CN110767521B - 一种提高光电倍增管动态范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电倍增管技术领域，为解决目前光电倍增管在探测强光信号时，由于倍增电子数目过大，导致器件动态范围受限的问题，本发明提供了一种提高光电倍增管动态范围的方法。本发明所涉及光电倍增管探测强光信号时，光电倍增管阴极电流或倍增极电流大于已设置的触发阈值，对倍增极系统或调制电极的工作电压进行联动调整，使得进入后续倍增极的电子数目减少或能量降低，整个光电倍增管工作在线性工作区内。这种提高光电倍增管动态范围的方法，使得光电倍增管能够较好地适应光信号强度的变化，可使普通光电倍增管动态范围在原基础上增加2至10倍甚至更高。

Description

一种提高光电倍增管动态范围的方法

技术领域

本发明涉及光电倍增管技术领域，特别涉及一种提高光电倍增管动态范围的方法。

背景技术

光电倍增管(简称PMT)，是一种电真空光电探测器件，主要由光窗、光电阴极、电子倍增系统和阳极所组成。其工作原理是探测目标发射的微弱光学信号透过光窗入射到光电阴极上，光电阴极的电子经过光电效应转换为空间电子束信号发射到真空中，经电场加速和电子光学聚焦入射到电子倍增系统，经N级倍增后将电子束信号进行放大N次输出，最终由阳极收集起来形成阳极光电流及负载上信号电压，从而实现对目标探测的功能。

近年来，光电倍增管在水下无线光通讯的新领域中有着很好的应用前景。由于水下无线光通信一般选用“海水透射光口”的蓝绿光作为通信载波，因此使用的探测器一般是对蓝绿光增强型器件。

对于无线光通信、激光雷达而言，在实际的应用过程中，不同的使用场合下通信距离、水质稍有不同，这会造成到达接收机的信号光功率有时候很强、有时候很弱。特别是当无线光通信设备搭载在水下潜航器这种移动平台时，到达接收机的光信号功率变化更大。为了适应这种变化，要求所使用光电倍增管在具有大探测面积、高增益、低噪声以及高带宽等特点的基础上，还应具有大动态范围的特点。另外，在一些基础科研领域，如激光聚变等过程中，由于聚变过程在极短(纳秒、皮秒量级)的时间内完成，信号经历从极弱变为超强的一个过程，为了尽可能捕捉反应变化全过程信息，因此也需要探测器具有大的动态范围。

光电倍增管在电子倍增过程中，电子倍增系统在释放一定电荷的同时，需要对其进行补充电荷，否则会导致此电子倍增系统电势发生变化而终止电子倍增过程；由于电子倍增系统具有明显的电容效应以及具有一定的阻抗，导致电子倍增系统需要一定的时间进行充电。其次，在电子倍增过程中，大量电子同时存在而产生的较为明显的空间电荷效应会改变电子运行空间的电场分布，使得电子束不能有效输出。再综合其他限制因素，对于光电倍增管而言，在每次电子倍增过程中，输出电荷总量会受到限制，从而使得光电倍增管输出饱和，影响光电倍增管的线性工作范围(即影响光电倍增管的动态范围)。

光电倍增管动态范围的直接表现就是在探测目标信号强度在一定的范围内，阳极光电流与入射在光电阴极的光信号通量之间存在一定的线性函数关系。而探测目标信号强度过大时，光电倍增管光电特性曲线产生明显的偏离线性，而无法对目标信号进行探测工作。

在无线光通信、激光雷达等实际应用中，光电倍增管的动态范围小会严重制约通信及探测系统的整体性能，因此如何提升光电倍增管的动态范围则成为提升系统整体性能的关键之一。

发明内容

本发明提供一种提高光电倍增管动态范围的方法，解决目前光电倍增管工作过程电子倍增总数过大而导致器件阳极输出信号偏离线性工作区出现饱和的问题，大幅提高光电倍增管工作动态范围。

本发明提供了一种提高光电倍增管动态范围的方法，所述光电倍增管包括光电阴极、聚焦系统、多个倍增电极以及阳极，所述光电倍增管的动态范围调节步骤包括：

S1、对光电倍增管进行初始化，使光电倍增管进入初始工作状态；

S2、监测光电倍增管的阴极电流或一个倍增电极的电流或多个倍增电极的电流；

S3、当光电倍增管的阴极电流值或倍增电极的电流值不大于设定的触发阈值时，光电倍增管工作在线性工作区内；

在光电倍增管进入初始工作状态后，目标光信号的强度使光电倍增管达到饱和，光电倍增管饱和时对应的阴极电流或倍增电极电流作为触发阈值的电流；

S4、当监测的阴极电流值或倍增电极电流值大于设定的触发阈值时，根据阴极电流值或倍增电极电流值对后续倍增电极的电压进行联动调整，减小二次电子倍增，从而减小进入下一倍增电极的电子数目，使得进入后续倍增电极的电子数目减少或能量降低，整个光电倍增管工作在线性工作区内，达到提高光电倍增管的动态范围。

所述触发阈值选择光电倍增管饱和时一个或几个倍增电极的电流。

一种提高光电倍增管动态范围的方法，所述光电倍增管包括光电阴极、聚焦系统、多个倍增电极、阳极以及一个或多个调制电极Dx，所述调制电极Dx位于相邻的两个倍增电极之间，所述光电倍增管的动态范围调节步骤包括：

S1、对光电倍增管进行初始化，使光电倍增管进入初始工作状态；

S2、监测光电倍增管的阴极电流或一个倍增电极的电流或多个倍增电极的电流；

S3、当光电倍增管的阴极电流值或倍增电极的电流值不大于设定的调制电极Dx的触发阈值时，光电倍增管工作在线性工作区内；

在光电倍增管进入初始工作状态后，目标光信号的强度使光电倍增管达到饱和时对应的阴极电流或倍增电极电流作为调制电极Dx的触发阈值设置的参考电流；

S4、当监测的阴极电流值或倍增电极电流值大于设定的调制电极Dx的触发阈值时，根据阴极电流值或倍增电极电流值对调制电极Dx的电压进行调整，来降低进入下一倍增电极的电子能量和数量，使得进入后续倍增电极的电子数目减少或能量降低，整个光电倍增管工作在线性工作区内，从而达到提高光电倍增管的动态范围。

所述调制电极Dx的触发阈值选择光电倍增管饱和时一个或几个倍增电极的电流。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

利用本发明方法，采用探测目标信号强度与电子调制电极电压幅值的联动调节，可解决目前光电倍增管工作过程电子倍增总数过大而导致器件阳极输出信号偏离线性工作区出现饱和的问题，大幅提高光电倍增管工作动态范围，满足实际工作中对光电倍增管大动态范围的要求，可使普通的光电倍增管动态范围在原有基础上增加2至10倍甚至更高。不仅在无线光通信、水下光通讯、激光雷达、高能物理等工业、民用、国防、科研领域具有很高的应用价值及广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明实施例提供的非聚焦型光电倍增管中百叶窗式倍增电极的电子调控示意图。

图2为本发明实施例提供的非聚焦型光电倍增管中盒栅式倍增电极的电子调控示意图。

图3为本发明提供的聚焦型光电倍增管中环形瓦片式倍增电极的结构示意图。

图4为本发明提供的聚焦型光电倍增管中直线瓦片式倍增电极的结构示意图。

图5为本发明提供的一种提高光电倍增管动态范围的工作流程图。

附图标记说明：

1-光电阴极，2-阳极，3-管脚，4-Dx调制电极。

具体实施方式

下面结合附图1-5，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

光电倍增管之所以有优异的高电流放大和高信噪比即高增益，得益于基于多个排列的二次电子发射系统即电子倍增系统的使用，每个倍增电极都是二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力，倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。它可使电子在低噪声条件下得到倍增，电子倍增系统一般由几级至15级组成，有聚焦型和非聚焦型两类，聚焦型倍增电极有环形瓦片式倍增结构和直线瓦片式倍增结构，非聚焦型倍增电极有百叶窗式倍增结构和盒栅式倍增结构。本发明主要针对以下几种电子倍增系统：

环形瓦片式倍增结构如图3所示，环形瓦片式倍增结构主要应用于侧窗型光电倍增管。其主要特点为结构紧凑。

直线瓦片式倍增结构如图4所示，直瓦片式聚焦结构极间电子渡越时间弥散小，因其极快的时间响应而被广泛地应用于要求时间分辨和线性脉冲研究用的端窗型光电倍增管中。

百叶窗式倍增结构如图1所示，百叶窗式结构因倍增电极可以较大而被用于大阴极的光电倍增管中，其一致性较好，可以有大的脉冲输出电流。这种结构多用于不太要求时间响应的场合。

盒栅式倍增结构如图2所示，这种结构包括了一系列的四分之一圆柱形的倍增电极，收集效率较高，可达95％，并因其相对简单的倍增电极结构而被广泛地应用于端窗型光电倍增管，结构紧凑，极间电子渡越时间弥散较大。

本发明方法主要用于打拿型倍增系统结构的光电倍增管，对不同的打拿结构增加不同调制电极，在为解决目前通用型光电倍增管由于电子倍增以及传输过程中电子总数过大，而制约光电倍增管动态范围的问题，本发明提供一种倍增电极中间增加调制电极来控制和提高光电倍增管动态范围的方法。

聚焦型倍增结构提高动态范围的方法

对于聚焦型倍增系统的光电倍增管，根据在实际工作中该光电倍增管的光电特性，当入射目标信号光强度使光电倍增管达到饱和(光电特性偏离线性区)时阳极电流为IA，将光电特性饱和时对应光电阴极产生光电子在D1(第1倍增电极)的光电流I1设定为电子调制电极的触发阈值信号。后续将倍增电极依次记为D2、D3……Dn，第2、3……n倍增电极光电流依次记为I2、I3……In，后端各倍增电极电压U2、U3……Un。

设计倍增电极各极工作电压可与触发阈值信号进行联动调整，监测到实际光电流Ir大于设定的阈值I1时，则对后续倍增电极电压U2进行换挡，根据电子光学聚焦系统的设计，分析计算使得进入D2倍增电极的电子数目减少，整个光电倍增管工作于线性工作区，使入射目标光信号强度在超过正常范围一定量的情况，还可以正常工作，从而提高光电倍增管的动态范围。

在此该触发阈值信号可以选择光电倍增管饱和时对应的倍增电极电流I2、I3……任一个或几个，在实际调整过程中，针对环形瓦片聚焦倍增结构中，可以调整电极电压为U2、U4、U6、U8中任一个或几个；针对直线瓦片聚焦倍增结构中，调整倍增电极电压压U2、U3……Un中任一个或几个。

非聚焦型倍增结构提高动态范围的方法

对于非聚焦性倍增结构，在光电倍增管工作过程中，在不同的倍增电极之间增加一个调制电极Dx，该电极增加可以产生两个效果，使进入下一倍增电极的电子数目减少，或使得进入下一倍增电极的电子能量降低，这两种效果最终都可以使后续倍增电子二次倍增效果降低，从而避免电子总量受限而使光电倍增管饱和，进而提高光电倍增管的动态范围。

具体实施方式有两种：

如图1所示，一种是在阈值触发后改变某一倍增电极Dn的电压，减小二次电子倍增，从而减小进入下一倍增电极电子数目，达到提高动态范围的效果。

另一种是在某两级之间D1/D2、D2/D3…Dn-1/Dn…增加一调制电极Dx，通过调整调制电极Dx的电压，来降低进入下一倍增电极电子能量和数量，从而达到提高光电倍增管动态范围的效果。其中调制电极Dx可在两电极间设置，数量可为1个，也可设置多个。

利用本发明方法，采用探测目标信号强度与电子调制电极电压幅值的联动调节，可解决目前光电倍增管工作过程电子倍增总数过大而导致器件探测饱和的问题，大幅提高光电倍增管工作动态范围，满足实际工作中对光电倍增管大动态范围的要求，可使普通的光电倍增管动态范围在原有基础上增加2至10倍甚至更高。不仅在无线光通信、水下光通讯、激光雷达、高能物理等工业、民用、国防、科研领域具有很高的应用价值及广阔的市场前景。

为解决目前光电倍增管在探测强光信号时，由于倍增电子数目过大，导致器件动态范围受限的问题，本发明提供了一种提高光电倍增管动态范围的方法。本发明所涉及光电倍增管探测强光信号时，光电倍增管阴极电流或倍增极电流大于已设置的触发阈值，对倍增极系统或调制电极的工作电压进行联动调整，使得进入后续倍增极的电子数目减少或能量降低，整个光电倍增管工作在线性工作区内。这种提高光电倍增管动态范围的方法，使得光电倍增管能够较好地适应光信号强度的变化，可使普通光电倍增管动态范围在原基础上增加2至10倍甚至更高。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种提高光电倍增管动态范围的方法，其特征在于，所述光电倍增管包括光电阴极、聚焦系统、多个倍增电极以及阳极，所述光电倍增管的动态范围调节步骤包括：

S1、对光电倍增管进行初始化，使光电倍增管进入初始工作状态；

S2、监测光电倍增管的阴极电流或一个倍增电极的电流或多个倍增电极的电流；

S3、当光电倍增管的阴极电流值或倍增电极的电流值不大于设定的触发阈值时，光电倍增管工作在线性工作区内；

在光电倍增管进入初始工作状态后，目标光信号的强度使光电倍增管达到饱和，光电倍增管饱和时对应的阴极电流或倍增电极电流作为触发阈值的电流；

S4、当监测的阴极电流值或倍增电极电流值大于设定的触发阈值时，根据阴极电流值或倍增电极电流值对后续倍增电极的电压进行联动调整，减小二次电子倍增，从而减小进入下一倍增电极的电子数目，使得进入后续倍增电极的电子数目减少或能量降低，整个光电倍增管工作在线性工作区内，达到提高光电倍增管的动态范围；

所述触发阈值选择光电倍增管饱和时一个或几个倍增电极的电流。

2.一种提高光电倍增管动态范围的方法，其特征在于，所述光电倍增管包括光电阴极、聚焦系统、多个倍增电极、阳极以及一个或多个调制电极Dx，所述调制电极Dx位于相邻两个倍增电极之间，所述光电倍增管的动态范围调节步骤包括：

S1、对光电倍增管进行初始化，使光电倍增管进入初始工作状态；

S2、监测光电倍增管的阴极电流或一个倍增电极的电流或多个倍增电极的电流；

S3、当光电倍增管的阴极电流值或倍增电极的电流值不大于设定的调制电极Dx的触发阈值时，光电倍增管工作在线性工作区内；

在光电倍增管进入初始工作状态后，目标光信号的强度使光电倍增管达到饱和时对应的阴极电流或倍增电极电流作为调制电极Dx的触发阈值设置的参考电流；

S4、当监测的阴极电流值或倍增电极电流值大于设定的调制电极Dx的触发阈值时，根据阴极电流值或倍增电极电流值对调制电极Dx的电压进行调整，来降低进入下一倍增电极的电子能量和数量，使得进入后续倍增电极的电子数目减少或能量降低，整个光电倍增管工作在线性工作区内，从而达到提高光电倍增管的动态范围；

所述调制电极Dx的触发阈值选择光电倍增管饱和时一个或几个倍增电极的电流。

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