【聚焦光谱】Photek多阳极方形微通道光电倍增管性能介绍

文丨张亮

编辑丨瑞秋

发布丨先锋科技

Photek是一家专业制造基于真空光电探测器的英国公司。多年来，其一直为惯性约束聚变诊断提供光电倍增管，这些设备在仪器响应函数、门控能力和动态范围都有较好的性能。在这些设施中，PMT用于检测多光子、低重复频率的信号。

2012年，Photek开始开发一个新型的多阳极PMT。作为TORCH项目的一部分，该项目旨在为CERN 的LHCb升级提供新的粒子识别系统。因此必须采用方形设计，能够长期工作，并能在单光子、高速模式下工作。该设备可以在一个维度上有严格的位置分辨率。工作寿命也是一个重要问题，Photek通过采用原子层沉积（ALD）对MCP孔的共形涂层，解决了这个问题，并验证了累积的阳极电荷超过5C.cm^-2。这一涂层还可以将MCP收集效率从大约60%提高到大约90%。

本文分析了这个新的MAPMT253的性能，其工作区域为53X53mm，总共64X64个阳极输出。

光阴极面积为28.1cm²，较之通常的像管尺，18毫米、25毫米或40毫米直径大得多。我们使用了Photek生产的光度计来评估光阴极响应的均匀性。该光度计使用宽带紫外/可见/红外光源和窄带滤光片，光斑直径为11mm。如图1所示，分别测试5个不同的位置，然后进行对比测试。

双MCP翼形叠层设计（Chevron Stack）可以有1X10⁶电子增益，而且最多可达到3X10⁶。因此我们可以获得良好的单光子信号，同时有很强的计数率能力。Photek通过4路合并输出的方式来分析8X8的阳极均匀性分布。图2分别对中间和边缘部分进行测试。增益的脉冲高度分布（PHD）直方图如图所示，四个通道的峰/谷比大于4，增益的最小/最大比为1.5。

图2. MAPMT253的电子增益均匀性

MCP-PMT在单光子计时精度方面有着较好的优势，其抖动在30皮秒（RMS）以内。我们仍采用8X8的采样分析。实验中使用Photek的LPG-650光源。波长在650nm，脉宽40ps（FWHM）。采用LeCroyWavemaster 808Zi-A示波器，测量每个通道。实验中我们还用到PD010光电二极管来作为参考信号。在对这些曲线进行高斯拟合后，我们得到主峰的半宽度（FWHM）为31皮秒。如图3所示：

图3. MAPMT253的单光子计时精度

Melikyan团队对MAPMT253进行了进一步分析，评估在大信号电流情况下的获取情况。他们测量了信号幅度与平均阳极电流的函数关系，并显示MAPMT253具有的可扩展有用区域大于1μA.cm^-2，相当于大于6Mcounts.s^-1.cm^-2。这可能是由于MAPMT253中使用的ALD涂层引起的。

在多阳极PMT测试中，一个关键参数是一个通道的信号有多少会渗入相邻的阳极。对于这个测量，我们将LPG-650聚焦到约150微米的光斑大小，并在间距为0.828毫米的两个阳极上进行扫描。信号采集使用64X8模式。单光子增益峰值为1.2X10⁶，阈值为峰值的50%。结果如图4显示：

图4. MAPMT253的细小间距串扰

MCP-PMT在非常靠近真空封装（即管壁）的信号接口，经常会受到周边阳极信号的反射影响。我们通过只针对中心S5_5进行多光子脉冲照射，然后分析不同区域的噪声影响。如图5所示：

图5.MAPMT253使用多光子脉冲测试边缘效应

周边阳极显示出一个反转的信号，其幅度约为主脉冲的3%。当多光子脉冲的幅度变化时，这一情况并未发生改变。由于拾取是反转的，我们相信由于这种效应不会产生误触发的风险。中间阳极（S3_3）只显示出一小部分的振荡。

由于此类PMT常在强磁场下工作，而MCP的增益会随着磁场增大而减小，并且孔径越大越容易受到影响。在Argonne实验室，Hattaway等进行了相关的磁场对增益的影响测试。

图6. MAPMT253的磁场敏感性测试，显示磁场对不同总PMT电压下增益的影响（左图）以及磁场角度的影响（右图），在4100V下操作，其中0表示与输入窗口垂直

在与友商比较后发现MAPMT253性能有更好的抗磁性能！

参考文献：

“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.