Photek多陽(yáng)極方形微通道光電倍增管（Microchannel Plate PMT）性能介紹

摘要：本文介紹Photek公司開發(fā)出的一款多陽(yáng)極光電倍增管，其采用微通道板作為增益介質(zhì)，通道數(shù)最多可至4096個(gè)。該探測(cè)器采用方形設(shè)計(jì)。本文分析了探測(cè)器在增益、光陰極均勻性、單光子計(jì)時(shí)精度、計(jì)數(shù)率能力、抗串?dāng)_以及磁屏蔽等性能了分析。

關(guān)鍵詞：（真空）紫外、可見和紅外光子探測(cè)器；切連科夫探測(cè)器；計(jì)時(shí)探測(cè)器

1 引言

Photek是一家專業(yè)制造基于真空光電探測(cè)器的英國(guó)公司。多年來(lái)，其一直為慣性約束聚變?cè)\斷提供光電倍增管，這些設(shè)備在儀器響應(yīng)函數(shù)、門控能力和動(dòng)態(tài)范圍都有較好的性能。在這些設(shè)施中，PMT用于檢測(cè)多光子、低重復(fù)頻率的信號(hào)。

2012年，Photek開始開發(fā)一個(gè)新型的多陽(yáng)極PMT。作為TORCH項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目旨在為CERN 的LHCb升級(jí)提供新的粒子識(shí)別系統(tǒng)。因此必須采用方形設(shè)計(jì)，能夠長(zhǎng)期工作，并能在單光子、高速模式下工作。該設(shè)備可以在一個(gè)維度上有嚴(yán)格的位置分辨率。工作壽命也是一個(gè)重要問(wèn)題，Photek通過(guò)采用原子層沉積（ALD）對(duì)MCP孔的共形涂層，解決了這個(gè)問(wèn)題，并驗(yàn)證了累積的陽(yáng)極電荷超過(guò)5C.cm-2。這一涂層還可以將MCP收集效率從大約60%提高到大約90%。

本文分析了這個(gè)新的MAPMT253的性能，其工作區(qū)域?yàn)?3X53mm，總共64X64個(gè)陽(yáng)極輸出。

2 均勻性

2.1 光陰極

光陰極面積為28.1cm2，較之通常的像管尺，18毫米、25毫米或40毫米直徑大得多。我們使用了Photek生產(chǎn)的光度計(jì)來(lái)評(píng)估光陰極響應(yīng)的均勻性。該光度計(jì)使用寬帶紫外/可見/紅外光源和窄帶濾光片，光斑直徑為11mm。如圖1所示，分別測(cè)試5個(gè)不同的位置，然后進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

圖1. MAPMT253的光陰極均勻性。

2.2 電子增益

雙MCP翼形疊層設(shè)計(jì)（Chevron Stack）可以有1X106電子增益，而且最多可達(dá)到3X106。因此我們可以獲得良好的單光子信號(hào)，同時(shí)有很強(qiáng)的計(jì)數(shù)率能力。Photek通過(guò)4路合并輸出的方式來(lái)分析8X8的陽(yáng)極均勻性分布。圖2分別對(duì)中間和邊緣部分進(jìn)行測(cè)試。增益的脈沖高度分布（PHD）直方圖如圖所示，四個(gè)通道的峰/谷比大于4，增益的最小/最大比為1.5.

圖2. MAPMT253的電子增益均勻性。

3 單光子計(jì)時(shí)精度

MCP-PMT在單光子計(jì)時(shí)精度方面有著較好的優(yōu)勢(shì)，其抖動(dòng)在30皮秒（RMS）以內(nèi)。我們?nèi)圆捎?X8的采樣分析。實(shí)驗(yàn)中使用Photek的LPG-650光源。波長(zhǎng)在650nm，脈寬40ps（FWHM）。采用LeCroyWavemaster 808Zi-A示波器，測(cè)量每個(gè)通道。實(shí)驗(yàn)中我們還用到PD010光電二極管來(lái)作為參考信號(hào)。在對(duì)這些曲線進(jìn)行高斯擬合后，我們得到主峰的半寬度（FWHM）為31皮秒。如圖3所示：

圖3. MAPMT253的單光子計(jì)時(shí)精度。

4 計(jì)數(shù)率能力

Melikyan團(tuán)隊(duì)對(duì)MAPMT253進(jìn)行了進(jìn)一步分析，評(píng)估在大信號(hào)電流情況下的獲取情況。他們測(cè)量了信號(hào)幅度與平均陽(yáng)極電流的函數(shù)關(guān)系，并顯示MAPMT253具有的可擴(kuò)展有用區(qū)域大于1μA.cm-2，相當(dāng)于大于6M counts.s-1.cm-2。這可能是由于MAPMT253中使用的ALD涂層引起的。

5 抗串?dāng)_

在多陽(yáng)極PMT測(cè)試中，一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是一個(gè)通道的信號(hào)有多少會(huì)滲入相鄰的陽(yáng)極。對(duì)于這個(gè)測(cè)量，我們將LPG-650聚焦到約150微米的光斑大小，并在間距為0.828毫米的兩個(gè)陽(yáng)極上進(jìn)行掃描。信號(hào)采集使用64X8模式。單光子增益峰值為1.2X106，閾值為峰值的50%。結(jié)果如圖4顯示。

圖4. MAPMT253的細(xì)小間距串?dāng)_。

6 邊緣效應(yīng)

MCP-PMT在非常靠近真空封裝（即管壁）的信號(hào)接口，經(jīng)常會(huì)受到周邊陽(yáng)極信號(hào)的反射影響。我們通過(guò)只針對(duì)中心S5_5進(jìn)行多光子脈沖照射，然后分析不同區(qū)域的噪聲影響。如圖5所示：

圖5 MAPMT253使用多光子脈沖測(cè)試邊緣效應(yīng)

周邊陽(yáng)極顯示出一個(gè)反轉(zhuǎn)的信號(hào)，其幅度約為主脈沖的3%。當(dāng)多光子脈沖的幅度變化時(shí)，這一情況并未發(fā)生改變。由于拾取是反轉(zhuǎn)的，我們相信由于這種效應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生誤觸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。中間陽(yáng)極（S3_3）只顯示出一小部分的振蕩。

7 磁屏蔽能力

由于此類PMT常在強(qiáng)磁場(chǎng)下工作，而MCP的增益會(huì)隨著磁場(chǎng)增大而減小，并且孔徑越大越容易受到影響。在Argonne實(shí)驗(yàn)室，Hattaway等進(jìn)行了相關(guān)的磁場(chǎng)對(duì)增益的影響測(cè)試。

圖6. MAPMT253的磁場(chǎng)敏感性測(cè)試，顯示磁場(chǎng)對(duì)不同總PMT電壓下增益的影響（左圖）以及磁場(chǎng)角度的影響（右圖），在??4100V下操作，其中0表示與輸入窗口垂直。

在與友商比較后發(fā)現(xiàn)MAPMT253性能有更好的抗磁性能！

產(chǎn)品介紹

MAPMT253 多陽(yáng)極MCP-PMT

特點(diǎn)： 

      1，430ps脈寬

      2，渡越時(shí)間小于40ps

      3，極低的暗計(jì)數(shù)

      4，可定制陽(yáng)極輸出

      5，磁屏蔽性能*

 主要應(yīng)用：

1，       環(huán)成像切倫科夫?qū)嶒?yàn)

2，       內(nèi)反射切倫科夫探測(cè)

3，       閃爍、切倫科夫 光纖輸出

4，       光束監(jiān)控

5，       時(shí)間分辨光譜

6，       LIDAR

參考文獻(xiàn)：

“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