CN107560830A - 大面积微通道板型光电倍增管测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供本一种大面积微通道板型光电倍增管测试装置，该装置包括光源系统、电子学系统、暗室和计算机。光源系统通过积分球和一分多路光纤，将一个光源发出的光，均匀输送到多个光源转化装置，光源转化装置接收光纤的点光源，输出均匀的面光源，面光源照亮大尺寸光电倍增的全部阴极面；结合电子学系统和计算机测试软件实现同时测试多个大尺寸光电倍增管的整管性能。本发明能很好的完成大尺寸光电倍增管整管性能的批量测试工作，提高大尺寸光电倍增管测试环境与使用环境的符合性，以及批量测试效率，弥补点光源测试系统的局限性和基于点光源的扫描测试系统的效率低。

Description

大面积微通道板型光电倍增管测试装置

技术领域

本发明涉及光电倍增管技术领域，具体而言涉及一种大面积微通道板型光电倍增管测试装置。

背景技术

光电倍增管是一种将微弱的光信号转换为电信号的真空器件，广泛应用于光分析仪器、医疗仪器、石油测井、太空探测、高能物理、激光应用等领域。涉及到国民经济多个行业，尤其应用“神州飞船”、“神光III”、“紫外通信”、“小弹头”、“052导弹驱逐舰”、中微子探测等重要工程。

随着中微子探测实验的增加，对大尺寸光电倍增管需求越来越大，尤其对20英寸的光电倍增管。由中国科学院高能物理研究所牵头的江门中微子探测试验，中心探测器需要20000只20英寸光电倍增管，日本超级神岗中微子探测试验将采用40000只20英寸光电倍增管作为重要探测器。在江门中微子探测试验的需求下，我国已经研究并建立了批量生产20英寸光电倍增管的生产线。

当前我国生产的光电倍增管基本上都是小尺寸光电倍增管，小尺寸的光电倍增管传统上使用点光源测试，所用的设备自动化程度不高、技术含量较低、批量测试简单。大尺寸光电倍增管阴极面很大，从生产工艺上不能保证所有阴极面的性能是一致的，因此在点光源下测试的结果，只能代表受光点的性能，不能很好的反应整管的性能；大尺寸光电倍增管阴极到倍增极距离很大，电子从阴极聚焦到倍增极的过程中受地磁场影响很大，传统的光电倍增管测试装置无法准确测试大尺寸光电倍增管的性能；大尺寸光电倍增管体积大，传统的光电倍增管测试装置，测试空有限，无法实现大尺寸光电倍增管的批量测试。

发明内容

本发明目的在于提供一种大面积微通道板型光电倍增管测试装置，解决传统光电倍增管测试装置不能很好的测试大尺寸光电倍增管的整管性能，受地磁场的影响无法准确测试大尺寸光电倍增管，测试空间限制无法实现大尺寸光电倍增管的批量测试问题。

为达成上述目的，本发明提出一种大面积微通道板型光电倍增管测试装置，包括光源系统、电子学系统、暗室、光电倍增管和计算机，其中：

光源系统和待检测的光电倍增管安装于暗室里面，电子学系统和计算机安装于暗室外面，光源系统和光电倍增管分别通过高压电缆和信号电缆穿过暗室连接到电子学系统，电子学系统通过USB传输线或网线与计算机连接；

所述暗室用于屏蔽外界光子、电磁波、地磁场，提供一个黑暗的测试环境；

所述光源系统用于将一个光源发出的光，转化为多个均匀的面光源，每个面光源照亮一个光电倍增的全部阴极面，作为光电倍增管的测试光源；

所述电子学系统提供光电倍增管测试高压，接收并测量光电倍增管信号各种性能；

所述计算机控制电子学系统测试参数的类型及测试设置，并读取电子学系统测试的参数值，经过测试软件的分析再现光电倍增管各参数测量值。

进一步的实施例中，所述光源系统，包括LD光源、积分球、一分多路光纤以及光源转化装置，其中：

LD光源安装在积分球的输入孔上，一分多路光纤的总头与积分球输出通道连接，一分多路光纤的输出分头与光源转化装置连接；

通过积分球和一分多路光纤，将一个LD光源发出的光，均匀输送到多个光源转化装置，光源转化装置接收光纤的点光源，输出均匀的面光源，面光源照亮大尺寸光电倍增的全部阴极面，作为光电倍增的测试光源；

通过控制驱动LD光源的脉冲宽度和幅度以控制光源系统输出光的强度；

通过改变光源转化装置的扩散板朝向，以输出不同方向的面光源；

通过调节一分多路光纤的输出分头插入光纤夹具的深度，以调节面光输出光的强度，从而调节多个面光源之间输出光强的比例，按同比例光强输出或者按不同比例光强输出。

进一步的实施例中，所述一分多路光纤的光纤材料为石英，从总头输入光后，光按比例分配到各输出分头，输入光变化时，各输出分头输出光也按同一比例变化，各输出分头输出的光强比例在0.9～1之间。一分多路光纤的总头与积分球输出通道连接，一分多路光纤的输出分头与光源转化装置的光纤夹具连接，光电倍增管安装在光源桶里面，正对着面光源，在多个测试光电倍增管中，有两个为标准管。

进一步的实施例中，光源转化装置，包括光纤夹具、光源桶、挡光板、第一扩散板、第二扩散板、漫反射涂层，其中：

所述光纤夹具固定在光源桶底部外测，与光源桶同轴，用于固定导光的光纤；

挡光板固定于距桶底部100mm的内部，与光源桶同轴；

第一扩散板固定于距桶底部300mm的内部，与光源桶同轴；

第二扩散板固定于距桶底部400mm的内部，与光源桶同轴；

漫反射涂层均匀涂在光源桶内表面、挡光板外表面。

进一步的实施例中，光纤夹具中心通孔长度为30mm，孔径5.1mm，通孔内表面黑化，材料为硬铝；光源桶底部中心位置有一个5mm通孔30mm，桶材料为黑色塑料；漫反射涂层优选漫反射率高的材料，比如硫酸钡、硫酸镁、纳米扩散材料等。

点光源通过光纤夹具的通孔和光源桶的通孔入射到光源桶里面，被正对着光源桶的通孔挡光板挡住，挡光板上的漫反射涂层将挡住的光向各个方向反射出去，反射出去的光经过涂在光源桶内表面的漫反射涂层再次被反射出去，经过多次漫反射后入射到第一扩散板上，进行1次体扩散，然后再经过两片扩散板直接的空间和漫反射涂层再次散射到第二扩散板上，进行2次体扩散，如此经过多次的漫反射和体扩散，入射光最后从第二扩散板外表面均匀照射到光电倍增管上。

LD光源发出的光通过积分球和一分多路光纤，按比例的输送到多个光源转化装置，光源转化装置接收光纤的点光源，输出均匀的面光源，各光源转化装置输出的光强调通过调节一分多路光纤的输出分头插入光源转换装置的光纤夹具通孔中的深度，使各光源转化装置输出的光强一致，保证每个光电倍增测试光源的一致性，面光源照亮大尺寸光电倍增的全部阴极面，作为光电倍增的测试光源。当LD光源发出的光变化时，各光源转化装置输出的面光源强度变化比例相同，被测光电倍增通过与标准管的比值不受影响，保证测试过程的准确性。

进一步的实施例中，电子学系统，包括信号发生器、示波器、高压电源、NIM机箱、放大器、转换开关、VME机箱、QDC插件、TDC插件、Scaler插件、低阈甄别器和机柜，其中：

高压电源安装在机柜底部，NIM机箱安装在机柜里的高压电源上方，放大器安装在NIM机箱里面，转换开关安装在机柜里的NIM机箱上方，VME机箱安装在机柜里的转换开关上方，QDC插件、TDC插件、Scaler插件和低阈甄别器安装在VME机箱里面，示波器安装在机柜里的VME机箱上方，信号发生器安装在机柜里的示波器上方；

信号发生器两路同步脉冲信号，一路信号作为QDC插件、TDC插件的触发信号，另一路作为LD光源的驱动电压；示波器用于观察触发信号与光电倍增管信号，以及测试光电倍增管信号的上升、下降时间；NIM机箱用于放大器供电，放大器对光电倍增管信号进行放大；转换开关对不同光电倍增管之间的测试切换，同时可以切换信号进行放大或衰减。切换到放大器进行放大后输出两路相同信号，一路输入到QDC插件测试单光电子谱峰谷比、能量分辨率、探测效率；另一路输入到低阈甄别器，经过甄别后输出两路甄别信号，分别输送到Scaler插件测试暗计数率和TDC插件测试渡越时间涨落、前后脉冲比例；切换到放大器进行放大后输送到QDC插件测试动态范围；计算机软件采集各测试插件测试数据，实时在线展示数据并将测试数据分析出测试结果，使得测试员可以实时掌握测试情况，可以及时调整光电倍增管的测试状态，保证测试的准确性和安全性。

进一步的实施例中，暗室采用高导磁率材料制作，优选DT4C牌号纯铁、坡塻合金等。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、本发明采用面光源作为光电倍增管测试光源，测试的结果可以真实的反应20寸光电倍增管的整管性能。

2、本发明采用长宽高为5*3.3*2.5m的暗室，作为20寸光电倍增管的测试暗室，可以同时安装、测试36只20寸光电倍增管，实现大尺寸光电倍增管的批量测试；

3、本发明采用DT4C牌号8mm厚的纯铁制作暗室，光电倍增管测试区域磁场对光电倍增管测试影响可以忽略，实现20寸光电倍增管性能的准确测试；

4、本发明采用漫反射结合体散射结构，实现只需Ф510×400mm体积既可以实现点光源到510mm直径的均匀面光源转化，为20寸光电倍增管的批量测试奠定光源和空间基础。

5、本发明采用一分多路光纤传送测试光源，所以测试光源源于一个LD光源，LD光强变化时，被测光电倍增管与标准光电倍增管接收到的光强变化率一致，相对于标准光电倍增管测试结果不受光源光强变化的影响，提供装置测试准确性。

6、本发明采用两只标准管和待测管同时进行测试，两只标准管可以监测测试装置的准确性。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为本发明的大尺寸光电倍增管批量测试装置的结构原理图。

图2为本发明的电子学系统的结构原理图。

图3为本发明的暗室的结构原理图。

图4为本发明的光源转化装置阵列的结构原理图。

图5为本发明的光源转化装置的结构原理图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1，一种大尺寸光电倍增管批量测试装置，包括光源系统、电子学系统、暗室、光电倍增管和计算机。所述的各系统和设备配合完成光电倍增管整管性能的批量测试。

光源系统和光电倍增管安装于采用DT4C牌号8mm厚的纯铁制作，长宽高为5*3.3*2.5m的暗室里面，电子学系统和计算机安装于暗室外面。

光源系统和光电倍增管通过高压电缆和信号电缆穿过暗室连接到电子学系统，电子学系统通过USB传输线或网线与计算机连接。

结合图3、图4，暗室用于屏蔽外界光子、电磁波、地磁场，提供一个黑暗的测试环境。

光源系统将一个光源发出的光，转化为36个均匀的面光源，每个面光源照亮一个光电倍增的全部阴极面，作为光电倍增管的测试光源.

电子学系统提供光电倍增管测试高压，接收并测量光电倍增管信号各种性能。

计算机控制电子学系统测试参数的类型及测试设置，并读取电子学系统测试的参数值，经过测试软件的分析时时再现光电倍增管各参数测量值。

结合图1、图5，光源系统，包括LD光源、积分球、一分多路光纤、光源转化装置。

结合图3、图4，光源转化装置2分两个阵列安装于暗室内，每个阵列由6列、3层结构组成，可以同时测试36只20英寸光电倍增管。暗室4具有暗室门4a、暗室壁4b。图3中标号3表示光源转化装置阵列。图4中标号10表示待检测的光电倍增管。

结合图1，LD光源1安装在积分球的输入孔上；使用石英材料制作，从总头输入光后，光按比例分配到各输出分头，输入光变化时，各输出分头输出光也按同一比例变化，各输出分头输出的光强比例在0.9～1之间。一分多路光纤的总头与积分球输出通道连接，一分多路光纤的输出分头与光源转化装置的光纤夹具连接，光电倍增管安装在光源桶里面，正对着面光源，在多个测试光电倍增管中，有两个为标准管。通过控制驱动LD光源的脉冲宽度和幅度可以控制光源系统输出光的强度；通过改变光源转化装置的第二扩散板朝向，可以输出不同方向的面光源；通过调节一分多路光纤的输出分头插入光纤夹具的深度，可以调节面光输出光的强度，从而可以调节多个面光源之间输出光强的比例，可以按同比例光强输出，也可以按不同比例光强输出。

结合图5，光源转化装置2，包括光纤夹具2a、光源桶2b、挡光板2c、第一扩散板2d、第二扩散板2e、漫反射涂层2f。光纤夹具2a为硬铝材料制作，中心通孔(图5中表示为光纤夹具通孔2h)长度为30mm，孔径5.1mm，通孔内表面黑化的光纤夹具固定在底部中心位置有一个5mm直径通孔的光源桶底部外测，与桶同轴，用于固定一分多路光纤的输出分头。挡光板2c固定于距桶底部100mm的内部，与桶同轴。第一扩散板固定于距桶底部300mm的内部，与桶同轴。第二扩散板固定于距桶底部400mm的内部，与桶同轴。由漫反射率高的材料，比如硫酸钡、硫酸镁、纳米扩散材料等制成的漫反射涂层均匀涂在光源桶内表面、挡光板外表面。

点光源通过光纤夹具的通孔和光源桶的通孔入射到光源桶里面，被正对着光源桶的通孔挡光板挡住，挡光板上的漫反射涂层将挡住的光向各个方向反射出去，反射出去的光经过涂在光源桶内表面的漫反射涂层再次被反射出去，经过多次漫反射后入射到第一扩散板上，进行1次体扩散，然后再经过两片扩散板直接的空间和漫反射涂层再次散射到第二扩散板上，进行2次体扩散，如此经过多次的漫反射和体扩散，形成面照射，入射光最后从第二扩散板外表面均匀照射到光电倍增管上。

结合图1、图5，LD光源发出的光通过积分球和一分多路光纤，按比例的输送到多个光源转化装置，光源转化装置接收光纤的点光源，输出均匀的面光源，各光源转化装置输出的光强调通过调节一分多路光纤的输出分头插入光源转换装置的光纤夹具通孔中的深度，使各光源转化装置输出的光强一致，保证每个光电倍增测试光源的一致性，面光源照亮大尺寸光电倍增的全部阴极面，作为光电倍增的测试光源。当LD光源发出的光变化时，各光源转化装置输出的面光源强度变化比例相同，被测光电倍增通过与标准管的比值不受影响，保证测试过程的准确性。

结合图2，电子学系统，包括信号发生器、示波器、高压电源、NIM机箱、放大器、转换开关、VME机箱、QDC插件、TDC插件、Scaler插件、低阈甄别器和机柜。高压电源安装在机柜底部，NIM机箱安装在机柜里的高压电源上方，放大器安装在NIM机箱里面，转换开关安装在机柜里的NIM机箱上方，VME机箱安装在机柜里的转换开关上方，QDC插件、TDC插件、Scaler插件和低阈甄别器安装在VME机箱里面，示波器安装在机柜里的VME机箱上方，信号发生器安装在机柜里的示波器上方。

高压电源产生36路高压，提供光电倍增管的测试电压。信号发生器两路同步脉冲信号，一路输出标准NIM信号，作为QDC插件、TDC插件等设备的触发信号，另一路作为LD光源的驱动电压。LD光源在脉冲信号驱动下发光，经过光源系统照亮36只20英寸光电倍增管，可同时测试36只20英寸光电倍增管。光电倍增管接收到测试光子后输出脉冲信号。脉冲信号通过转换开关切换到放大器或衰减器中，切换到放大器进行放大后输出两路相同信号，一路输入到QDC插件测试单光电子谱峰谷比、能量分辨率、探测效率；另一路输入到低阈甄别器，经过甄别后输出两路甄别信号，分别输送到Scaler插件测试暗计数率和TDC插件测试渡越时间涨落、前后脉冲比例。切换到放大器进行放大后输送到QDC插件测试动态范围，输到示波器上测试光电倍增管信号的上升、下降时间。计算机软件采集各测试插件测试数据，实时在线展示数据并将测试数据分析出测试结果，使得测试员可以实时掌握测试情况，可以及时调整光电倍增管的测试状态，保证测试的准确性和安全性。

本发明的前述测试，例如单光电子谱峰谷比、能量分辨率、探测效率、暗计数率和渡越时间涨落、前后脉冲比例等参数测试，可参考现有技术的一些算法实现，或者采用本单位之前已经公开的专利中的测试方法实现，在此并不在赘述。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种大面积微通道板型光电倍增管测试装置，其特征在于，包括光源系统、电子学系统、暗室、光电倍增管和计算机，其中：

光源系统和待检测的光电倍增管安装于暗室里面，电子学系统和计算机安装于暗室外面，光源系统和光电倍增管分别通过高压电缆和信号电缆穿过暗室连接到电子学系统，电子学系统通过USB传输线或网线与计算机连接；

所述暗室用于屏蔽外界光子、电磁波、地磁场，提供一个黑暗的测试环境；

所述光源系统用于将一个光源发出的光，转化为多个均匀的面光源，每个面光源照亮一个光电倍增的全部阴极面，作为光电倍增管的测试光源；

所述电子学系统提供光电倍增管测试高压，接收并测量光电倍增管信号各种性能；

所述计算机控制电子学系统测试参数的类型及测试设置，并读取电子学系统测试的参数值，经过测试软件的分析再现光电倍增管各参数测量值。

2.根据权利要求1所述的大面积微通道板型光电倍增管测试装置，其特征在于，所述光源系统包括LD光源、积分球、一分多路光纤以及光源转化装置，其中：

LD光源安装在积分球的输入孔上，一分多路光纤的总头与积分球输出通道连接，一分多路光纤的输出分头与光源转化装置连接；

通过积分球和一分多路光纤，将一个LD光源发出的光，均匀输送到多个光源转化装置，光源转化装置接收光纤的点光源，输出均匀的面光源，面光源照亮大尺寸光电倍增的全部阴极面，作为光电倍增的测试光源；

通过控制驱动LD光源的脉冲宽度和幅度以控制光源系统输出光的强度；

通过改变光源转化装置的扩散板朝向，以输出不同方向的面光源；

通过调节一分多路光纤的输出分头插入光纤夹具的深度，以调节面光输出光的强度，从而调节多个面光源之间输出光强的比例，按同比例光强输出或者按不同比例光强输出。

3.根据权利要求2所述的大面积微通道板型光电倍增管测试装置，其特征在于，所述一分多路光纤的光纤材料为石英，从总头输入光后，光按比例分配到各输出分头，输入光变化时，各输出分头输出光也按同一比例变化，各输出分头输出的光强比例在0.9～1之间，一分多路光纤的总头与积分球输出通道连接，一分多路光纤的输出分头与光源转化装置的光纤夹具连接，光电倍增管安装在光源桶里面，正对着经过光源转化装置后面照射，在多个测试光电倍增管中，有两个为标准管。

4.根据权利要求2所述的大面积微通道板型光电倍增管测试装置，其特征在于，光源转化装置，包括光纤夹具、光源桶、挡光板、第一扩散板、第二扩散板、漫反射涂层，其中：

所述光纤夹具固定在光源桶底部外测，与光源桶同轴，用于固定导光的光纤；

挡光板固定于距桶底部100mm的内部，与光源桶同轴；

第一扩散板固定于距桶底部300mm的内部，与光源桶同轴；

第二扩散板固定于距桶底部400mm的内部，与光源桶同轴；

漫反射涂层均匀涂在光源桶内表面、挡光板外表面；

点光源通过光纤夹具的通孔和光源桶的通孔入射到光源桶里面，被正对着光源桶的通孔挡光板挡住，挡光板上的漫反射涂层将挡住的光向各个方向反射出去，反射出去的光经过涂在光源桶内表面的漫反射涂层再次被反射出去，经过多次漫反射后入射到第一扩散板上，进行1次体扩散，然后再经过两片扩散板直接的空间和漫反射涂层再次散射到第二扩散板上，进行2次体扩散，如此经过多次的漫反射和体扩散，入射光最后从第二扩散板外表面均匀照射到光电倍增管上。

5.根据权利要求4所述的大面积微通道板型光电倍增管测试装置，其特征在于，光纤夹具中心通孔长度为30mm，孔径5.1mm，通孔内表面黑化，材料为硬铝。

6.根据权利要求4所述的大面积微通道板型光电倍增管测试装置，其特征在于，光源桶底部中心位置有一个5mm通孔30mm，桶材料为黑色塑料。

7.根据权利要求4所述的大面积微通道板型光电倍增管测试装置，其特征在于，漫反射涂层漫为硫酸钡、硫酸镁、纳米扩散材料中的一种。

8.根据权利要求4所述的大面积微通道板型光电倍增管测试装置，其特征在于，所述电子学系统，包括信号发生器、示波器、高压电源、NIM机箱、放大器、转换开关、VME机箱、QDC插件、TDC插件、Scaler插件、低阈甄别器和机柜，其中：

高压电源安装在机柜底部，NIM机箱安装在机柜里的高压电源上方，放大器安装在NIM机箱里面，转换开关安装在机柜里的NIM机箱上方，VME机箱安装在机柜里的转换开关上方，QDC插件、TDC插件、Scaler插件和低阈甄别器安装在VME机箱里面，示波器安装在机柜里的VME机箱上方，信号发生器安装在机柜里的示波器上方；

信号发生器两路同步脉冲信号，一路信号作为QDC插件、TDC插件的触发信号，另一路作为LD光源的驱动电压；示波器用于观察触发信号与光电倍增管信号，以及测试光电倍增管信号的上升、下降时间；NIM机箱用于放大器供电，放大器对光电倍增管信号进行放大；转换开关对不同光电倍增管之间的测试切换，同时可以切换信号进行放大或衰减。切换到放大器进行放大后输出两路相同信号，一路输入到QDC插件测试单光电子谱峰谷比、能量分辨率、探测效率；另一路输入到低阈甄别器，经过甄别后输出两路甄别信号，分别输送到Scaler插件测试暗计数率和TDC插件测试渡越时间涨落、前后脉冲比例；切换到放大器进行放大后输送到QDC插件测试动态范围；计算机软件采集各测试插件测试数据，实时在线展示数据并将测试数据分析出测试结果，使得测试员可以实时掌握测试情况，可及时调整光电倍增管的测试状态，保证测试的准确性和安全性。

9.根据权利要求1所述的大面积微通道板型光电倍增管测试装置，其特征在于，暗室采用高导磁率材料制作，包括DT4C牌号纯铁、坡塻合金中的一种。