，如圖4。從圖4可以看出，隨著時(shí)間的推移，輸出電荷量逐漸減少且減少的速度逐漸變緩，這是因?yàn)閷?duì)于一般的MCP 來(lái)說，電荷補(bǔ)充所需的時(shí)間大多集中在十毫秒到幾十毫秒這一區(qū)間［14］。當(dāng)輸入光脈沖頻率為1 000 Hz 時(shí)，由于兩段連續(xù)的脈沖時(shí)間間隔只有1 ms，使得特定倍增節(jié)點(diǎn)處的電荷補(bǔ)充不完全，存儲(chǔ)的電荷量不斷減少。同時(shí)，電荷量的減少也使充電過程中相鄰節(jié)點(diǎn)之間電勢(shì)差逐漸變大，充電能力得以增強(qiáng)，最終導(dǎo)致輸出電荷量隨時(shí)間推移緩慢減少。

表1 MCP 的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of MCP

圖4 不同s 參數(shù)下的輸出電荷（輸入光脈沖頻率為1 000 Hz）Fig.4 Output charge with different s-parameters at an input optical pulse frequency of 1 000 Hz

輸入條件相同時(shí)，在相同飽和參數(shù)的情況下，從圖5 可以得到：輸入脈沖頻率越高，其輸出的電荷平均增益就會(huì)越少，即在更高頻條件下電子在倍增時(shí)所激發(fā)出來(lái)的二次電子更為不足，其脫離線性的趨勢(shì)更大，最終降低了MCP-PMT 動(dòng)態(tài)范圍。

圖5 電荷輸出的平均增益與頻率的關(guān)系Fig.5 The relationship between the average gain of charge output and frequency

2.2 MCP2 與陽(yáng)極之間電勢(shì)差對(duì)MCP-PMT 動(dòng)態(tài)范圍的影響

微通道板光電倍增管的陰極與MCP1 之間的電勢(shì)差、MCP1 兩端的電壓、MCP2 兩端的電壓、MCP2 與陽(yáng)極之間的電勢(shì)差均會(huì)對(duì)其動(dòng)態(tài)范圍產(chǎn)生影響。經(jīng)過兩級(jí)MCP 倍增之后，大量電子在MCP2 與陽(yáng)極之間堆積，產(chǎn)生嚴(yán)重的空間電荷效應(yīng)，影響電子輸出。改變MCP2 與陽(yáng)極之間的電勢(shì)差可以調(diào)節(jié)空間電荷效應(yīng)帶來(lái)的影響。

可以將最后一級(jí)MCP 末端與陽(yáng)極視為一個(gè)電容為C的平行板電容［15-16］，電子在MCP2 與陽(yáng)極之間傳輸?shù)刃殡娙莸姆烹娺^程，如圖6。將陽(yáng)極板設(shè)置為0 電位，并與地相連， MCP2 輸出端電壓為U1（t），MCP2 與陽(yáng)極之間電流為i（t），負(fù)載電阻RL上的電壓為U2（t）。則可求得兩極板間所能容納的最大電荷量為

圖6 電荷在極板間傳輸電路圖Fig.6 Circuit diagram of charge transfer between plates

設(shè)電子在MCP2 與陽(yáng)極之間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為Δt，若在Δt時(shí)間內(nèi)全部釋放這些電荷，可以輸出的最大電流為

陽(yáng)極的電流i（t）與電壓U2（t）的關(guān)系為，且i（t）≤imax（t）。隨著陽(yáng)極電流i（t）強(qiáng)度的不斷增加，U2（t）不斷減小，則由式（5）可知，U2(t)-U1(t)減少，Q（t）減小。U2(t)-U1(t)減少也會(huì)導(dǎo)致電子在傳輸中加速電場(chǎng)也減小，Δt隨之增加，最終導(dǎo)致最大電流imax（t）減小。當(dāng)i（t）持續(xù)增大，imax（t）持續(xù)減小，t1時(shí)二者相等，即為陽(yáng)極輸出的最大電流，此時(shí)陽(yáng)極最大輸出電流Imax（t1）為

根據(jù)式（6）可知，MCP2 末端與陽(yáng)極板之間的電勢(shì)差越大，在初始狀態(tài)下極板間所容納的電荷量也就越多，且由于電勢(shì)差越大，極板間電場(chǎng)強(qiáng)度也就越大，電荷在傳輸?shù)疥?yáng)極板時(shí)速度也會(huì)更快，使得單位時(shí)間內(nèi)更大量電荷通過RL得以釋放，故穩(wěn)定后i（t）的最大值也就相應(yīng)地變的更高。但由于MCP2 末端與陽(yáng)極板距離只有幾毫米，當(dāng)板間電勢(shì)差增加到一定程度后，其電場(chǎng)就會(huì)浸入到微通道板內(nèi)部，影響通道內(nèi)電子正常的傳輸。若這種影響不斷增大，在MCP2 末端的電子可能會(huì)受電場(chǎng)方向改變的因素更早的就改變其原有的傳輸方向，導(dǎo)致大量電荷從通道末端出射的區(qū)域收縮，等效電容的有效面積會(huì)相應(yīng)地降低，電荷在更小的空間內(nèi)傳輸使得通道末端空間電荷效應(yīng)的影響會(huì)進(jìn)一步加深，最終導(dǎo)致輸出電流的線性峰值反而減少。

在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)（Computer Simulation Technology，CST）中建立模型來(lái)驗(yàn)證上述推斷，由于光電陰極激發(fā)出來(lái)的光電子數(shù)量相對(duì)較少，且光電陰極與微通道板的入射孔之間距離較近，因此電勢(shì)差設(shè)定在200 V 左右［17］。MCP 供電也需要設(shè)計(jì)合理的電路參數(shù)，一般來(lái)說，MCP 最優(yōu)工作電壓為-700～-800 V。根據(jù)上述電壓值在CST 中建立MCP-PMT 的簡(jiǎn)易單通道模型，規(guī)定模型中單通道的長(zhǎng)徑比為42，傾斜角為10°［18-19］。初始情況下，設(shè)置陰極有3 個(gè)電子同時(shí)垂直發(fā)射出來(lái)，經(jīng)過電場(chǎng)的加速使其進(jìn)入到微通道板內(nèi)開始倍增。由圖7 的仿真結(jié)果可以觀察到，電子在微通道板內(nèi)傳輸時(shí)經(jīng)過多次倍增后在MCP2 末端大量堆積，導(dǎo)致空間電荷效應(yīng)的影響在此區(qū)域表現(xiàn)明顯，抑制二次電子正常的釋放。

圖7 微通道板內(nèi)部電子倍增情況Fig.7 Electron multiplication inside the microchannel board

進(jìn)一步在CST 工作室中進(jìn)行模擬，改變MCP2-陽(yáng)極板之間的電勢(shì)差，觀察其電場(chǎng)線分布的情況。由圖8 的仿真結(jié)果可以得到，在電勢(shì)差不斷增大后，MCP2 末端的平行電場(chǎng)線受到板間電場(chǎng)浸入的影響產(chǎn)生畸變，等電位線在孔的中心區(qū)域出現(xiàn)上翹弧形的分布越來(lái)越明顯，使得更多末端電子偏離原有運(yùn)輸方向，被拉到通道口中心區(qū)域聚集。

圖8 微通道板末端平行電場(chǎng)畸變示意圖Fig.8 Schematic diagram of parallel electric field distortion at the end of the microchannel plate

通過在CST 工作室中的仿真結(jié)果可以得出微通道板末端平行電場(chǎng)的畸變深度與MCP2-陽(yáng)極間電勢(shì)差的關(guān)系，如表2。

表2 浸入深度與電勢(shì)差的關(guān)系Table 2 The relationship between immersion depth and potential difference

根據(jù)上述分析可知，陽(yáng)極輸出最大線性電流與MCP2-陽(yáng)極板之間的電勢(shì)差不是一種簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，在電勢(shì)差較低時(shí)，微通道板末端的電荷在通過等效電容釋放過程中電容的等效面積收縮程度較小，受空間電荷效應(yīng)影響的程度較輕。隨著MCP2-陽(yáng)極板之間電勢(shì)差的增加，陽(yáng)極輸出最大線性電流的變化趨勢(shì)是由更加嚴(yán)重的空間電荷效應(yīng)帶來(lái)的反向作用與電勢(shì)差帶來(lái)的正向作用二者互相抗衡來(lái)決定的。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 脈沖條件下頻率影響實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述頻率對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的影響，開展了脈沖光對(duì)MCP-PMT 的輻照實(shí)驗(yàn)［20-21］。實(shí)驗(yàn)流程如圖9，主要包括脈沖發(fā)生器、濾光片、藍(lán)光光源、高壓電源、示波器、微通道板光電倍增管等器件。利用脈沖發(fā)生器向MCP-PMT 提供不同頻率下的光脈沖作為輸入，MCP-PMT 的型號(hào)為50-21018，工作電壓為1 500 V。選取三角波為輸入波形并設(shè)定輸入脈沖的脈寬為50 ns。同時(shí)將入射的初始光強(qiáng)定義為脈沖發(fā)生器在10 V 的條件下所激發(fā)出來(lái)的波長(zhǎng)為450 nm 的藍(lán)光。

圖9 實(shí)驗(yàn)流程Fig.9 Experimental flowchart

在實(shí)驗(yàn)過程中采用Thorlabs 公司所生產(chǎn)的一組濾光片，將光源在無(wú)濾光片下的初始光照強(qiáng)度記為I0，不同濾光片條件下對(duì)應(yīng)的相對(duì)光照強(qiáng)度如表3。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建時(shí)，通過調(diào)整初始光強(qiáng)的大小以及LED 光源到入射面的距離，保證在添加濾光片10x-A 時(shí)陽(yáng)極輸出還未脫離線性，并記錄此時(shí)陽(yáng)極峰值電壓為Vp，其次再測(cè)出不同濾光片條件下其各自的陽(yáng)極實(shí)際輸出電壓峰值Vp'。在線性條件時(shí)，陽(yáng)極輸出電壓峰值的比值應(yīng)該與入射光強(qiáng)的比值相同，則線性度定義為×100%。其中K為不同濾光片條件下時(shí)的相對(duì)光照強(qiáng)度與10%的比值。

表3 不同濾光片對(duì)應(yīng)的相對(duì)光照強(qiáng)度Table 3 Relative light intensity of different filters

陽(yáng)極輸出電流隨輸入光強(qiáng)的變化趨勢(shì)如圖10，可以看出，隨著輸入光強(qiáng)的增大，輸出電壓值在相對(duì)光強(qiáng)50%以后偏離了線性狀態(tài)，并且輸入光脈沖重復(fù)頻率越大，輸出電壓開始偏離線性的值越小。重復(fù)頻率分別為0.5 kHz、1 kHz、5 kHz 時(shí)對(duì)應(yīng)的最大線性輸出電壓分別在2.08～2.28 V、0.776～0.88 V、0.344～0.38 V之間。

圖10 陽(yáng)極最大線性電壓的測(cè)試結(jié)果Fig.10 Test results of the maximum linear voltage of the anode

在此基礎(chǔ)上，通過繼續(xù)增大入射到陰極上光強(qiáng)來(lái)進(jìn)一步分析輸入光脈沖頻率對(duì)輸出電流非線性的影響，其結(jié)果如圖11?？梢钥闯?，隨著輸入光脈沖頻率增大，輸出電壓越早開始發(fā)生線性偏離，即線性輸出電壓的最大值越小。通過三組實(shí)驗(yàn)曲線的對(duì)比，可以明顯看出在輸入重復(fù)頻率為500 Hz 的光時(shí)，陽(yáng)極的輸出能在2 V 以下時(shí)使線性程度維持到100%，但頻率增加到1 000 Hz 以后，陽(yáng)極輸出在1 V 時(shí)已經(jīng)明顯偏離了線性區(qū)域達(dá)10%以上，隨著頻率再進(jìn)一步增大，在5 000 Hz 的條件下時(shí)，陽(yáng)極輸出只能在較低的輸出峰值電壓以下時(shí)維持很好的線性水平，在輸出峰值電壓達(dá)0.3 V 時(shí)就已偏離線性區(qū)域約15%。這表明高頻輸入對(duì)光電倍增管的最大線性電流的輸出有著很強(qiáng)的制約作用，與之前的理論分析一致。

圖11 輸入脈沖不同頻率下輸出電流與線性偏離度的關(guān)系Fig.11 The relationship between anode peak voltage and linear deviation at different frequencies

3.2 脈沖條件下MCP2-陽(yáng)極電勢(shì)差影響實(shí)驗(yàn)

針對(duì)提出的有關(guān)末端電勢(shì)差的觀點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。采用雙脈沖的方法來(lái)測(cè)量MCPPMT 的線性特性，首先讓強(qiáng)弱兩種LED 脈沖光在時(shí)間上交替點(diǎn)亮，輸入波形如圖12。強(qiáng)光條件下輸出的電流作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，弱光條件下的輸出作為參考，需保證弱光條件下輸出一直維持在線性區(qū)域內(nèi)［22-23］。初始距離較遠(yuǎn)時(shí)，設(shè)強(qiáng)弱脈沖光的輸出電流分別為I02、I01，I02/I01的比值記為k。通過移動(dòng)光源，拉近光源與陰極面之間的距離使光源入射到陰極面的發(fā)光量逐漸增大，MCP-PMT 的輸出電流便也會(huì)相應(yīng)增大。當(dāng)弱脈沖光的輸出為I1，強(qiáng)脈沖光的輸出為I2時(shí)，輸出電流I2首先偏離線性，此時(shí)兩脈沖的輸出電流比I2/I1≠I02/I01，線性度定義為（I2/kI1）×100%。

圖12 強(qiáng)弱脈沖輸入光波波形示意Fig.12 Schematic of the shape of strong and weak pulse input light waves

圖13 顯示了線性度與陽(yáng)極輸出電壓的關(guān)系，隨著輸出電壓的增大，線性度逐漸開始下降。當(dāng)線性度下降到95%時(shí)，將此時(shí)陽(yáng)極輸出的電壓值定義為陽(yáng)極最大線性輸出電壓。

圖13 陽(yáng)極最大線性電壓選取點(diǎn)Fig.13 Selection point of maximum linear voltage

實(shí)驗(yàn)用到的主要裝置包括脈沖激光源、高壓電源、MCP-PMT 等，采用雙MCP 的光電倍增管50-21018進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)。選取三組不同的電壓值施加到MCP1 兩端，用來(lái)作為不同增益條件下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在每組特定的MCP1 電壓下通過改變分壓電路中MCP2-陽(yáng)極之間的電勢(shì)差來(lái)驗(yàn)證上述理論結(jié)果。采取脈沖發(fā)射器輸出半高寬為300 ns 的強(qiáng)弱兩種三角波來(lái)激發(fā)藍(lán)光光源，隨著不斷調(diào)整光源到MCP-PMT 的距離，使得光強(qiáng)在強(qiáng)光條件下時(shí)逐漸偏離線性，并記錄此時(shí)強(qiáng)光條件下的陽(yáng)極輸出電壓峰值，具體參數(shù)設(shè)定如表4。

表4 MCP-PMT 各部分電壓參數(shù)的設(shè)定Table 4 Voltage parameter settings for various parts of MCP-PMT

在上述三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中選出MCP2-陽(yáng)極電勢(shì)不同情況下的陽(yáng)極輸出最大線性電壓。由圖14 可知，MCP2-陽(yáng)極之間的電勢(shì)差對(duì)動(dòng)態(tài)范圍確實(shí)存在一定的影響，在其它參數(shù)不變時(shí)，若只改變MCP2-陽(yáng)極的電勢(shì)，當(dāng)電勢(shì)差在200 V 左右時(shí)，由于此時(shí)電場(chǎng)浸入管內(nèi)深度較淺（如表2），電荷從微通道口出射時(shí)出射面積收縮程度較輕，動(dòng)態(tài)范圍受到空間電荷效應(yīng)的負(fù)向影響也較弱，陽(yáng)極輸出最大線性電壓在此時(shí)保持較高的水平。隨著電勢(shì)差的不斷增大，陽(yáng)極輸出最大線性電壓由于空間電荷效應(yīng)影響程度的加深開始呈下降趨勢(shì)，并出現(xiàn)波動(dòng)。當(dāng)電勢(shì)差達(dá)到500 V 左右時(shí)，此時(shí)的板間電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)微通道板內(nèi)部電荷向陽(yáng)極傳輸所表現(xiàn)出的正向作用較為明顯，陽(yáng)極輸出最大線性電壓也重新出現(xiàn)一個(gè)小峰值。綜上，隨著MCP2-陽(yáng)極之間的電勢(shì)差的增大，最大線性輸出電壓不是單調(diào)變化的，而是受到電勢(shì)差與空間電荷效應(yīng)共同的影響而表現(xiàn)出一個(gè)不斷起伏的趨勢(shì)。

圖14 動(dòng)態(tài)范圍隨MCP2-陽(yáng)極電壓的變化趨勢(shì)Fig.14 The relationship between dynamic range and voltage between MCP2-Anode

4 結(jié)論

本文研究了脈沖輸入光的頻率及MCP-PMT 末端電壓值對(duì)MCP-PMT 動(dòng)態(tài)范圍的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出：1） 隨著脈沖輸入頻率的增加，MCP-PMT 的輸出電壓會(huì)越早脫離線性區(qū)域；2） 隨著MCP2-陽(yáng)極之間電勢(shì)差的增大，MCP-PMT 的最大線性輸出電壓不是簡(jiǎn)單單調(diào)變化的，而是在抗衡中表現(xiàn)一個(gè)不斷起伏的趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究了制約MCP-PMT 動(dòng)態(tài)范圍的因素，即壁面電荷補(bǔ)充不充分及空間電荷效應(yīng)的干擾。當(dāng)輸入脈沖的頻率較高時(shí)，MCP-PMT 的動(dòng)態(tài)范圍受到的制約主要與前者有關(guān)；當(dāng)MCP2-陽(yáng)極電勢(shì)差提升時(shí)，由于大量二次電子在極板間向陽(yáng)極傳輸時(shí)的情況較為復(fù)雜，動(dòng)態(tài)范圍便會(huì)因空間電荷效應(yīng)造成的影響從而無(wú)法與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比關(guān)系。