Photek多(duō)陽(yáng)極(jí)方形微通道光(guāng)電倍(bèi)增(zēng)管（Microchannel Plate PMT）性(xìng)能介紹

摘要(yào)：本(běn)文介紹Photek公(gōng)司(sī)開發出(chū)的(dí)一(yī)款多陽(yáng)極光電倍(bèi)增管，其采用微通道板作為增(zēng)益介質(zhì)，通(tōng)道數最(zuì)多可(kě)至(zhì)4096個。該探測器采(cǎi)用(yòng)方(fāng)形設計(jì)。本(běn)文分析了(liǎo)探(tàn)測(cè)器在增益，光陰極均(jūn)匀性，單(dān)光(guāng)子計(jì)時精度，計數率能力，抗(kàng)串(chuàn)擾以及磁屏(píng)蔽等(děng)性(xìng)能了(liǎo)分(fēn)析。

關鍵詞：（真(zhēn)空(kōng)）紫(zǐ)外(wài)，可見和紅(hóng)外光(guāng)子(zǐ)探(tàn)測器；切(qiē)連(lián)科夫探測(cè)器(qì)；計時探測(cè)器

1 引(yǐn)言(yán)

Photek是(shì)一(yī)家專(zhuān)業製造基於真空(kōng)光(guāng)電探(tàn)測器(qì)的(dí)英國(guó)公司。多(duō)年來，其一直為慣性約束聚變診斷提供(gōng)光(guāng)電(diàn)倍增管，這些設備(bèi)在(zài)儀器(qì)響應函數(shù)，門控(kòng)能力(lì)和動(dòng)態範(fàn)圍(wéi)都(dū)有(yǒu)較好的(dí)性能(néng)。在這些(xiē)設(shè)施(shī)中，PMT用(yòng)於檢測(cè)多(duō)光(guāng)子(zǐ)，低重(zhòng)復(fù)頻率(shuài)的信(xìn)號。

2012年(nián)，Photek開始(shǐ)開(kāi)發(fā)一(yī)個新(xīn)型(xíng)的多(duō)陽極PMT。作(zuò)為TORCH項(xiàng)目(mù)的(dí)一部(bù)分，該項目旨(zhǐ)在為CERN 的LHCb升(shēng)級提供(gōng)新(xīn)的粒子(zǐ)識別係統(tǒng)。因此必須采用(yòng)方形設計，能夠(gòu)長期(qī)工(gōng)作，並能在單光子(zǐ)，高速模(mó)式(shì)下工作。該設備可(kě)以(yǐ)在一個(gè)維度(dù)上有(yǒu)嚴格(gé)的(dí)位置(zhì)分(fēn)辨率。工作(zuò)壽命也是(shì)一個重(zhòng)要(yào)問題，Photek通(tōng)過采(cǎi)用原子(zǐ)層(céng)沉積（ALD）對(duì)MCP孔的共形塗(tú)層(céng)，解決(jué)了(liǎo)這個(gè)問(wèn)題，並驗(yàn)證(zhèng)了(liǎo)累(léi)積(jī)的陽(yáng)極(jí)電(diàn)荷超(chāo)過(guò)5C.cm-2。這一塗層還可以將(jiāng)MCP收集效率從大(dà)約60%提高到(dào)大(dà)約(yuē)90%。

本文(wén)分(fēn)析了這(zhè)個(gè)新的(dí)MAPMT253的性能，其工(gōng)作區域為(wéi)53X53mm，總共(gòng)64X64個陽極輸(shū)出(chū)。

2 均(jūn)匀性

2.1 光(guāng)陰極

光陰(yīn)極(jí)麵(miàn)積為28.1cm2，較之(zhī)通(tōng)常(cháng)的(dí)像管(guǎn)尺(chǐ)，18毫(háo)米，25毫(háo)米或40毫米直徑(jìng)大得多。我(wǒ)們使(shǐ)用了(liǎo)Photek生產(chǎn)的(dí)光度(dù)計來評估(gū)光陰極(jí)響應的均匀性。該(gāi)光度計使用寬(kuān)帶紫外/可見/紅外(wài)光源和(hé)窄帶濾(lǜ)光片，光(guāng)斑直徑(jìng)為11mm。如圖(tú)1所示(shì)，分(fēn)別測試5個不(bù)同的位(wèi)置(zhì)，然後進(jìn)行對(duì)比測試(shì)。

圖(tú)1. MAPMT253的光(guāng)陰(yīn)極(jí)均匀性。

2.2 電子增益(yì)

雙MCP翼形(xíng)疊層(céng)設計(jì)（Chevron Stack）可以有1X106電(diàn)子(zǐ)增益，而且最(zuì)多(duō)可達(dá)到(dào)3X106。因此(cǐ)我們可(kě)以(yǐ)獲得(dé)良好的單光(guāng)子(zǐ)信(xìn)號，同時有(yǒu)很強的(dí)計數率(shuài)能(néng)力。Photek通過4路(lù)合(hé)並(bìng)輸出的方(fāng)式(shì)來分(fēn)析8X8的(dí)陽極(jí)均匀(yún)性(xìng)分布。圖(tú)2分別對中間(jiān)和邊緣部分(fēn)進行測(cè)試。增(zēng)益的脈(mài)衝(chōng)高(gāo)度分(fēn)布(bù)（PHD）直方圖如圖所示，四(sì)個通(tōng)道的峰/穀比(bǐ)大於4，增益(yì)的最(zuì)小(xiǎo)/最(zuì)大(dà)比為1.5.

圖(tú)2. MAPMT253的(dí)電子(zǐ)增益均(jūn)匀(yún)性。

3 單光子(zǐ)計時(shí)精度

MCP-PMT在(zài)單光子計時(shí)精(jīng)度(dù)方麵(miàn)有著較好(hǎo)的(dí)優勢(shì)，其(qí)抖(dǒu)動(dòng)在30皮秒(miǎo)（RMS）以(yǐ)內。我們仍采用8X8的(dí)采樣(yàng)分(fēn)析。實驗中使用Photek的(dí)LPG-650光(guāng)源(yuán)。波長(cháng)在650nm，脈(mài)寬40ps（FWHM）。采用LeCroyWavemaster 808Zi-A示波器(qì)，測(cè)量每個通(tōng)道。實(shí)驗(yàn)中(zhōng)我們(mén)還用到(dào)PD010光(guāng)電(diàn)二極管來作為參考信號(hào)。在對這(zhè)些曲(qū)綫(xiàn)進行高斯擬合後，我們(mén)得(dé)到主峰的(dí)半(bàn)寬(kuān)度（FWHM）為(wéi)31皮(pí)秒(miǎo)。如(rú)圖(tú)3所(suǒ)示(shì)：

圖3. MAPMT253的(dí)單光(guāng)子計時(shí)精(jīng)度。

4 計數率能力

Melikyan團隊對MAPMT253進行(háng)了進一(yī)步分析，評(píng)估在大信號(hào)電(diàn)流情(qíng)況(kuàng)下的獲取情(qíng)況(kuàng)。他們測(cè)量了信號(hào)幅度與平均(jūn)陽極電(diàn)流的(dí)函(hán)數(shù)關係，並顯(xiǎn)示(shì)MAPMT253具有(yǒu)的(dí)可擴展有用區(qū)域(yù)大於1μA.cm-2，相(xiāng)當於大於6M counts.s-1.cm-2。這(zhè)可能(néng)是(shì)由於MAPMT253中使用(yòng)的(dí)ALD塗層引起(qǐ)的(dí)。

5 抗(kàng)串(chuàn)擾(rǎo)

在(zài)多陽極PMT測(cè)試中，一個(gè)關鍵參數(shù)是一個(gè)通道(dào)的(dí)信號有多少(shǎo)會(huì)滲(shèn)入相(xiāng)鄰的陽(yáng)極。對於(yú)這個(gè)測量，我(wǒ)們將LPG-650聚(jù)焦到(dào)約150微米的光(guāng)斑(bān)大(dà)小(xiǎo)，並(bìng)在間距(jù)為(wéi)0.828毫米(mǐ)的兩個(gè)陽極上(shàng)進行掃(sǎo)描。信號采集(jí)使用64X8模式(shì)。單光子(zǐ)增(zēng)益峰值(zhí)為(wéi)1.2X106，閾值為峰值的(dí)50%。結(jié)果如圖4顯(xiǎn)示。

圖(tú)4. MAPMT253的(dí)細小間(jiān)距(jù)串擾(rǎo)。

6 邊緣(yuán)效(xiào)應(yīng)

MCP-PMT在(zài)非常靠(kào)近真(zhēn)空(kōng)封(fēng)裝（即管(guǎn)壁）的(dí)信號(hào)接口(kǒu)，經(jīng)常會受(shòu)到周(zhōu)邊(biān)陽(yáng)極信號的反射(shè)影(yǐng)響。我們通過(guò)隻針對中心S5_5進行(háng)多(duō)光(guāng)子脈衝照(zhào)射(shè)，然(rán)後分析(xī)不同區域的噪聲影響(xiǎng)。如圖(tú)5所示：

圖5 MAPMT253使(shǐ)用多光子(zǐ)脈衝測試邊緣效應(yīng)

周(zhōu)邊陽極顯(xiǎn)示出一(yī)個反轉的(dí)信(xìn)號(hào)，其(qí)幅(fú)度約為主脈(mài)衝的(dí)3%。當(dāng)多(duō)光(guāng)子(zǐ)脈衝的(dí)幅度(dù)變化時，這一情況(kuàng)並未發(fā)生改變。由於拾(shí)取是(shì)反轉(zhuǎn)的，我們相信(xìn)由(yóu)於這(zhè)種效(xiào)應(yīng)不會產(chǎn)生誤觸(chù)發(fā)的風險。中(zhōng)間(jiān)陽(yáng)極（S3_3）隻顯示(shì)出一小(xiǎo)部(bù)分的振蕩。

7 磁屏蔽(bì)能力(lì)

由於(yú)此(cǐ)類(lèi)PMT常在(zài)強(qiáng)磁(cí)場下(xià)工作，而MCP的增益(yì)會(huì)隨著磁場增大(dà)而減(jiǎn)小，並且孔徑越(yuè)大(dà)越容易受到(dào)影(yǐng)響(xiǎng)。在(zài)Argonne實(shí)驗室，Hattaway等(děng)進行(háng)了相關(guān)的磁(cí)場對增(zēng)益的影響測試。

圖6. MAPMT253的磁場(cháng)敏(mǐn)感(gǎn)性測(cè)試，顯示(shì)磁場對不(bù)同總PMT電壓(yā)下增益的影(yǐng)響(xiǎng)（左圖(tú)）以及(jí)磁場(cháng)角(jiǎo)度的(dí)影(yǐng)響（右圖(tú)），在􀀀4100V下(xià)操(cāo)作，其中0表示(shì)與輸入窗口垂(chuí)直。

在與(yǔ)友商(shāng)比較後發(fā)現MAPMT253性能(néng)有(yǒu)更好的(dí)抗(kàng)磁性能！

產品介(jiè)紹

MAPMT253 多陽極MCP-PMT

特(tè)點： 

      1，430ps脈(mài)寬

      2，渡越時(shí)間小於40ps

      3，極(jí)低(dī)的暗計(jì)數

      4，可(kě)定(dìng)製陽極輸出

      5，磁(cí)屏(píng)蔽性能*

 主要應用(yòng)：

1，       環成像(xiàng)切倫科夫實驗

2，       內(nèi)反射(shè)切倫(lún)科夫(fū)探(tàn)測(cè)

3，       閃(shǎn)爍(shuò)，切倫科(kē)夫 光纖輸出

4，       光束(shù)監(jiān)控

5，       時間分辨(biàn)光(guāng)譜(pǔ)

6，       LIDAR

參考(kǎo)文(wén)獻：

“Multi-Anode Square Microchannel Plate Photomultiplier Tube “Milnes, J. S. ; Conneely, T. M. ; Hink, P. ; Slatter, C. ; Xie, J. ; May, E.,Journal of Instrumentation, Volume 15, Issue 02, pp. C02036 ,DOI:10.1088/1748-0221/15/02/C02036