可见光脉冲输入下微通道板光电倍增管的动态范围研究

结合理论分析与实验测试,研究了在可见光脉冲输入条件下频率以及第二片微通道板与阳极之间电势差对微通道板光电倍增管动态范围的影响。研究结果表明:随着信号光脉冲频率的增大,微通道板壁面电荷补充不充分致使阳极输出偏离线性,并逐渐趋于饱和。当输入可见光脉冲宽度为50 ns,频率为500 Hz时,阳极的最大线性输出达到2 V(即40 mA);当输入光频率增加到1000 Hz,阳极输出在1 V(即20 mA)时线性偏离程度达到10%以上;当输入光频率增加到5000 Hz,阳极输出在0.3 V(即6 mA)时线性偏离程度达到约15%。随着第二片微通道板与阳极之间电势差的增大,阳极最大线性输出电压呈现波动性变化而非与其呈线性关系。当第二片微通道板与阳极之间的电势差在200 V左右时,阳极线性输出电压达到峰值,随着电势差不断增大,阳极线性输出电压开始出现波动,在电势差为500 V左右时达到第二个峰值,这主要是由于极板间电场强度与空间电荷效应共同作用的结果。该研究可为提升微通道板光电倍增管的动态范围提供指导,便于其应用于强辐射脉冲测量、激光通信等领域。

光电倍增管计数温漂自适应补偿方法

光电倍增管是微光探测的重要器件,使用光子计数法对光强进行检测可以大幅降低噪声的干扰,但光电倍增管的阴极灵敏度、增益及暗噪声易受环境温度的影响,导致输出脉冲幅值的不稳定,影响系统对微光的检测性能。本文通过使用微控制单元、数字模拟转换器等模块对光电倍增管设计了高压增益补偿和阈值校正系统,通过对不同温度下光电倍增管的阴极饱和电流、灵敏度和暗噪声的综合分析,构建温度与高压补偿增量Vh及阈值补偿增量Vt混合函数模型,使用补偿增量混合模型对光电倍增管计数输出进行自适应温漂补偿。对滨松的端窗型光电倍增管CR135进行实验,证明了此系统在较大温度变化下仍具有良好的输出信噪比,在-20℃时计数率平均提升0.19,即使引入了少量暗噪声,仍大幅提升了探测性能。

全数字PET关键器件硅光电倍增器研究进展

近年来,硅光电倍增器(SiPM)凭借其出色的性能表现,已经成为正电子发射断层成像(PET)中的首选光电转换器件。SiPM具有单光子分辨能力和低于100 ps的时间分辨率,使得精确测量光子到达时间成为可能,催生了飞行时间PET、光子计数计算机断层扫描、正电子素寿命显像等新兴应用领域,这些应用又对SiPM的性能提出了更高的挑战。因此,如何将SiPM性能推进至其物理极限已成为新一代SiPM的研究的关键方向。在传统的SiPM架构中,信号经过多次处理和模数转换,带来噪声增加和时间性能恶化的问题,从而限制了SiPM的性能潜力。随着半导体制造工艺的快速发展,SiPM可在标准CMOS工艺节点上制造,标志着可以将数字逻辑集成在SiPM器件内,这是SiPM领域的一次重大突破,使我们能在单一SiPM内实现更精确的时间、能量、位置信息获取,为推进SiPM达到性能极限提供了一条可能的途径。本文综述SiPM的发展历史、工作原理和性能参数,分析传统SiPM的局限性,梳理数字SiPM研究的关键问题,介绍当前几种数字化SiPM架构,最后对数字SiPM的关键技术进行总结和展望。

硅光电倍增管偏置补偿电源电路的设计分析

硅光电倍增管是一种先进的固态光子探测技术,继承了传统光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)的高性能特征,并以其独特的架构集成了大量工作在盖革模式下的SPAD,具有显著优势。硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)的工作击穿电压会随着温度变化而出现漂移现象,影响内部增益的稳定性,并对图像重建精度和能量分辨率等关键性能指标产生不利影响。基于此,研发了一种能够实时适应环境温度变化的动态补偿电路,实现对SiPM的偏置电压精密调控,有效抑制因温度导致的增益漂移效应,使SiPM器件在不同温度条件下均能保持偏置电压稳定。

光电倍增管双电位聚焦系统设计研究

光电倍增管聚焦系统收集效率是影响光电倍增管性能的关键因素。本文提出了一种双电位聚焦技术,通过二次聚焦,将光电阴极产生的电子束进一步聚焦,通过COMSOL Multiphysics仿真软件对电位差、聚焦极直径、高度等参数进行了仿真优化,使得收集效率可达92.1%以上。通过装管验证,光电倍增管增益提高了14.76%。

光电倍增管电缆护套材料的选型研究

光电倍增管(photomultiplier tube,PMT)是一种灵敏的光电探测器件,在多个领域有广泛应用。为保证光电倍增管长期使用的稳定性,在其选材方面需要特别注意。电缆护套材料与液体介质长期接触,其与液体的兼容性严重影响光电倍增管的探测效率,因此对电缆护套材料的研究具有重要意义。本文采用分光光度计测量液体样品中浸泡不同护套材料后透过率的变化情况,研究了4种护套材料(PFA、HDPE、FEP、PTFE)在3种液体(纯水、白油、液闪)中的兼容性。结果表明上述4种护套材料在纯水和白油中兼容性较好,在液闪中兼容性稍差,4种材料中PFA和FEP的兼容性更加优秀。

宽带和窄带有机光电倍增探测器研究进展

有机光电倍增探测器因具有可大面积加工、柔性、光谱响应范围可调、低成本和轻质等优点而备受关注,在智能监测、通信、生物医疗、图像传感器和荧光显微镜等领域具有潜在的应用价值。根据光谱响应范围,有机光电倍增探测器可分为宽带和窄带有机光电探测器。文章首先详细介绍了有机光电倍增探测器的结构、工作原理及关键性能参数,其次阐述了宽带和窄带有机光电倍增探测器的研究进展,最后对宽带和窄带有机光电倍增探测器未来的发展前景进行了展望。

考虑脉冲高度分布(PHD)的光电倍增管光子探测模型

光电倍增管(Photomultiplier Tubes,PMT)具有光子级别的灵敏度,而且没有物理意义上的死区时间,在光子计数雷达应用中有独有的优势,但PMT响应单光子输出脉冲高度呈高斯随机分布,且不同脉冲之间还有可能产生堆叠,传统的单光子模型不能准确描述PMT的光子探测过程。针对PMT输出脉冲高度随机分布,脉冲堆叠现象和光子事件鉴别阈值的设置对光子事件探测概率的影响提出了一个新的PMT光子探测模型,并根据实际应用场景进行了简化,通过蒙特卡洛仿真验证了简化模型的适用性。搭建了光子计数雷达系统,通过和盖革模式APD进行实验对比,发现PMT光子探测模型虽然有略微的探测概率损失,但在测距应用中具有更小行走误差和更高测距精确度。实验也证明了新模型相比于传统单光子探测模型更符合PMT的光子事件探测概率分布,新模型对基于PMT光子计数雷达的系统设计和理论分析具有重要的指导意义。

基于柔性馈电螺旋天线和硅光电倍增管的GIS局部放电联合传感技术

由于现场干扰和系统噪声的影响,通过常规电学方法检测气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)内的局部放电(partial discharge,PD)容易造成漏检与误检的情况。为提高局部放电检测的准确率,并进一步探究GIS中不同缺陷的放电特性差异,该文提出基于粒子群优化算法的四臂螺旋天线优化流程,设计适配的柔性功分馈电网络,并与荧光光纤加载的硅光电倍增管结合,形成基于特高频(ultra high frequency,UHF)天线和硅光电倍增管结合的局部放电光–电联合传感技术。在此基础上,通过联合传感器对GIS典型缺陷放电信号进行侦测并作统计分析。结果表明,柔性功分网络加载的四臂螺旋天线在0.5~2.0GHz范围内增益均高于5.0dBi,具有高增益与小型化特性;联合传感器的光信号与特高频信号均与放电量保持线性关系;光电联合传感对于电晕放电、沿面放电和气隙放电具有不同的感知效率,不同缺陷类型的局部放电间隔时间也具有不同的特征。使用光–电联合检测技术能够为GIS中的局部放电检测提供新的、可靠的解决方案。

硅光电倍增管偏置补偿电源电路设计

硅光电倍增管(SiPM)器件具有极强的温度依赖性,其温度变化最终会引起增益漂移,所以为了在温度波动的情况下保持增益相对稳定,该文研发设计了一款光电倍增管的偏置补偿电源电路。该设计通过NTC热敏电阻、STM32L1系列微控制器和精密运放等实现可自动调整电源电路,微控制器通过计算出检测值与真实电压的关系,利用ADC检测值进行反馈调节的方式,最终实现SiPM偏置电压的精确调节。测试结果表明,该系统能补偿温度变化引起的输出电压漂移,该系统提高了探测器偏置电压的稳定性,从线性拟合结果来看,实际和理论偏置电压的线性相关系数为0.999 16,稳压器输出电压纹波电压小于1%。

一种适用硅光电倍增管探测器用高压电源的设计

本文介绍了一种以FPGA为中央处理器,适用于硅光电倍增管探测器用高压电源的设计。本文从系统的硬件电路单元、系统软件设计和电路主要性能指标三个方面,详细地对高压电源的设计和实现进行了说明。对系统的主要性能测试表明,本设计达到了硅光电倍增管探测器高压电源要求,具备较好的实用性。

光电倍增管在磷酸液声致发光实验中的应用

对不同厚度液体进行光强测量,深入探索空化气泡的运动,研究发光机理很有意义。用超声激励法在磷酸液体中实现多泡声致发光,研究不同共振频率下发光的特点。利用光电倍增管多次测量发光强度相互比较,结果是在液体厚度10 cm、驱动频率f=21.061 kHz和f=20.316 kHz时,周期性较好为50μs,液体通过漩涡集中气泡可以使更多气泡发光;在液体厚度3 mm、驱动频率f=17.91 kHz和f=19 kHz时,周期性很好为25μs;且光信号都较强。结论是磷酸中声致发光强度、周期与液体厚度、驱动频率密切相关。本文以磷酸液多泡声致发光实验研究为基础,从内部和外部原理来出发,详细介绍了光电倍增管在多泡声致发光光强测量中的实用,为今后研究者提供了一些经验。根据实验过程中遇到的一些实际问题提出了建议和改善意见。

光电倍增管脉冲性能研究

采用外腔式电光开光 ,调制主动照相探测光源 ,使光电倍增管处于脉冲工作状态下 ,以提高光电倍增管的输出幅度和动态范围 ,改善信号的信噪比 ,同时避免样品和探测器受长时间强激光照射 .对滨松 H6780光电倍增管进行了调试 ,使其线性输出电流由静态的0 .1 m A提升到脉冲状态的 4.4m A,信噪比提高 4.5倍 .该技术对其他光敏探测有借鉴意义 .

基于光电倍增管的低噪声前置放大器的设计及其信号处理

利用低噪声前置运算放大器把光电倍增管的输出信号尽可能无噪声的放大。从运放的选择,多级放大电路的设计要点,放大电路的噪声估算,PCB板布局连线和屏蔽等方面,提出了实用化的带宽达10 MHz的电路设计形式,以及注意事项及其信号调理方法。仿真结果显示了所设计电路的信号放大情况,此电路设计形式可以很好的放大并处理光电倍增管的输出信号。

微秒级宽脉冲信号下能输出大于1.5A线性电流的光电倍增管

测量了CHφT3型光电倍增管配上ST401塑料闪烁体,在波形半宽度约2400ns脉冲光源照射下的电流输出情况,还提供了该光电倍增管与对中子相对不灵敏的晶体CeF3组成探测器应用于宽脉冲γ辐射源测量得到的电流输出情况。结果表明,CHφT3型光电倍增管其饱和电流输出大于3.5A,最大线性电流大于1.5A,暗流小于10nA,是一种在微秒级宽脉冲信号下都可以输出大于1.5A线性电流的大电流光电倍增管,是在大动态范围脉冲测量中,使用多探测器量程衔接时降低不确定度的一种可选方法。

光电倍增管中子直照灵敏度响应

光电倍增管的中子直照响应对脉冲中子探测器的设计和实际应用具有重要影响.分析了中子束直接照射光电倍增管产生直照响应的过程和机理.中子与光电倍增管入射窗硼硅玻璃中的硼和硅发生(n,α)和(n,p)反应,导致窗玻璃产生荧光,从而使光阴极发射光电子.在5SDH-2小串列加速器上,选用9815B和9850B两种光电倍增管进行实验,得到了光电倍增管的中子直照灵敏度能谱响应曲线.结果表明:中子能量由低到高变化时,光电倍增管的中子直照灵敏度也随之增大;两种光电倍增管的中子直照灵敏度比值为1.9×102～2.74×102,该值与其相应的增益比量级一致.

空间光通信用复合波导阳极微通道光电倍增管

为了降低自由空间光通信系统对高跟踪精度的需求,化简光学天线结构,缩小系统体积,本文提出了一种采用复合波导阳极的空间光通信专用微通道光电倍增管.首先从微通道板光电倍增理论模型的角度出发,介绍了新型器件的工作原理并分析复合波导阳极的透射阳极和位敏阳极对真空倍增系统造成的约束条件;其次通过光学传递函数分析方法研究了复合波导阳极的器件特性并给出了器件设计参数与成像能力之间的对应关系;接着在此基础上分析了高速信号检测功能和入射光轴精确定位功能的约束关系,给出了相应的电子光学系统设计与修正方法;最后在真空炉中进行了该新型器件的验证性试验.

一种大尺寸微通道板型光电倍增管

针对高能物理、核物理等国家大科学装置对核心探测器件的需求,研究不同于金属打拿极型倍增系统的大尺寸微通道板型光电倍增管。该光电倍增管最主要的特点是具有20 in(1 in=2.54 cm)的低本底玻壳和微通道板型倍增极结构,使用Sb-K-Cs阴极作为光电转换阴极,该阴极对350~450 nm波段光子的量子效率高,倍增极采用两片微通道板,在电压比较低的情况下可实现107的倍增能力,从而提高了光电倍增管的探测效率和单光子探测能力。与传统的金属打拿极型光电倍增管相比,20 in微通道板型光电倍增管是一种全新的产品结构,具有单光子峰谷比高、本底低、响应时间快、后脉冲比例小等特点。

光电倍增管的噪声模型

光电倍增管作为一个高灵敏的检测器,能够在来自阴极的单个光电子脉冲这样低的检测水平下工作。也就是说,在一个给定的时间间隔里输出脉冲的计数提供了光子撞击光阴极速率的测量。在这种情况下,光电倍增管本身的噪声变得更加重要了。着重讨论了光电倍增管的噪声来源,噪声特征及噪声模型。

光栅单色仪和光电倍增管的偏振效应

本文对44W光栅单色仪及光电倍增管(GDB-423型和R 456型)的偏振效应进行了研究。在4200—7400 波长范围内给出了偏振效应随波长的变化情况。结果表明:在所研究的光谱范围内,光栅的偏振效应特别显著,随波长变化很明显。而光电倍增管的偏振效应随波长变化比较缓慢,且绝对值也较小。因此,在光谱测量中,特别是在偏光测量中,光栅的偏振效应的影响是不能忽略的。