脉冲中子探测器用国产 PMT 的批量测试研究

马烈华;艾杰;马景芳;向艳军

【摘 要】For the development of pulsed neutron detectors ,a batch test of the home‐made GDB‐235 PM Ts was carried out .Using relative

measurement method ,the distri‐bution of the PM Ts’ anode sensitivities was obtained .In order to assess the applicabili‐ty of the PMT to extreme temperature ,high and low temperatures storage test was carried out and the statistical law of the PM Ts’ sensitivity change rates was obtained . By using the Lissajous figure method ,it is shown that the average of the maximum linear output voltage of the PMTs is 369.9 mV ,which can meet the requirements of the pulsed neutron detector .%针对脉冲中子探测器研制的需求，对国产GDB‐235型PMT进行了批量测试与研究。通过相对测量的方法，获得了该型PMT阳极灵敏度的分布状态。为考核PMT对极端气温条件的适应性，通过高、低温贮存实验，获得了PMT灵敏度变化的统计规律。最后通过李萨如图形法测得该型PMT的最大线性输出幅度平均达369.9mV，可满足中子探测器研制的要求。

【期刊名称】《原子能科学技术》 【年(卷),期】2016(050)011 【总页数】4页(P2081-2084)

【关键词】PMT;批量测试;脉冲线性幅度 【作 者】马烈华;艾杰;马景芳;向艳军

【作者单位】中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳 621900;中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳 621900;中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳 621900;中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳 621900 【正文语种】中 文 【中图分类】TL813

PMT(光电倍增管)作为一种有效的弱光探测器件，自20世纪30年代诞生起，经数十年的改进和发展，已在高能物理、激光、太空探测、石油测井、医疗等领域得到普遍应用[1-2]。PMT与其他光电器件相比，在灵敏度、噪声、动态响应范围及线性输出电流等指标上有较大优势，因此，PMT与闪烁体配合组成的闪烁探测器可用于快中子脉冲堆[3]、DPF(稠密等离子体聚焦装置)[4-5]、ICF(惯性约束核聚变装置)[6-7]及便携式中子发生器[8]等中子参数测量。基于应用需求，计划研制一批便携式闪烁中子探测器用于脉冲中子辐射场的测量。目前国内科研活动中广泛使用进口PMT，如日本Hamamatsu、荷兰Philips、英国ET等，对国产PMT的应用报道较少。上述厂家的PMT在阴极灵敏度、增益、分辨率、噪声等技术参数方面有一定优势，但价格高昂。国产GDB-235型PMT具有体积小、结构简单、可靠性高、工作电压低等优点，成本与进口同类型PMT相比具有较大优势，因此拟采用该型PMT作为中子探测器的光电转换器件。由于PMT制造工艺中涉及若干手工操作环节，个体之间的性能差异较大，因此在中子探测器研制前，对PMT进行测量和筛选是十分必要的，本文将对国产GDB-235型PMT进行批量测试与研究。

GDB-235型PMT采用钠钙玻璃端窗式半透明锑钾铯光阴极和瓦片型直列式静电聚焦倍增系统，具有8个倍增级，阴极有效直径为25mm，光谱响应范围为300～650nm，峰值波长为(430±20) nm。为方便比较，每个PMT在测试中使用

同一个分压器及相同的工作高压。分压器的结构和分压参数如图1所示，光阴极施加-600V工作高压。分压参数和工作高压均为实际工作时的典型值。 考虑到PMT阳极灵敏度的绝对测试较困难，为验证PMT个体之间阳极灵敏度的差异程度，设计一种对阳极灵敏度进行相对测量的方法，实验框图示于图2。 将待测PMT与一只灵敏度长期稳定的标准PMT共同置于暗箱内，对同一脉冲光源进行测量，在示波器上测量各自的输出信号幅度，定义相对灵敏度k为： 式中：Ui为待测PMT输出信号幅度，V；U0为标准PMT输出信号幅度，V。为降低统计涨落及示波器读数引起的误差，实验中和均为取200个信号的平均值。控制实验条件不变，更换待测PMT，即可得到每个待测PMT的相对灵敏度。实验中使用的光源为脉冲方波驱动的蓝光LED，发光强度控制在较弱的水平以避免PMT产生输出幅度饱和。待测PMT置于坡莫合金套筒内，以消除地磁影响。经测试，96只GDB-235型PMT的平均相对灵敏度为0.863，65%的PMT的相对灵敏度为0.5～1.2。相对灵敏度的具体统计分布如图3所示。在历时2个多月的实验过程中，标准PMT平均输出信号幅度的变化小于2%，证明LED与标准PMT组成的参考系统是稳定的。

PMT的阳极灵敏度与施加的总电压及各打拿级分压比有很大关系。图4给出6个PMT相对阳极灵敏度随工作高压的变化。由图4可知，PMT的灵敏度十分依赖于工作高压，且在一定范围内随高压指数上升。因此，在研制闪烁探测器时，内部将设计一分压电阻调节PMT的实际工作高压，使各PMT的灵敏度基本一致。 为考核PMT对恶劣气温环境的适应性，设计了PMT高、低温贮存稳定性实验。首先，常温时测试待测PMT的相对灵敏度ka，然后将待测PMT取出，放入高、低温试验箱中，在-30℃低温下贮存12h，而后在55℃高温下贮存24h，恢复常温12h后，再对PMT进行测量，得到高、低温贮存后的相对灵敏度kb。两次测量时的光源强度、PMT位置及工作高压等相关参数均保持一致，每次测量前标准

PMT均经预热，输出达到稳定，待测PMT在预热5min后取数。测试系统不确定度不大于1%。定义η为待测PMT相对灵敏度的变化率：

测试后的统计结果表明，该批次的PMT经历-30℃、55℃的低、高温贮存后，相对灵敏度平均降低了3.3%，绝大部分PMT降幅在8%以内，占总数的90%，具体统计分布如图5所示。PMT经历高、低温贮存后的灵敏度降低可能与光阴极和打拿级的损伤有关。个别PMT在经历高、低温贮存后灵敏度反而升高，这可能与测试前老化过程不充分有关，有待进一步实验验证。在闪烁中子探测器研制时，将择优使用灵敏度变化较小的PMT。

为验证PMT能否满足中子探测器对输出线性的要求，对PMT的脉冲线性输出电流进行测试。PMT的线性测量有多种方法，常用的有波形比较法、李萨如图形法(x-y显示法)[9]和双脉冲法[10]等。李萨如图形法具有直观性强、光源稳定性要求低等优点，因此采取该方法进行PMT脉冲线性测试。标准PMT采用具有较大线性电流的进口PMT，在实验中确保始终工作在线性区。实验中，通过控制脉冲产生器的输出脉冲幅度控制发光LED光强，在示波器上观测不同光强下的标准PMT与待测PMT的200个信号的平均输出幅度，绘出李萨如曲线。图6为两只典型的GDB-235型PMT的李萨如曲线，图中x坐标为标准PMT平均脉冲输出幅度，y坐标为待测PMT的平均脉冲输出幅度。光强较低时，待测PMT工作在线性区；随着光强增加，李萨如曲线逐渐向下弯曲，当线性偏离度达10%时，即为PMT的最大线性输出幅度。根据测试结果，GDB-235型PMT最大脉冲线性输出幅度平均为369.9mV(50Ω负载)。图7为55只PMT最大线性输出幅度的统计分布。根据中子探测器研制要求，PMT最大脉冲线性电流须大于5mA，即在50Ω负载下脉冲线性输出幅度达到250mV以上。根据测试结果，除个别PMT较为临界外，大部分PMT可满足此项指标要求。

对国产GDB-235型PMT进行了批量测试与研究，通过相对测量的方法得到了该

批次PMT阳极灵敏度的分布状态以及高、低温贮存后灵敏度变化分布规律，一定程度上反映了目前国产PMT的工艺控制及质量水平，也为后续中子探测器的研制提供了重要的优选依据。通过李萨如图形法测得该型PMT的最大线性输出幅度平均达369.9mV，可基本满足探测器研制要求。

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