大面積微通道板型光電倍增管測試裝置與測試方法與流程
2023-12-02 10:58:06 2
本發明涉及光電倍增管技術領域，具體而言涉及一種大面積微通道板型光電倍增管測試裝置與測試方法。
背景技術：
光電倍增管是一種將微弱的光信號轉換為電信號的真空器件，廣泛應用於光分析儀器、醫療儀器、石油測井、太空探測、高能物理、雷射應用等領域。涉及到國民經濟多個行業，尤其應用在「神州飛船」、「神光III」、「紫外通信」等重要工程項目中。
當前光電倍增管大多屬於傳統型光電倍增管，傳統的光電倍增管測試方法使用簡單三維旋轉掃描平臺測試，且生產所用的設備自動化程度不高、技術含量較低、產品附加值不高。隨著大面積、高增益、大動態範圍光電倍增管的需求增加，需要更新三維旋轉掃描平臺且相應的測試方法及測試系統需要提升與改進。
技術實現要素：
本發明目的在於提供一種大面積微通道板型光電倍增管測試裝置與測試方法，提高了系統的集成性。
為達成上述目的，本發明提出一種大面積微通道板型光電倍增管測試裝置，包括三維旋轉臺、高壓電源、單片機、信號發生器、VME控制器、NIM系統、工控機、光源以及積分球，其中：
單片機控制三維旋轉臺的電機轉動，進而控制三維旋轉臺的轉動和燈架的轉動，燈架上安裝光源；
信號發生器用於控制測試裝置的光源，光源通過積分球產生均勻照度的光，再通過一分兩路光纖給三維旋轉臺上的待測管和暗箱校準管，兩光纖之間的出光均勻性大於95％；
高壓電源利用分壓器對光電倍增管各極供電，各極間電壓由分壓器的分壓比決定；
NIM系統用於讀取光電倍增管的信號，再通過VME系統控制V965電荷數字轉換器實現模數轉換，從而將採集的數據傳遞到工控機中進行處理；
基於VME控制器和圖形編譯軟體LabVIEW在工控機的系統環境中對採集的數據進行分析及記錄。
進一步的實施例中，使用暗箱、皮安表、信號發生器、高壓電源，測試大面積光電倍增管的量子效率。
進一步的實施例中，使用暗箱、VME控制器、示波器、信號發生器、高壓電源，測試光電倍增管的單光電子譜，從而刻度出大面積光電倍增管的增益、峰谷比、能量解析度、相對探測效率、相對收集效率。
進一步的實施例中，使用暗箱、NIM系統、高壓電源，測試大面積光電倍增管的暗計數。
進一步的實施例中，使用暗箱、示波器、VME控制器、高壓電源，測試大面積光電倍增管的時間參數，包括上升時間、下降時間、渡越時間漲落。
進一步的實施例中，使用三維旋轉臺、VME控制器、示波器、信號發生器、高壓電源，完成均勻性掃描測試，包括：大面積光電倍增管的光陰極量子效率均勻性、增益均勻性、峰谷比均勻性、探測效率均勻性、收集效率均勻性。
本發明與現有技術相比，其顯著優點是：
1、將光電倍增管量子效率、量子效率的均勻性、增益、增益均勻性、峰谷比、峰谷比的均勻性、能量解析度、暗計數、探測效率、探測效率的均勻性、上升時間、下降時間、渡越漲落時間等集成到一臺測試設備中，設備自動化程度更高；
2、採用三維旋轉臺控制系統，相對之前的手動測試系統，更加準確測試光電倍增管參數，完善了大面積光電倍增管性能測試與評估系統。
應當理解，前述構思以及在下面更加詳細地描述的額外構思的所有組合只要在這樣的構思不相互矛盾的情況下都可以被視為本公開的發明主題的一部分。另外，所要求保護的主題的所有組合都被視為本公開的發明主題的一部分。
結合附圖從下面的描述中可以更加全面地理解本發明教導的前述和其他方面、實施例和特徵。本發明的其他附加方面例如示例性實施方式的特徵和/或有益效果將在下面的描述中顯見，或通過根據本發明教導的具體實施方式的實踐中得知。
附圖說明
附圖不意在按比例繪製。在附圖中，在各個圖中示出的每個相同或近似相同的組成部分可以用相同的標號表示。為了清晰起見，在每個圖中，並非每個組成部分均被標記。現在，將通過例子並參考附圖來描述本發明的各個方面的實施例，其中：
圖1是根據本發明某些實施例的大面積微通道板型光電倍增管測試裝置的示意圖。
具體實施方式
為了更了解本發明的技術內容，特舉具體實施例並配合所附圖式說明如下。
在本公開中參照附圖來描述本發明的各方面，附圖中示出了許多說明的實施例。本公開的實施例不必定意在包括本發明的所有方面。應當理解，上面介紹的多種構思和實施例，以及下面更加詳細地描述的那些構思和實施方式可以以很多方式中任意一種來實施，這是因為本發明所公開的構思和實施例並不限於任何實施方式。另外，本發明公開的一些方面可以單獨使用，或者與本發明公開的其他方面的任何適當組合來使用。
結合圖1所示，根據本發明的實施例，一種大面積微通道板型光電倍增管測試裝置，包括三維旋轉臺、高壓電源、單片機、皮安表、信號發生器、示波器、VME控制器、NIM系統、工控機、光源、積分球以及被測試的大面積微通道板型光電倍增管。
單片機控制三維旋轉臺的電機轉動，進而控制三維旋轉臺的轉動和燈架的轉動，燈架上安裝光源。
信號發生器用於控制測試裝置的光源，光源通過積分球產生均勻照度的光，再通過一分兩路光纖給三維旋轉臺上的待測管和暗箱校準管，兩光纖之間的出光均勻性大於95％。
高壓電源利用分壓器對光電倍增管各極供電，各極間電壓由分壓器的分壓比決定。
NIM系統用於讀取光電倍增管的信號，再通過VME系統控制V965電荷數字轉換器實現模數轉換，從而將採集的數據傳遞到工控機中進行處理。
基於VME控制器和圖形編譯軟體LabVIEW在工控機的系統環境中對採集的數據進行分析及記錄。
在測試過程中，使用暗箱、皮安表、信號發生器、高壓電源，測試大面積光電倍增管的量子效率。
使用暗箱、VME控制器、示波器、信號發生器、高壓電源，測試光電倍增管的單光電子譜，從而刻度出大面積光電倍增管的增益、峰谷比、能量解析度、相對探測效率、相對收集效率。
使用暗箱、NIM系統、高壓電源，測試大面積光電倍增管的暗計數。
使用暗箱、示波器、VME控制器、高壓電源，測試大面積光電倍增管的時間參數，包括上升時間、下降時間、渡越時間漲落。
使用三維旋轉臺、VME控制器、示波器、信號發生器、高壓電源，完成均勻性掃描測試，包括：大面積光電倍增管的光陰極量子效率均勻性、增益均勻性、峰谷比均勻性、探測效率均勻性、收集效率均勻性。
下面更加具體地說明利用前述測試裝置進行測試的過程。
測試工作過程總體如下：
第一步：打開測試裝置，將微通道板型光電倍增管置於旋轉控制臺內；
第二步：通過分壓器將高壓電源的高壓合理的分配給光電倍增管的各個部分；
第三步：打開旋轉臺控制系統，控制旋臺光源的開關、轉動的方向及弧形燈架的轉動；
第四步：連接不同的測試設備，測試微通道板型光電倍增管的多個參數。
針對需要的參數進行軟體設計，測試程序是基於MFC和LabVIEW環境下編寫的，其中MFC是微軟公司實現的一個C++類庫，主要封裝了大部分的window API函數，LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器(NI)公司研製開發，可以方便地創建用戶界面。
1)測試陰極量子效率
測試步驟：
步驟1、將微通道板型光電倍增管放置在旋轉暗箱的支撐架上，關好暗箱門，關閉外界光源；
步驟2、打開光源，波長為420nm，連接皮安表，打開量子效率測試軟體，測試光電倍增管的量子效率；
測試原理：測試420nm的波長光照下的量子效率
式中：Skr—陰極輻射靈敏度
Ik—陰極光電流
φk—輻通量
λ—波長
(2)平均量子效率及量子效率的均勻性
測試原理：以光電倍增管頂點為中心，測試10圈，每圈16個點，根據不同量子效率值選擇不同的顏色表示，可得到量子效率均勻性的圖。
測試步驟：
步驟1、將光電倍增管水平放置在旋轉測試臺中，打開旋轉臺控制系統，轉動旋轉臺，使鋁膜朝外，轉動燈架使其處於頂部90度的位置
步驟2、陰極和聚焦極分別接到電流表輸入和高壓輸出線上，關閉暗箱門。
步驟3、將校準樣管放置在測試暗箱中，對準光纖，校準管陰極和聚焦極分別接到電流表輸入和高壓輸出線上，關閉暗箱門。
步驟4、調節光源驅動信號，頻率1kHz、佔空比99％、調節信號幅度使待測管輸出光電流為1/10*QE*100nA；
步驟5、打開量子效率均勻性測試軟體，準確填寫管號、頂部量子效率值及測試條件，開始測試。
(3)增益、單光電子譜峰谷比
增益測試原理：測量光電倍增管單光電子譜，單光電子譜有兩個高斯峰，電子學臺階峰和單光電子脈衝電荷分布峰，峰位分別為Xped和Xsig，測試儀器每道電荷量為q(V965q值是25fC)，則電子增益為：
其中，e為電子電荷量。
當增益不是1×107時，在光電倍增工作電壓範圍內，適當調節光電倍增管的工作電壓大小，使光電倍增管工作在增益為1×107狀態下。
單光電子譜峰谷比測試原理：信號發生器產生的脈衝頻率為1kHz，脈衝寬度為10ns，作為LED的驅動電壓，LED波長選擇405nm。通過調節LED的驅動脈衝電壓幅度，使得電荷譜的光電子信號計數與總計數比例為0.1。
測量光電倍增管工作在1×107電子增益下的單光電子譜，單光電子譜有兩個高斯峰，一個為電子學臺階峰，另一個為單光電子脈衝電荷分布峰，單光電子脈衝電荷分布峰的峰值計數為np，兩個峰之間谷位置計數為nv，則峰谷比P/V為：
P/V＝np/nv...........................................................(5)
測試步驟：
步驟1、開啟VME機箱，穩定5min後開始測量單光電子譜；
步驟2、將光電倍增管放置在旋轉臺支架上，管芯連接好分壓器，分壓器陽極信號線接到示波器的輸入端，電壓輸入端接到高壓電源輸出線上，關好暗箱門。
步驟3、將信號線另一頭連接到示波器上，轉動高壓電源按鈕，給光電倍增管提供負高壓，查看示波器的信號，使示波器上觀察到的信號幅度為20mV。。
步驟4、信號發生器輸出同步觸發門信號和光源脈衝驅動信號，並將信號線和門信號線連接到測試插件相應埠，啟動測試。
步驟5、調節高壓電源輸出電壓使增益值為1×107，測試光電倍增管的單光峰谷比。
(4)暗計數率
暗計數測試原理：光電倍增管在無光輸入狀態下連續工作時間大於2h後方可進行暗噪聲計數測試。使用低閾甄別器配合定標器測試光電倍增管暗噪聲計數，低閾甄別器閾值設置為2mV，定標器測試時間設置為100s，定標器測試值除以100的值為光電倍增管每秒的暗噪聲計數。
測試步驟：
步驟1、開啟NIM低閾甄別器，將光電倍增管放置在旋轉臺支架上，管芯連接好分壓器，分壓器陽極信號線接到示波器的輸入端，電壓輸入端接到高壓電源輸出線上，關好暗箱門。
步驟2、調節光電倍增管工作電壓至增益為1×107，關閉光源，無光環境下連續工作2h以後開始測試暗計數。
步驟3.將信號線連接到閾值甄別器2mv檔，按下計數插件開始按鈕開始測試，測試時間100s。
步驟4、測試結束後，計數停止，計數值/100s得到暗計數率。
(5)時間參數
1)信號上升時間
指信號前沿從幅度值的10％上升到90％的時間
2)信號下降時間
指信號後沿從幅度值的90％下降到10％的時間
3)渡越時間漲落
指陰極面發射的電子渡越到陽極的時間漲落，實際測量時以輸出脈衝時間分布高斯的半高寬來度量。
測試步驟：
步驟1、將光電倍增管放在旋轉臺支撐架上
步驟2、調節光電倍增管工作電壓至增益為1×107調節光源驅動脈衝幅度大小使單光電子信號的計數與總計數的比例為2:10。
步驟3、將信號輸出線連接到示波器輸入埠。
步驟4、打開時間參數測試軟體，開始時間參數測試。
(6)探測效率、探測效率均勻性
測試原理：對比頂部量子效率為QE0、探測效率為DE0的標準光電倍增管測試被測光電倍增管某一個點的量子效率QEi，並使用標準光電倍增管和被測光電倍增管對量子效率為QEi點分別探測同一光源，在相同時間內探測到的光子數分別為n0和ni，則被測光電倍增管該點的收集效率CEi為：
按照陰極區域Si，測試各區域收測效率CEi，光電倍增管探測效率DEi：
DEi＝CEi*QEi.................................................(7)
其中，S總是光電倍增管上半橢球面積，Si是第i塊陰極區域面積。
步驟1、將標準樣管放置在暗箱中，待測管放置在旋轉臺支撐架上，連接好分壓器、信號線、電源線，關閉暗箱門；
步驟2、打開旋轉臺控制系統，轉動旋轉臺，使鋁膜朝外，轉動燈架使其處於頂部90度的位置；
步驟3、標準樣管R12860接正高壓電源，調節電壓至增益為1×107(使用標準分壓器工作電壓)；
步驟4、調節門信號與光源脈衝驅動信號之間延遲時間，使標準管信號與待測管信號均在門信號內；
步驟5、啟動相對收集效率測試過程，每個點測試其光計數及暗計數，燈架自動轉動到下個點，測試10圈，每圈16個點，得到探測效率均勻性圖。
(7)前脈衝比例、後脈衝比例
前脈衝比例測試原理：光電倍增管工作在1×107增益、單光電子輸入狀態下，使用示波器(或其它設備)測試光電倍增管前脈衝比例。使用與光源驅動脈衝同步脈衝信號作為示波器的觸發信號，使光電倍增管輸出的單光電子信號(主脈衝)與示波器觸發信號在時間一致。以大於4mV、小於20mV為閾值挑選單光電子信號，以單光電子信號上升沿半高點時間為to時間，統計1000個單光電子信號前t0到t0-80ns時間窗內出現幅度大於2mV的前脈衝數量np。前脈衝比例ηp：
其中，ηp是前脈衝比例，nn是1000個單光電子信號前面t0到t0-80ns時間窗內出現的暗噪聲數量。
nn＝1000×80×fn×10-9..............................(10)
其中，fn是光電倍增管暗噪聲計數率。
後脈衝比例測試原理：按光電倍增管工作在1×107增益、單光電子輸入狀態下，使用示波器測試光電倍增管前脈衝比例。使用與光源驅動脈衝同步脈衝信號作為示波器的觸發信號，使光電倍增管輸出的單光電子信號(主脈衝)與示波器觸發信號在時間一致。以大於4mV、小於20mV為閾值挑選單光電子信號，以單光電子信號上升沿半高點時間為t0時間，統計1000個單光電子信號後面to+500ns到to+20us時間窗內出現幅度大於2mV的後脈衝數量nf。後脈衝比例ηf
其中，nf是後脈衝比例，nn是1000個單光電子信號後面to+500ns到to+20us時間窗內出現的暗噪聲數量。
nn＝1000×199890×fn×10-9......................................(12)
其中，fn是光電倍增管暗噪聲計數率。
測試步驟：
步驟1、將光電倍增管放在旋轉臺支撐架上，連接好分壓器、信號線、電源線，關閉暗箱門；
步驟2、調節待測管工作電壓使其增益為1×107，將信號輸出線連接到示波器輸入埠。
步驟3、調整脈衝信號與門信號之間延遲時間，使主峰位置與門信號下降沿同步。
步驟4、打開前後脈衝測試軟體，開始測試。
本發明的測試裝置可以很好的完成大面積微通道板型光電倍增管的測試工作，將多種參數的測試集成到一個測試設備中，較好的實現自動化的測試，解決了當前測試系統不準確、測試裝置繁雜等問題，提高了系統的針對性。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護範圍當視權利要求書所界定者為準。