Photek多陽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公司開發出的一款多陽極光電倍增管,其采用微通道板作為增益介質,通道數最多可至4096個。該探測器采用方形設計。本文分析了探測器在增益、光陰極均勻性、單光子計時精度、計數率能力、抗串擾以及磁屏蔽等性能了分析。
關鍵詞:(真空)紫外、可見和紅外光子探測器;切連科夫探測器;計時探測器
1 引言
Photek是一家專業制造基于真空光電探測器的英國公司。多年來,其一直為慣性約束聚變診斷提供光電倍增管,這些設備在儀器響應函數、門控能力和動態范圍都有較好的性能。在這些設施中,PMT用于檢測多光子、低重復頻率的信號。
2012年,Photek開始開發一個新型的多陽極PMT。作為TORCH項目的一部分,該項目旨在為CERN 的LHCb升級提供新的粒子識別系統。因此必須采用方形設計,能夠長期工作,并能在單光子、高速模式下工作。該設備可以在一個維度上有嚴格的位置分辨率。工作壽命也是一個重要問題,Photek通過采用原子層沉積(ALD)對MCP孔的共形涂層,解決了這個問題,并驗證了累積的陽極電荷超過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%。
本文分析了這個新的MAPMT253的性能,其工作區域為53X53mm,總共64X64個陽極輸出。
項目 | MAPMT253 |
輸入窗材料 | 熔融石英或藍寶石 |
輸入窗厚度(mm) | 5.0 |
光陰極面積(mm) | 53X53 |
光陰極與MCP的間隙(mm) | 1.6 |
MCP與陽極的間隙(mm) | 3.0 |
MCP孔直徑(µm) | 15 |
裸管尺寸(mm) | 59X59X13 |
封裝管尺寸(mm) | 60X61X13 |
陽極分布 | 64X64 |
陽極間距(mm) | 0.828 |
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生產的光度計來評估光陰極響應的均勻性。該光度計使用寬帶紫外/可見/紅外光源和窄帶濾光片,光斑直徑為11mm。如圖1所示,分別測試5個不同的位置,然后進行對比測試。
圖1. MAPMT253的光陰極均勻性。
2.2 電子增益
雙MCP翼形疊層設計(Chevron Stack)可以有1X106電子增益,而且最多可達到3X106。因此我們可以獲得良好的單光子信號,同時有很強的計數率能力。Photek通過4路合并輸出的方式來分析8X8的陽極均勻性分布。圖2分別對中間和邊緣部分進行測試。增益的脈沖高度分布(PHD)直方圖如圖所示,四個通道的峰/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 單光子計時精度
MCP-PMT在單光子計時精度方面有著較好的優勢,其抖動在30皮秒(RMS)以內。我們仍采用8X8的采樣分析。實驗中使用Photek的LPG-650光源。波長在650nm,脈寬40ps(FWHM)。采用LeCroyWavemaster 808Zi-A示波器,測量每個通道。實驗中我們還用到PD010光電二極管來作為參考信號。在對這些曲線進行高斯擬合后,我們得到主峰的半寬度(FWHM)為31皮秒。如圖3所示:
圖3. MAPMT253的單光子計時精度。
4 計數率能力
Melikyan團隊對MAPMT253進行了進一步分析,評估在大信號電流情況下的獲取情況。他們測量了信號幅度與平均陽極電流的函數關系,并顯示MAPMT253具有的可擴展有用區域大于1μA.cm-2,相當于大于6M counts.s-1.cm-2。這可能是由于MAPMT253中使用的ALD涂層引起的。
5 抗串擾
在多陽極PMT測試中,一個關鍵參數是一個通道的信號有多少會滲入相鄰的陽極。對于這個測量,我們將LPG-650聚焦到約150微米的光斑大小,并在間距為0.828毫米的兩個陽極上進行掃描。信號采集使用64X8模式。單光子增益峰值為1.2X106,閾值為峰值的50%。結果如圖4顯示。
圖4. MAPMT253的細小間距串擾。
6 邊緣效應
MCP-PMT在非??拷婵辗庋b(即管壁)的信號接口,經常會受到周邊陽極信號的反射影響。我們通過只針對中心S5_5進行多光子脈沖照射,然后分析不同區域的噪聲影響。如圖5所示:
圖5 MAPMT253使用多光子脈沖測試邊緣效應
周邊陽極顯示出一個反轉的信號,其幅度約為主脈沖的3%。當多光子脈沖的幅度變化時,這一情況并未發生改變。由于拾取是反轉的,我們相信由于這種效應不會產生誤觸發的風險。中間陽極(S3_3)只顯示出一小部分的振蕩。
7 磁屏蔽能力
由于此類PMT常在強磁場下工作,而MCP的增益會隨著磁場增大而減小,并且孔徑越大越容易受到影響。在Argonne實驗室,Hattaway等進行了相關的磁場對增益的影響測試。
圖6. MAPMT253的磁場敏感性測試,顯示磁場對不同總PMT電壓下增益的影響(左圖)以及磁場角度的影響(右圖),在??4100V下操作,其中0表示與輸入窗口垂直。
在與友商比較后發現MAPMT253性能有更好的抗磁性能!
產品介紹
MAPMT253 多陽極MCP-PMT
特點:
1,430ps脈寬
2,渡越時間小于40ps
3,極低的暗計數
4,可定制陽極輸出
5,磁屏蔽性能*
主要應用:
1, 環成像切倫科夫實驗
2, 內反射切倫科夫探測
3, 閃爍、切倫科夫 光纖輸出
4, 光束監控
5, 時間分辨光譜
6, LIDAR
參考文獻:
“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