2. 中国科学院高能物理研究所 北京 100049;
3. 核探测与核电子学国家重点实验室 北京 100049;
4. 中国科学院大学 北京 100049
2. Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Beijing 100049, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
光电倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)是一种有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件，入射在光阴极的光子通过光电效应产生光电子，进入倍增系统进行倍增放大，经阳极收集，形成阳极电流或脉冲电压。其广泛应用于物理实验、工业生产、医疗器械等领域[1]。不同尺寸的PMT应用不同。小型PMT的结构紧凑、抗磁性好、量子效率高，被广泛用于医疗检测领域和各种高能物理实验[2-3]；大直径PMT的有效面积大，节约电子通道，被广泛用于中微子实验中，如日本超级神冈探测器[4]、我国的大亚湾[5]和江门中微子实验[6]等。
PMT是探测器中受磁场影响比较敏感的器件，对大尺寸的PMT，尽管在设计初期已经对聚焦电极进行了优化，但由于电子在真空中的飞行路径较长，受地磁场的影响也不能忽略。
地磁场对PMT性能参数的影响分为两部分：一部分是光电子从光阴极到聚焦极，洛伦兹力使光电子的运动轨迹发生偏转，不能全部到达第一聚焦极，影响PMT的收集效率和渡越时间。另一部分是光电子从聚焦极飞到阳极的电子倍增过程中，对于打拿极型PMT，地磁场使电子偏离倍增轨迹，对增益、能量分辨率和渡越时间的影响较大。对于微通道板型PMT，光电子在微通道板内壁倍增时，洛伦兹力使电子撞击到内壁的方向与出射方向不同，影响二次电子发射系数，进而影响增益和能量分辨率，相对于打拿极型PMT，影响程度较小[7]。
对于大面积PMT，由于光阴极面积较大，不同位置逸出的光电子受到内部电场作用和地磁场洛伦兹力的合力不一致，影响阳极信号的均匀性（增益和收集效率）。同理，PMT安装在不同位置时，光阴极面同一位置逸出的光电子受到内部电场力和地磁场也不一致，使PMT在不同位置的表现不同[8]。
另外由于PMT内部结构不对称，尤其是聚焦极与打拿极结构不对称，当PMT围绕其中心轴旋转一定角度，PMT内部电场方向和大小相对于地磁场发生变化，受地磁场的影响不相同[9]。
现有大部分大面积PMT在存在地磁场的情况下进行性能测试，得不到可靠结果；或在PMT外围缠绕μ铁，只能被动地定性分析有无地磁屏蔽对大面积PMT性能的影响。本实验针对大面积PMT，搭建了大型地磁场效应测试系统，定量对比研究地磁场对PMT的影响。
1 系统设计地磁场主要影响大面积PMT的阳极性能参数，主要通过单光电子谱来表征，如增益(Gain)、相对探测效率(Relative Detection Efficiency, RDE)、渡越时间离散(Transit Time Spread, TTS)、峰谷比(the Ratio of Peak to Valley, P/V)等。基于单光电子谱测试系统[10]，借助相关设备改变地磁场强度，并根据设备的不同接口类型，利用LabVIEW中的VISA工具包与设备通信，实现不同磁场强度下PMT性能参数的自动测试。
系统整体方案设计如图 1所示。在避光良好的暗室内放置电磁屏蔽箱，用来屏蔽空间电磁波。在电磁屏蔽箱内放置用高磁导材料制成的圆桶，用来被动屏蔽地磁场；或者用HMP2030三通道直流电源为螺线管线圈供电，主动屏蔽地磁场。磁通计FVM400（精度为1 nT）测量磁场强度。AFG3102脉冲发生器驱动LD发光，作为测试PMT所用光源。RC微分电路和低阈甄别器(Low Threshold Discriminator, LT-Dis)把逻辑门电路(Transistor-Transistor Logic, TTL)电平转换为抗噪容量(Noise Injection Margin, NIM)电平。电荷数字转换器(Charge-to-Digital-Converter, QDC) V965把阳极电流信号积分为电荷量，并转换为数字量。时间数字转换器(Time-to-Digital-Converter, TDC) V775N测量光电子的渡越时间，并转换为数字量。高压电源SY1527为PMT提供电压。
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图 1 地磁场效应测试系统整体结构 Figure 1 Framework of geomagnetic field effect test system. |
如图 1所示的屏蔽罩由坡莫合金材料制作，当磁感线从空气进入桶壁时，由于罩壳磁导率比空气磁导率大得多，磁感线对法线的偏离很大，大部分磁场线从罩壳壁内通过，空腔中的磁感线很少，达到屏蔽目的。屏蔽效果如图 2所示，在磁屏蔽罩的中间位置磁屏蔽效果最好，能达到80%。
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图 2 磁屏蔽罩屏蔽效果 Figure 2 Magnetic shielding cover and shielding effect. |
由于磁屏蔽罩只能定性屏蔽地磁场，为研究光PMT在不同磁场强度下的性能，在电磁屏蔽箱外面缠绕螺线管线圈，用三通道直流电源HMP2030为线圈供电，每通道最大输出电流为5A（实验室地磁场标量最大为468.38mGs，理论计算需要的电流为1.455A），通过调节电流，可以较大程度地屏蔽地磁场。设计机械图及实物图如图 3所示。
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图 3 地磁场屏蔽螺线管设计机械图 Figure 3 Mechanical design of magnetic shield with solenoid. |
首先调节三维螺线管线圈的电流，使电磁屏蔽间的中心点处磁场为0mGs，并保持该电流不变，在电磁屏蔽箱选取如图 4所示的36个位置，测量每个点的剩磁，得到屏蔽效果均匀性。
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图 4 螺线管屏蔽效果均匀性 Figure 4 Uniformity of shielding effect with solenoid. |
在电磁屏蔽箱的中间层，屏蔽效果较好，可以达到95%以上，根据电磁屏蔽间尺寸，可同时测试4只50.8cm的PMT；底部和顶部屏蔽效果不均匀，有小于50%的点，是由于该处放置的PMT旋转底座、固定高压线电缆、信号线电缆、光源驱动电缆的位置含铁，靠近螺线管线圈，影响屏蔽效果。实际测试时，使用不带旋转台的支架固定PMT，支架有一定的高度，使得PMT装在支架上之后，处于电磁屏蔽箱的中部，不受顶部和底部的影响。
图 1中，取置于支架的PMT光阴极顶点为测量点，在不同的屏蔽情况下测试其剩余磁场强度如表 1所示。
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表 1 不同屏蔽方法屏蔽效果对比 Table 1 Contrast of shielding effect with different method. |
以图 1中所示PMT光阴极顶点为测量点，完全屏蔽时需要的电流理论计算值为(X, Y, Z)= (1.140A, 0.545A, 1.455A)。使三个线圈电流都从(1.140A, 0.545A, 1.455A)等比例下降到(0.000A, 0.000A, 0.000A)，每次下降10%，得到11组不同电流强度下实际剩磁和理论剩磁的比，如图 5所示。
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图 5 理论剩磁和实际剩磁随线圈电流变化曲线 Figure 5 Residual magnetism-current curve. |
理论上，随着电流线性增大，剩磁也呈线性下降，当电流值为图 5中第11次设定值时，理论剩磁应该为0，实际还有8%的剩磁。
1.2 PMT阳极信号采集和处理PMT阳极性能大部分是基于单光电子谱得到，其测量过程为：脉冲发生器输出频率较高，较窄的脉冲信号驱动LD发光，入射到光阴极面，从光阴极面逸出的电子倍增后由阳极输出；脉冲发生器的同步输出TTL转换为NIM电平后，作为V965的对阳极电流积分的门信号和V775N的起始时间信号，PMT阳极信号过阈后送给V775N，得到两个信号的时间间隔即为渡越时间，再通过VME总线把电荷量和渡越时间存入V1718的缓存中，PC通过USB总线从V1718中读取数据。
在一段时间内按上述流程连续对阳极信号进行采集，做统计直方图，得到电荷谱和时间谱，拟合后计算各参数值。图 6为阳极电荷谱，横坐标代表电荷量，每一小格是25fC，纵坐标为电荷量的统计值。其中：x2定义为信号的波谷，以它为分界，左边定义为电子学台阶，右边定义为信号峰。电子学台阶与测量的电子学回路结构相关，满足高斯分布，其中：心值x1为单光电子谱的基线。信号峰也满足高斯分布，其中：心值x4定义为信号的波峰，x3和x5为半高宽对应的电荷量值。相对探测效率ERD、增益G、峰谷比RPV、能量分辨率RE的计算如式(1)-(4)所示：
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图 6 阳极电荷谱 Figure 6 Single photoelectron spectrum. |
| $ {E_{\rm RD}}={\left( {{{\sum\limits_{x = 0}^{4096} {{f_{{\mathop{\rm test}\nolimits} }}(x)} } / {\sum\limits_{x = {x_2}}^{4096} {{f_{{\mathop{\rm test}\nolimits} }}(x)} }}} \right)}/ \left( {{{\sum\limits_{x = 0}^{4096} {{f_{{\mathop{\rm ref}\nolimits} }}(x)} } / {\sum\limits_{x = {x_2}}^{4096} {{f_{{\mathop{\rm ref}\nolimits} }}(x)} }}} \right) $ | (1) |
| $ G = ({x_4} - {x_1}) \times 1.562\,5{\rm e}^{ - 19} $ | (2) |
| $ {R_{\rm PV}}{\rm{ = }}{f\left( {{x_4}} \right)} / {f\left( {{x_2}} \right)} $ | (3) |
| $ R_{\rm E}={({x_5} - {x_3})} / {({x_4} - {x_1})} $ | (4) |
以两只50.8cm PMT为测试样管，在光阴极面一条经线上取纬度为90°和30°两个位置（由于光电倍增管整个光阴极面是一个椭圆半球，类似于地球的北半球，为方便描述测试位置，定义光阴极面中心点处的纬度为90°），分别在有无磁屏蔽罩的情况下，利用点光源LD对PMT进行测试，以加屏蔽罩的值为参考，测试结果如表 2所示。
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表 2 测试结果对比 Table 2 Contrast of test results. |
两只PMT在加上磁屏蔽罩后，无论是从光阴极面中心点处入射还是维度为30°位置入射，增益和探测效率都有不同程度的提高，且纬度为30°位置入射时，性能得到大幅度改善。即在不同入射位置，地磁场对增益和相对探测效率的影响不同，故在大面积PMT投入使用前，需要全面测试标定。
2.2 定量屏蔽系统测试以一只50.8cm的PMT为测试样管，用发散球作光源，将发散球置于PMT光阴极顶点的正上方，通过步进电机调整光源高度，改变光斑尺寸，随着发散球与光阴极顶点间距离的增加，其光斑会均匀覆盖整个光阴极面，并在图 5所示的不同磁屏蔽效果下测试PMT的性能参数。以PMT的增益为例，在不同磁场下，随光源高度的变化情况如图 7所示。
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图 7 不同光斑尺寸和磁场强度下的增益 Figure 7 Gain-magnetic field intensity & spot size curve. |
从图 7中可以看出，随着光源高度的增加，由于光斑面积变大，加磁屏蔽后，增益提高得越明显。局部的涨落是由于多次测试及测试周期较长，系统误差导致。
在光源高度一定时，PMT的增益和能量分辨率随磁场强度变化如图 8所示，增益随着磁场强度的减小而增大，当屏蔽效果为90%时，增益提高了6.5%；能量分辨率随磁场强度的减小整体上呈下降趋势，最多可下降11%。
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图 8 增益和能量分辨率随磁场强度变化曲线 Figure 8 Gain & energy resolution-magnetic field intensity curve. |
在光源高度一定时，PMT相对探测效率和渡越时间离散随磁场强度变化如图 9所示：相对探测效率随磁场强度减小而增大，最大能提高57%；渡越时间离散随磁场强度而减小，最多可下降11%。
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图 9 探测效率和渡越时间离散随磁场强度变化曲线 Figure 9 Relative detection efficiency & transit-time spread-magnetic field intensity curve. |
针对50.8cm大面积型PMT，分别利用高磁导材料和螺线管线圈来定性和定量屏蔽地磁场，建立了一套光电倍增管地磁场效应在线测试系统，实现了对光源发光强度、光斑尺寸、磁场强度的自动调节和阳极信号的实时采集和处理，系统具有较好的屏蔽效果和均匀性。利用该系统测试研究了在不同地磁场强度和光斑尺寸下PMT的阳极性能参数。
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