CN111398762A - 光电倍增管线性范围测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光电倍增管线性范围测试装置与方法，包括光源、光源驱动器、分光暗箱、积分球、导光件、测试暗箱、测试电子学系统和计算机。光源发光后照射到分光暗箱；分光暗箱为具有一个入光口和一个出光口的不透明箱体,通过所述分光暗箱进行光束分光输出，通过出光口照射到积分球内混合均匀；积分球出光口与测试暗箱入光口之间通过导光件连接；测试电子学系统用于提供光电倍增管工作的高压以及测量光电倍增管的输出信号；计算机，用于控制测试装置的运行，包括用于控制控制光源驱动器、控制分光暗箱中的电动装置实现分光、控制并配置测试电子学系统测试以及读取测试电子学系统的测量值并经过处理后生成测试结果。

Description

光电倍增管线性范围测试装置及方法

技术领域

本发明涉及光电倍增管(PMT)技术领域，具体而言涉及一种光电倍增管线性范围测试装置及方法。

背景技术

光电倍增管(PMT)是一种利用光电效应将光信号转换为电信号并利用二次电子发射效应将电信号逐级放大最终输出电流信号的真空探测器件，广泛应用于宇宙射线探测，伽马射线探测，医学影像，分析谱仪等各种微光探测领域。线性范围即输出动态范围，是探测器的一项重要技术指标。在线性范围内，探测器的输出信号与入射光的辐通量成线性关系。探测器一般不能在超出线性范围内工作。

探测器线性范围测试需要满足两个条件：一是能够提供可变光强的光源；二是能够测得探测器输出随光强变化的响应曲线。

目前对光电探测系统光信号响应线性的最基本方法依据平方反比定律，在光轨上通过改变光源与光电探测系统间的距离实现光强变化来标定光电探测系统的线性度。由于光轨长度限制，其动态范围有限，且杂散光的影响十分明显。除距离平方反比法外，研究者们还提出滤光片或滤光片组法、偏振法等，均因为辅助测量而引入额外误差。

采用滤光片组或偏振片组的方法能够实现大范围内的线性测量。但是，采用滤光片组，入射光的光强受制于滤光片的特性而不能连续变化，且考虑到滤光片之间的影响，入射光强与理论值会有差异；偏振片组的方式通过改变偏振片间的夹角获得不同强度的光，因此偏振片间夹角的微小变化可能对入射光的光强造成较大影响，导致测试结果的精确度并不高。

双光路法，即用两路光入射到探测器上，测试两路光分别照射到探测器上的输出信号之和与两路光同时照射到探测器上的输出信号的线性关系。双光路法的两个光源在使用之前需要对光强进行标定，且要求两个光源的光强随电压变化特性尽量保持一致，光源需要较高的稳定性，长期使用后光源特性发生变化就需要重新标定或更换光源，使用较为繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光电倍增管线性范围的测试装置与测试方法，通过使用单光源与可调光强分光光路实现线性范围测试，简化测试操作，提高设备稳定性和测试结果的准确性。

为实现上述目的，本发明提出的光电倍增管线性范围测试装置，包括光源、光源驱动器、分光暗箱、积分球、导光件、测试暗箱、测试电子学系统和计算机，其中：

所述光源驱动器与所述光源连接，通过光源驱动器驱动所述光源发光，照射到分光暗箱；

所述分光暗箱出光口连接积分球入口，所述分光暗箱为具有一个入光口和一个出光口的不透明箱体,箱体内壁为黑色，通过所述分光暗箱进行光束分光输出，通过出光口照射到积分球内混合均匀；

所述积分球出光口与测试暗箱入光口之间通过导光件连接；

所述测试电子学系统，用于提供光电倍增管工作的高压以及测量光电倍增管的输出信号；

所述计算机，用于控制测试装置的运行，包括用于控制控制光源驱动器、控制分光暗箱中的电动装置实现分光、控制并配置测试电子学系统测试以及读取测试电子学系统的测量值并经过处理后生成测试结果。

优选地，所述分光暗箱的箱体内设置有准直透镜、中性衰减片轮、第一偏振分光棱镜、第一平面镜、第二平面镜、第二偏振分光棱镜、第一遮光板和第二遮光板，其中：

所述光源发出的光线经过箱体入光口照射到准直透镜后形成平行光线，该平行光线经过中性衰减片轮后，以布儒斯特角入射到第一偏振分光棱镜后分解为两束振动方向互相垂直的线偏振光，P光透射形成透射光，S光反射形成反射光，以反射光线为第一光线，以透射光线为第二光线；

第一光线经过第一平面镜反射后，入射到第二偏振分光棱镜并在棱镜分光面发生反射；

第二光线经过第二平面镜反射后以布儒斯特角入射到第二偏振分光棱镜并透射通过棱镜分光面，经过第二偏振分光棱镜的第一光线和第二光线汇合后，经过箱体出光口照射到积分球内；

所述中性衰减片轮位于准直透镜和第一偏振分光棱镜之间，所述第一遮光板位于第一偏振分光棱镜和第一平面镜之间的第一光线路径上；所述第二遮光板位于第二平面镜和第二偏振分光棱镜之间的第二光线路径上。

优选地，所述中性衰减片轮为一个透过率在圆周方向连续变化的中性密度滤光片圆盘，透过率从0.1％到90％连续变化，圆盘中心轴与步进电机连接，通过计算机控制转动角度从而实现输入光强调整。

优选地，所述第一遮光板和第二遮光板分别与一舵机相连，通过计算机控制第一遮光板和第二遮光板进行旋转，实现0度或90度的切换，实现遮挡光线或允许光线通过。

优选地，所述测试电子学系统包括高压电源、衰减器和电荷数字转换器：

高压电源，用于提供光电倍增管工作的高压；

光电倍增管输出信号输入衰减器进行10倍衰减，衰减后信号输入电荷数字转换器进行电荷量测量。

本发明的第二方面还提出一种光电倍增管线性范围测试方法，包括：

步骤(1)、光源发出的入射光经衰减后入射到第一偏振分光棱镜分成两束；

步骤(2)、两束光线分别经过平面镜反射并进入第二偏振分光棱镜汇合后进入积分球；

步骤(3)、两束光线在积分球中混合均匀后从积分球发出，通过导光件照射到测试暗箱中的光电倍增管的阴极表面；

步骤(4)、通过控制第一遮光板和第二遮光板，使得每次允许一路光线照射到阴极表面，测试电子学系统测量两条光线分别照射到阴极的输出电荷量之和Q₁+Q₂；

步骤(5)、两遮光板都打开，测试电子学系统测量两路光同时照射到阴极时的输出电荷量Q₁₂，其中Q₁₂偏离Q₁+Q₂的程度即为该输出电荷量下的非线性度；

步骤(6)、转动中性衰减片轮，分别测试不同输入光强下的非线性度，当非线性度达到预设值时对应的输出电荷量即为光电倍增管的最大线性输出电荷量。

优选地，在步骤(5)-(6)中，具体采用下述方法来确定非线性度和光子数：

首先打开第一光线，测试该光照下光电倍增管输出的信号电荷量Q₁；然后打开第二光线，在两束光线照射下测试输出的信号电荷量Q₁₂；最后关闭第一光线测试第二光线光照下光电倍增管输出的信号电荷量Q₂，则非线性度NL为：

该非线性度下对应的光子数n为：

式中：

NL——非线性度；

G——增益；

e——电子电荷量；

n——线性光子数

由以上方案可见，本发明通过使用单光源与可调光强分光光路解决双光源性能无法完全一致、长期使用光源老化光强出现偏差，影响测量精度的问题。在测试过程中，旋转中性滤光片，使输入光强逐渐加大，可测试各光强下的非线性度，直到非线性度超过规定值为止，非线性度等于规定值时对应的光子数为线性光子数，测试过程可控，测量准确度高。

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是本发明的光电倍增管线性范围测试装置的示意图。

图2是本发明的光电倍增管线性范围测试装置的分光暗箱内的光路结构示意图。

图示中的各个附图标记含义如下：

1光源；2准直透镜；3中性衰减片轮；4第一偏振分光棱镜；5第一平面镜；6第二平面镜；7第二偏振分光棱镜；8第一遮光板；9第二遮光板；10入光口；11出光口

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、2所示，本发明的实施例的光电倍增管线性范围测试装置，包括光源、光源驱动器、分光暗箱、积分球、导光件、测试暗箱、测试电子学系统和计算机。

光源驱动器与所述光源连接，通过光源驱动器驱动所述光源发光，照射到分光暗箱。光源驱动器通过电缆与光源连接，光源驱动器还通过数据传输线与计算机连接。

优选地，光源为单光源，且为单色光源或准单色光源。光源驱动器，具有可配置参数的脉冲输出功能，用于驱动所述光源发光。

在具体的实施过程中，光源为激光二极管单光源，中心波长405nm，功率20mW。

光源驱动器采用脉冲信号发生器，通过计算机控制输出脉冲参数，在本实施例中设置脉冲信号频率500Hz,脉冲宽度100ns,脉冲幅度2.5V。

在另外的实施例中，当光源为标准A类光源时，在光源和分光暗箱之间还需设有滤光片或单色仪以获取所需单色光，对应地光源驱动器为恒流源驱动。

分光暗箱出光口连接积分球入口，所述分光暗箱为具有一个入光口10和一个出光口11的不透明箱体,尤其是金属箱体。箱体内壁为黑色，通过所述分光暗箱进行光束分光输出，通过出光口照射到积分球内混合均匀。

积分球出光口与测试暗箱入光口之间通过导光件连接，例如通过石英光纤进行连接，实现光线的传输。

积分球可选的直径为0.3m,反射层为PTFE材质，亮度均匀性＞98％。

测试电子学系统，用于提供光电倍增管工作的高压以及测量光电倍增管的输出信号。

计算机，用于控制测试装置的运行，包括用于控制控制光源驱动器、控制分光暗箱中的电动装置实现分光、控制并配置测试电子学系统测试以及读取测试电子学系统的测量值并经过处理后生成测试结果。

暗箱内部为了防止杂散光干扰，内壁和所有的固定夹具全部喷涂消光漆(黑色漆)。如图1的示例，为了最大限度的减小杂散光干扰，在光路之间还使用喷涂消光漆的金属挡板进行分割。

结合图2所示，分光暗箱的箱体内设置有准直透镜2、中性衰减片轮3、第一偏振分光棱镜4、第一平面镜5、第二平面镜6、第二偏振分光棱镜7、第一遮光板8和第二遮光板9。

准直透镜为平凸透镜，其中透镜平面侧靠近入光口。

优选地，偏振分光棱镜的波长覆盖400nm-700nm，消光比例大于1000:1，主透射率P光＞95％，S光＜1％，主反射率P光小于5％，S光＞99％。

结合图2所示，光源1发出的光线经过箱体入光口10照射到准直透镜2后形成平行光线，该平行光线经过中性衰减片轮3后，以布儒斯特角入射到第一偏振分光棱镜4后分解为两束振动方向互相垂直的线偏振光，P光透射形成透射光，S光反射形成反射光，以反射光线为第一光线，以透射光线为第二光线。

第一光线经过第一平面镜5反射后，入射到第二偏振分光棱镜7并在棱镜分光面发生反射。

第二光线经过第二平面镜6反射后以布儒斯特角入射到第二偏振分光棱镜7并透射通过棱镜分光面，经过第二偏振分光棱镜7的第一光线和第二光线汇合后，经过箱体出光口11照射到积分球内。

优选地，分光暗箱的入光口10和出光口11均安装可调光阑。

如图2，中性衰减片轮3位于准直透镜2和第一偏振分光棱镜4之间，第一遮光板位于第一偏振分光棱镜和第一平面镜之间的第一光线路径上；第二遮光板位于第二平面镜和第二偏振分光棱镜之间的第二光线路径上。

优选地，中性衰减片轮3为一个透过率在圆周方向连续变化的中性密度滤光片圆盘，透过率从0.1％到90％连续变化，圆盘中心轴与步进电机连接，通过计算机控制转动角度从而实现输入光强调整。

优选地，第一遮光板8和第二遮光板9分别与一舵机相连，通过计算机控制第一遮光板和第二遮光板进行旋转，实现0度或90度的切换，实现遮挡光线或允许光线通过。

本发明的实施例中，测试电子学系统包括高压电源、衰减器和电荷数字转换器：

高压电源，用于提供光电倍增管工作的高压；

光电倍增管输出信号输入衰减器进行10倍衰减，衰减后信号输入电荷数字转换器进行电荷量测量。

如图1所示，结合以上实施例的光电倍增管线性范围测试装置，光电倍增管线性范围测试过程包括：

步骤(1)、光源发出的入射光经衰减后入射到第一偏振分光棱镜分成两束；

步骤(2)、两束光线分别经过平面镜反射并进入第二偏振分光棱镜汇合后进入积分球；

步骤(3)、两束光线在积分球中混合均匀后从积分球发出，通过导光件照射到测试暗箱中的光电倍增管的阴极表面；

步骤(4)、通过控制第一遮光板和第二遮光板，使得每次允许一路光线照射到阴极表面，测试电子学系统测量两条光线分别照射到阴极的输出电荷量之和Q₁+Q₂；

步骤(5)、两遮光板都打开，测试电子学系统测量两路光同时照射到阴极时的输出电荷量Q₁₂，其中Q₁₂偏离Q₁+Q₂的程度即为该输出电荷量下的非线性度；

步骤(6)、转动中性衰减片轮，分别测试不同输入光强下的非线性度，当非线性度达到预设值时对应的输出电荷量即为光电倍增管的最大线性输出电荷量。

优选地，在步骤(5)-(6)中，具体采用下述方法来确定非线性度和光子数：

首先打开第一光线，测试该光照下光电倍增管输出的信号电荷量Q₁；然后打开第二光线，在两束光线照射下测试输出的信号电荷量Q₁₂；最后关闭第一光线测试第二光线光照下光电倍增管输出的信号电荷量Q₂，则非线性度NL为：

该非线性度下对应的光子数n为：

式中：

NL——非线性度；

G——增益；

e——电子电荷量；

n——线性光子数。

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 (10)

1.一种光电倍增管线性范围测试装置，其特征在于，包括光源、光源驱动器、分光暗箱、积分球、导光件、测试暗箱、测试电子学系统和计算机，其中：

所述光源驱动器与所述光源连接，通过光源驱动器驱动所述光源发光，照射到分光暗箱；

所述分光暗箱出光口连接积分球入口，所述分光暗箱为具有一个入光口和一个出光口的不透明箱体,箱体内壁为黑色，通过所述分光暗箱进行光束分光输出，通过出光口照射到积分球内混合均匀；

所述积分球出光口与测试暗箱入光口之间通过导光件连接；

所述测试电子学系统，用于提供光电倍增管工作的高压以及测量光电倍增管的输出信号；

所述计算机，用于控制测试装置的运行，包括用于控制控制光源驱动器、控制分光暗箱中的电动装置实现分光、控制并配置测试电子学系统测试以及读取测试电子学系统的测量值并经过处理后生成测试结果。

2.根据权利要求1所述的光电倍增管线性范围测试装置，其特征在于，所述光源为单光源，且为单色光源或准单色光源。

3.根据权利要求1所述的光电倍增管线性范围测试装置，其特征在于，所述光源驱动器为脉冲驱动。

4.根据权利要求1所述的光电倍增管线性范围测试装置，其特征在于，所述光源为标准A类光源，在光源和分光暗箱之间还设有滤光片或单色仪以获取所需的单色光，所述光源驱动器被设置为恒流源驱动。

5.根据权利要求1所述的光电倍增管线性范围测试装置，其特征在于，所述分光暗箱的箱体内设置有准直透镜、中性衰减片轮、第一偏振分光棱镜、第一平面镜、第二平面镜、第二偏振分光棱镜、第一遮光板和第二遮光板，其中：

所述光源发出的光线经过箱体入光口照射到准直透镜后形成平行光线，该平行光线经过中性衰减片轮后，以布儒斯特角入射到第一偏振分光棱镜后分解为两束振动方向互相垂直的线偏振光，P光透射形成透射光，S光反射形成反射光，以反射光线为第一光线，以透射光线为第二光线；

第一光线经过第一平面镜反射后，入射到第二偏振分光棱镜并在棱镜分光面发生反射；

第二光线经过第二平面镜反射后以布儒斯特角入射到第二偏振分光棱镜并透射通过棱镜分光面，经过第二偏振分光棱镜的第一光线和第二光线汇合后，经过箱体出光口照射到积分球内；

所述中性衰减片轮位于准直透镜和第一偏振分光棱镜之间，所述第一遮光板位于第一偏振分光棱镜和第一平面镜之间的第一光线路径上；所述第二遮光板位于第二平面镜和第二偏振分光棱镜之间的第二光线路径上。

6.根据权利要求5所述的光电倍增管线性范围测试装置，其特征在于，所述中性衰减片轮为一个透过率在圆周方向连续变化的中性密度滤光片圆盘，透过率从0.1％到90％连续变化，圆盘中心轴与步进电机连接，通过计算机控制转动角度从而实现输入光强调整。

7.根据权利要求5所述的光电倍增管线性范围测试装置，其特征在于，所述第一遮光板和第二遮光板分别与一舵机相连，通过计算机控制第一遮光板和第二遮光板进行旋转，实现0度或90度的切换，实现遮挡光线或允许光线通过。

8.根据权利要求5所述的光电倍增管线性范围测试装置，其特征在于，所述测试电子学系统包括高压电源、衰减器和电荷数字转换器：

高压电源，用于提供光电倍增管工作的高压；

光电倍增管输出信号输入衰减器进行10倍衰减，衰减后信号输入电荷数字转换器进行电荷量测量。

9.一种根据权利要求1-8中任意一项所述的光电倍增管线性范围测试装置的光电倍增管线性范围测试方法，其特征在于，包括：

步骤(1)、光源发出的入射光经衰减后入射到第一偏振分光棱镜分成两束；

步骤(2)、两束光线分别经过平面镜反射并进入第二偏振分光棱镜汇合后进入积分球；

步骤(3)、两束光线在积分球中混合均匀后从积分球发出，通过导光件照射到测试暗箱中的光电倍增管的阴极表面；

步骤(4)、通过控制第一遮光板和第二遮光板，使得每次允许一路光线照射到阴极表面，测试电子学系统测量两条光线分别照射到阴极的输出电荷量之和Q₁+Q₂；

步骤(5)、两遮光板都打开，测试电子学系统测量两路光同时照射到阴极时的输出电荷量Q₁₂，其中Q₁₂偏离Q₁+Q₂的程度即为该输出电荷量下的非线性度；

步骤(6)、转动中性衰减片轮，分别测试不同输入光强下的非线性度，当非线性度达到预设值时对应的输出电荷量即为光电倍增管的最大线性输出电荷量。

10.根据权利要求9所述的光电倍增管线性范围测试方法，其特征在于，在步骤(5)-(6)中，具体采用下述方法来确定非线性度和光子数：

首先打开第一光线，测试该光照下光电倍增管输出的信号电荷量Q₁；然后打开第二光线，在两束光线照射下测试输出的信号电荷量Q₁₂；最后关闭第一光线测试第二光线光照下光电倍增管输出的信号电荷量Q₂，则非线性度NL为：

该非线性度下对应的光子数n为：

式中：

NL——非线性度；

G——增益；

e——电子电荷量；

n——线性光子数。

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