双碱光阴极光电倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)具有低本征发射度、高量子效率的特点^[1]，因其优秀的微弱光探测及快速的时间响应性能获得了众多领域的青睐。

对于不同尺寸以及不同倍增极结构的双碱光阴极PMT^[2]，其光谱响应范围均在300-700 nm，如图 1所示，分别为不同PMT生产企业制备的不同型号和面积的PMT。波长大于700 nm时，量子效率(Quantum Efficiency, QE)几乎为零。传统的观点认为双碱光阴极PMT对于大于700 nm的光是没有响应的。因此，红光或红外光常被用来做光电倍增管生产过程或者实验过程中的背景光，并且一些成像系统就是使用直流模式的红外光进行刻度的。

图 1

图 1 不同PMT的量子效率光谱响应曲线 Figure 1 Quantum efficiency spectral response curves of different PMTs.

由于在测量光谱响应曲线时，通常采用的是直流模式下的光源^[3]，当有10³-10⁴的光子通量照射到PMT的双碱光阴极上，才能光电转换产生nA量级的光电流。而目前还没有对于单光子状态下的双碱光阴极PMT对红外光响应的研究。

当使用传统上认为对双碱光阴极的PMT没有响应的红外光，对于这些PMT混装在一起的红外器件进行刻度和标定工作时，发现作为背景的双碱光阴极PMT产生了红暴现象。根据课题组多年研制50.8 cm双碱光阴极光电倍增管的经验和实验数据，敏感地意识到用红外光作为刻度的背景光这一方案可能存在问题，工作于直流模式成像原理和单光子模式的PMT是有所不同的。本文猜测产生红暴的原因可能有两种：一是刻度系统中所使用的红外发光二极管本身存在其他波长的杂散光使PMT产生响应；二是PMT本身对红外光有响应。

针对第一种原因，本文对刻度系统所用的红外发光二极管(Light Emitting Diode, LED)进行了光谱测试，测试结果如图 2所示。从光谱上看，该LED不存在其他波段的杂散光。但在使用750 nm截止滤波片^[3]和800 nm窄带滤波片进行滤光之后，PMT仍对此LED有很大响应。尽管光谱仪测试结果显示红外LED本身，或者经过选通滤波片，或者窄带滤波片后都没有可见光成分，但如前面所阐述，光谱仪的灵敏度是上万个光子，而PMT可以针对单光子做出响应，所以必须采用单色性非常好的红外激光器作为光源进行测试。为了排除LED本身在白光波段存在杂散光的可能性，本文采用的波长为815nm红外激光管作为干扰光源，其发光原理是粒子数反转和增益大于损耗而发光，不会存在其他波段的杂散光。

图 2

图 2 刻度系统所用800 nm LED的光谱 Figure 2 The spectrum of the 800-nm LED.

本文通过设计实验，在将双碱光阴极PMT调到单光子状态下，用815 nm的红外光对其进行干扰，以检验双碱光阴极PMT对红外光的响应特性。

本次实验采用的方法是先把PMT在405 nm激光二极管(Laser Diode, LD)光源的照射下调到单光子状态，再用815 nm的红外光对其进行干扰，测试红外光干扰下的PMT的单光子态是否发生变化。

单光子谱(Single Photoelectron Spectrum, SPE)是表征PMT性能的重要指标之一。单光子的获取方式有两种^[4]：光阴极热电子发射和外部光源照射到PMT光阴极上进行光电转换，产生光电子。

本次实验所采用的是405 nm LD作为外部光源获取单光子，采用同步触发的方式进行测试。单光子谱的测试原理图如图 3所示。信号发生器同时输出LD的驱动脉冲信号和同步TTL (Transistor Transistor Logic)信号。同步TTL信号经过微分电路微分，再经过低阈甄别器变成NIM (Nuclear Instrument Module)电平作为同步触发的门信号。通过对PMT单光子谱的测试，可以获得光电倍增管的增益、峰谷比、能量分辨率和相对探测效率^[5]等信息。典型的PMT单光电子谱如图 4所示，其横坐标每个格代表 29.8 fC，纵坐标为计数，可以得到其增益为9.87×10⁶，峰谷比为3.33，单光子信号比例为10.2%，能量分辨率为30.8%。

图 3

图 3 单光子测试原理图 Figure 3 Schematic of single photon test.

图 4

图 4 典型单光子谱 Figure 4 Typical single photon spectrum.

实验所用光源分别为脉冲模式、占空比为0.001%、波长为405 nm的LD和直流模式、功率可调、波长为815 nm的红外激光管。首先对两种光源进行了光谱测试，如图 5所示。

图 5

图 5 405 nm激光二极管和815 nm激光管的光谱 Figure 5 Spectrum of 405-nm laser diode and 815-nm laser tube.

实验中，815 nm红外光通过塑料光纤传导进入暗箱中，该塑料光纤对红外光的传输效率（衰减系数为10 dB·km^-1）为99.8%，和405 nm的LD同时对准PMT光阴极的中心位置。405 nm LD为光源，塑料光纤导入的红外光斑直径为1 cm。

从测试结果可以看出，405 nm LD只在405 nm左右出现尖锐峰，峰值波长为407.4 nm，半峰宽为3.736 nm。815 nm红外激光管只在815 nm处出现尖锐峰，峰值波长814 nm，半峰宽0.398 nm。说明实验所使用的光源单色性好，无其他杂散光存在。

目前使用的PMT按照倍增结构来说主要分为两种：一种是以打拿极为倍增极的Dynode-PMT，其原理是通过电子打在各级倍增极上发射出二次电子以实现倍增；另一种是以微通道板为倍增极的MCP-PMT^[6]，其原理是光电子打在微通道孔里进行多次碰撞发射电子实现倍增。本次实验对三种PMT进行了测试，分别为法国Photonis公司的XP2020^[7]、中国北方夜视公司的MCP-PMT和日本Hamamatsu公司的Dynode-PMT^[8]。表 1是对三种PMT的基本参数对比。

表 1

表 1 三种PMT的参数对比 Table 1 Comparison of three PMT parameters. PMT 类型 PMT type Photonis NNVT Hamamatsu 光谱响应范围 Spectral response range / nm 300-650 300-650 300-650 峰值波长 Peak response wavelength / nm 390 390 390 光阴极材料 Light cathode material 双碱 Bi-alkali 双碱 Bi-alkali 双碱 Bi-alkali 410 nm处的量子效率 Quantum efficiency@410-nm / % 23 31 30 光阴极激活方式 Photocathode activation mode 电流激活 Current activation 电流激活 Current activation 电流激活 Current activation 光阴极面积 Photocathode area / cm 5.08 50.8 50.8 光阴极形状 Photocathode shape 平面 Flat 球形 Spherical 球形 Spherical 倍增极结构 Multipolar structure 打拿级 Dynode 微通道板 MCP 打拿级 Dynode

表 1 三种PMT的参数对比 Table 1 Comparison of three PMT parameters.

实验是在405 nm LD的光源照射下将PMT调到单光子状态，然后用815 nm的红外激光对PMT的单光子态进行干扰，在保持光源不动的情况下分别对Photonis、NNVT、Hamamatsu三个不同厂家的PMT进行了测试。实验全过程均在具有电磁屏蔽功能的暗室中进行，以保证单光子状态的准确性。在用激光管对PMT的单光子态进行干扰时，对于激光管的功率选择了mW、μW、nW、fW、0 W五个量程进行测试。

由图 6，当激光管功率为零时，Photonis-PMT处于单光子态，台阶尖锐，单光子峰明显。当激光管功率增大到4.38 μW时，单光子状态没有发生变化，与激光管功率为0时的单光子谱重合。当激光管功率增大到1.38 mW时，Photonis-PMT的单光子状态发生很大的改变，台阶变矮单光子峰消失，峰位整体右移，整个峰型变宽，出现多光子谱。说明当激光管的功率增大到mW量级时，Photonis-PMT对815 nm的红外光产生了明显的响应。

图 6

图 6 Photonis-PMT的测试结果 Figure 6 Test result of Photonis-PMT.

从NNVT-PMT的测试结果来看（图 7），当激光管功率在0-0.378 nW时，NNVT-PMT处于单光子状态，台阶尖锐，单光子峰明显；当激光管功率为4.38 μW时，PMT的单光子状态发生改变，台阶位置向左发生微微偏移，峰谷比变小，单光子峰抬高，PMT对4.38 μW功率下的红外光有响应。当激光管功率继续增大到1.38 mW时，电子学台阶向左移更多，与4.38 μW时峰的形态保持一致，说明NNVT-PMT对大于4.38 μW的红外光会产生更明显的响应。

图 7

图 7 NNVT-PMT的测试结果 Figure 7 Test result of NNVT-PMT.

对于Hamamatsu-PMT（图 8），其测试结果出现了与NNVT-PMT相似的情况，当激光管的功率在nW级别时，单光子状态基本无变化。当激光管功率达到4.38 μW时，Hamamatsu-PMT的单光子状态已经发生很大的变化，整体的峰位开始向左偏移，台阶变矮，整体峰型变宽，说明PMT在此过程中已经对红外光产生响应；当激光管的功率上升到1.38 mW时，单光子谱发生更大变化，整个峰型朝着电子学台阶变矮，峰型变宽，向左偏移的趋势移动。说明在大于4.38 μW的情况下，Hamamatsu-PMT对红外光产生了明显的响应。

图 8

图 8 Hamamatsu-PMT的测试结果 Figure 8 Test result of Hamamatsu-PMT.

我们对三种PMT饱和波形谱进行了测试，如图 9所示。

图 9

图 9 不同PMT的饱和波形谱 Figure 9 Saturation spectrum of different PMTs.

由饱和波形谱变化可知，Photonis-PMT的幅值在10 V时，波形发生畸变，说明Photonis-PMT的动态范围在10 V左右。Hamamatsu-PMT的在幅值为5.5 V时，波形已经发生畸变，说明Hamamatsu-PMT的动态范围小于5.5 V。而倍增极为微通道板的NNVT-PMT，在幅值为20 V时波形才开始发生畸变，说明NNVT-PMT的动态范围在20 V左右。

通过对三种不同的PMT的测试，发现三种PMT均对红外光产生了不同程度的响应，分别从产生响应的功率、输出电荷量是否发生变化、台阶是否漂移以及动态范围4个方面进行了比较。其中，对于不同红外光功率下的输出电荷量的变化情况如图 10所示。三种PMT的响应对比如表 2所示。结合之前对三种PMT的基本参数的对比，发现PMT产生不同响应的原因与他们本身的特性有关，对于三种同为双碱光阴极、光谱响应范围相同、峰值响应波长相同的PMT，可从几个方面对其产生不同响应的原因进行分析。

图 10

图 10 输出电荷量变化率 Figure 10 Output change rate of charge.

表 2

表 2 三种PMT的响应对比 Table 2 Comparison of three PMT responses. PMT类型 PMT type Photonis Hamamatsu NNVT 产生响应的功率 Power mW μW μW 输出电荷量 Output charge 有 Yes 无 No 无 No 台阶漂移 Step drift 无 No μW mW 动态范围 Dynamic range 10 V 5.5 V 20 V

表 2 三种PMT的响应对比 Table 2 Comparison of three PMT responses.

对比三种PMT对红外光的响应可以看出，单光子峰偏移的趋势与PMT的光阴极面积的大小有一定的关联。对于光阴极面积为5.08 cm的Photonis-PMT来说响应的结果是整个单光子峰向右偏移，而对于光阴极面积为50.8 cm的NNVT-PMT和Hamamatsu-PMT来说响应结果是整个单光子峰向左偏移。

图 11是不同型号的PMT在相同光强下坪曲线测试对比。从图 11中可以看出，在相同的光阴极电压下，光阴极面积不同的PMT的对光的响应是不同的，对于光阴极面积较小的PMT其坪曲线很快饱和，而对于光阴极面积较大的PMT则需要更高的电压才能达到坪曲线。同时本文还对三种不同厂家生产的PMT在不同功率的红外光的干扰下的输出电荷量的变化进行了对比（图 10），NNVT-PMT和Hamamatsu-PMT ^[8]的输出电荷量变化不大，只有光阴极面积较小的Photonis-PMT的输出电荷出现了明显的增大，说明光阴极面积不同，其面电阻也不同，因此会影响光电流的大小，即会影响产生光电子的电荷的大小。所以三种PMT对红外产生响应时单光子峰发生偏移的趋势与光阴极面积有关。

图 11

图 11 不同PMT坪曲线对比 Figure 11 Comparison of different PMT plot curves.

从光阴极的制备工艺来说，不同厂家使用不同的工艺，制备的双碱光阴极薄膜的厚度、结构等都存在差异，导致面电阻差异很大，对电荷的补充能力不同，所以光电效应测试时的上坪高压和饱和信号幅度差异很大，自然对红外光的响应也不尽相同。这也是造成这三种PMT对红外光产生不同响应的原因之一。

对比三种PMT在1.38 mW时的单光子谱可以看出，倍增极结构相同的Photonis-PMT和Hamamatsu-PMT的整个峰是变宽的，而倍增极结构为微通道板型的NNVT-PMT的整个峰是变窄的。

由饱和波形谱变化可知Photonis-PMT的动态范围在10 V左右，Hamamatsu-PMT的动态范围小于5.5 V。NNVT-PMT的动态范围在20 V左右。对比相同尺寸的Hamamatsu-PMT和NNVT-PMT可知，倍增极结构为微通道板型的NNVT-PMT的动态范围更大，所以使得其在mW级别时才产生台阶的漂移。因此在对红外光产生响应的过程中，动态范围的不同也是造成三种PMT对红外光不同响应的原因之一。

本文通过三种双碱光阴极PMT对红外光的响应特性测试，发现用波长为815 nm、功率为1.38 mW的红外光作为干扰光源对PMT的单光子态进行干扰时，三种PMT的单光子态都发生强烈的变化，说明双碱光阴极PMT确实会对红外光产生响应。针对不同的响应结果，从PMT的光阴极面积和制备工艺、倍增极结构、动态范围几个方面对产生不同响应的原因进行了分析。在今后的研究中，将改进实验设备，争取采用可控的红外和紫外LD对双碱光阴极的红外响应和紫外响应进行研究。