第５Ｏ卷第３期 原子能科学技术 Ｖｏ１．５０，ＮＯ．３ ２０１６年３月 Ａｔｏｍｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｒ．２０１６ 波形比较法测量ＭＣＰ－ＰＭＴ对强窄脉冲的线性输出 黄展常，杨建伦，李国栋 （中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川Ｉ绵阳 ６２１９００） 摘要：ＭＣＰ－ＰＭＴ的线性输出常用线性输出电流表示，其依赖于输入信号分布。通过波形比较法，测量 ＭＣＰ—ＰＭＴ的线性输出电荷，以得到与输入波形无关的物理量。通过２０ ｎｓ和１０ ｎｓ两种不同脉宽输入 波形进行实验，获得了ＭＣＰ—ＰＭＴ的增益降低１Ｏ 时的输出电荷，两种脉宽情况下的结果基本一致。 关键词：ＭＣＰ—ＰＭＴ；脉冲线性；波形比较法 中图分类号：ＴＬ８１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—６９３１（２０１６）０３—０５５３—０５ ｄｏｉ：１０．７５３８／ｙｚｋ．２０１ ６．５０．０３．０５５３ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ＭＣＰ—ＰＭＴ’Ｓ Ｌｉｎｅａｒ Ｏｕｔｐｕｔ ｆｏｒ Ｎａｒｒｏｗ Ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ Ｐｕｌｓｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗａｖｅｆｏｒｍ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ＨＵＡＮＧ Ｚｈａｎ—ｃｈａｎｇ，ＹＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｌｕｎ，ＬＩ Ｇｕｏ—ｄｏｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１９００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＭＣＰ—ＰＭＴ’Ｓ ｌｉｎｅａｒ ｏｕｔｐｕｔ ｗａｓ ａｌｗａｙｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｐｕｌｓｅ ｓｈａｐｅ．Ａ ｎｅｗ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｃａｌｌｅｄ ｌｉｎｅａｒ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒｇｅ ｗｈｉｃｈ ｄｏｅｓｎ’ｔ ｄｅｐｅｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｐｕｌｓｅ ｓｈａｐｅ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅｓ ｗｉｔｈ ＦＷＨＭ ｏｆ ２Ｏ ｎｓ ａｎｄ １０ ｎｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒｇｅ ｏｆ ＭＣＰ—ＰＭＴ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｈｅｎ ｉｔｓ ｇａｉｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｂｙ １０ ，ａｎｄ ｂｏｔｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＣＰ—ＰＭＴ；ｐｕｌｓｅ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ；ｗａｖｅｆｏｒｍ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ＭＣＰ—ＰＭＴ具备高增益、快响应的特点，因 比较法等ｌ＿３ ］。双脉冲法只需一待测的倍增管， 此常用于强脉冲辐射测量ｌ＿】］。在Ｚ—ｐｉｎｃｈ或激 采用稳定的ＬＥＤ光源作为光输入，由于常采用 光ＩＣＦ中，ＭＣＰ—ＰＭＴ常应用于聚变中子能谱 多次统计叠加，因此对ＬＥＤ的稳定性要求高。 Ｄｏｐｐｌｅｒ展宽测量、脉冲Ｘ射线功率或能谱测 李萨如图法、波形比较法需一待测的倍增管和 量等快时间响应系统 ］。因此，研究ＭＣＰ— 一线性范围大的参考管，对参考管的稳定性和 ＰＭＴ对强度大、时间窄（通常十几ｎｓ）的脉冲 线性输出要求高。一般，ＭＣＰ—ＰＭＴ线性输出 信号的线性响应尤为重要。传统光电倍增管的 是针对某具体分布的波形（如高斯分布），取偏 线性测量常见的有双脉冲法、李萨如图法、波形 离线性一定百分数（常取５ 或１０ ）的输出电 收稿日期：２０１５－Ｏ１—２６；修回日期：２０１５—０３—１１ 作者简介：黄展常（１９８９一），男，广西玉林人，硕士研究生，从事惯性约束聚变物理诊断研究 ５５４ 流作为线性范围。该值受被测信号的宽度、频 率等属性的影响。ＩＣＦ实验中，不同诊断系统 针对的脉冲信号宽度不同，采用最大线性输出 电流不适用。本文引入一新的物理量——最大 线性输出电荷，通过测量２０ ｎｓ和１０ ｎｓ的激光 信号，采用波形比较法对光电倍增管和ＭＣＰ— ＰＭＴ同一时刻幅度进行线性拟合，取斜率作为 相对增益，并给出最大线性输出电荷。 ｌ 实验布局 根据图１所示的实验示意图搭建实验光 路，采用线性输出范围在１０ Ａ以上的光电倍增 管作为参考探测器ｌ＿７］，ＭＣＰ—ＰＭＴ是待测探测 器。采用干涉滤光片选择透过四倍频激光，闪 烁体将四倍频激光转换成荧光。中性减光片用 于调节两路光的相对输入光强。调节二者的几 何光程，使之相等，使得示波器上输出的同一时 刻的两组信号对应同一时刻的输入光强。 图１实验示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ２ 物理模型 ＭＣＰ—ＰＭＴ的饱和增益现象被Ｆｒａｓｅｒ提 出后，一直未建立一令人满意的饱和模型ｌ＿７］。 Ｆｒａｓｅｒ提出了光电倍增管两种较典型的饱和现 象＿８］：１）由于脉冲时间前部分从壁上摄取的电 荷未能得到及时补充造成通道中的轴向加速电 场减弱，进而对脉冲后半部分的增益不足，即壁 电荷增益饱和；２）脉冲时间前部分倍增产生电 子云沿通道移动，造成加速电压下降，发生空间 电荷增益饱和。对于通道尺寸小的ＭＣＰ＿ＰＭＴ， 主要发生第１种饱和现象；对于大尺寸单一通道 的电子倍增器，主要发生第２种饱和现象。 ＭＣＰ—ＰＭＴ的增益模型很多，大部分是根 据电子在通道中的运动轨迹建立的ｆ９ 。将 ＭＣＰ—ＰＭＴ等效为一ＲＣ的充放电网络，如图２ 原子能科学技术 第５Ｏ卷 所示。根据文献［１１］，增益Ｇ＝镜一 ～ 流 ＝槲一＝Ｇ。ｅｘｐ（ｋＱ），其 圯一 中， 为初始增益，ｋ为由ＭＣＰ－ＰＭＴ决定的 常数，Ｇ为微通道中乘积电荷为Ｑ时的增益。 假设光电倍增管的电流输出为Ｊ（ｔ），ＭＣＰ— ＰＭＴ的电流输出为 （ ），则ｋ Ｇ（ ）一ｉ（ ）／ｊ（￡） （其中，ｋ 为由两路光路的输入相对光强比、光 电管和ＭＣＰ—ＰＭＴ阴极量子效率差别等因素 决定的系数）。根据图２可列出电路方程为： 『Ｌ ｉ（ｔ）＋ ＲＣ＋Ｑ—ＶＣ—Ｑ。Ｕ 一 由 （０）一０，解得： ｒｔ Ｑ—Ｑｏ—ｅ 盯Ｉ （￡）ｅＥＲｃｄｔ 图２ ＭＣＰ—ＰＭＴ等效电路 Ｆｉｇ．２ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ＭＣＰ－ＰＭＴ 综上可知，对于窄脉冲信号，信号脉宽远小 于ＲＣ，ＭＣＰ—ＰＭＴ的增益与输出电荷存在指 数关系。本文将增益降低１Ｏ 时ＭＣＰ—ＰＭＴ 的输出电荷ｑ＝＝＝Ｑ。一Ｑ作为ＭＣＰ—ＰＭＴ的线性 输出电荷。 ３实验数据分析 对于２０ ｎｓ激光信号，实验中示波器得到 的较典型的３种波形如图３所示。深饱和时， 输出波形与输入波形相差甚远。ＭＣＰ—ＰＭＴ输 出信号经５０倍衰减后接入示波器。不同时刻 不同幅度光电倍增管输出与ＭＣＰ—ＰＭＴ输出 的关系如图４所示，其为常见的李萨如图。若 ＭＣＰ－ＰＭＴ线性输出，则绘出的是一直线。 原则上，同一时刻ＭＣＰ—ＰＭＴ的幅度与光 电倍增管的幅度之比即为增益ｋ Ｇ。为降低由 于波形的统计涨落引起的增益测量涨落，将某 时刻前后１ ｎｓ的点以光电倍增管输出作为 值，ＭＣＰ—ＰＭＴ输出作为Ｙ值进行线性拟合， 拟合得到的斜率为该时刻的增益，得到图５所 示的增益随时间变化曲线。由图５可知，对于 不同饱和程度的信号，增益的变化率有所不同。 对该曲线进行７阶多项式拟合后，将平台区的 第３期 《 黄展常等：波形比较法测量ＭＣＰ—ＰＭＴ对强窄脉冲的线性输出 《 ５５５ ０８之 １Ⅱ匝 ｝ ｓ ０．０６ 丑 ＿ ｏ６Ｏ４量 丑Ｎ 粤 ｏ２ Ｕ 毒０．１ 邑 ０ ０ 懿 墨０．０５ 邑０．０１ ０ Ｏ０ ００ 时间／ｎｓ 时间／ｎｓ 时间／ｎｓ 图３输入２０ ｎｓ信号时光电倍增管及ＭＣＰ—ＰＭＴ的输出波形 Ｆｉｇ．３ Ｏｕｔｐｕｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ａｎｄ ＭＣ￣ＰＭＴ ｆｏｒ ２０ ｎｓ ｉｎｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ≤ 于了 ≤ 丑 ≤ 蜊 粤 于了 集 集 Ｕ 茎 皇 里 光电管输出幅度／Ｖ 光电管输出幅度，Ｖ 曼 皇 Ｕ 茎 光电管输出幅度，、， 图４不同时刻ＭＣＰ—ＰＭＴ与光电倍增管输出幅度对比 Ｆｉｇ．４ Ｏｕｔｐｕｔ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ａｎｄ ＭＣＰ—ＰＭＴ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｉｍｅ ｊ 要皿 Ａ／ 丑集 图５增益随时间的变化曲线 Ｆｉｇ．５ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｇａｉｎ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ 值作为ＭＣＰ—ＰＭＴ的初始增益Ｇ，寻找增益降 低至９０ 的时刻ｔ。将增益作为Ｙ值，输出电 荷作为ｚ值，可绘制得到图６所示的曲线。当 ＭＣＰ－ＰＭＴ增益降低１０ 时，将ＭＣＰ－ＰＭＴ 的输出电流波形从有输出时刻到ｔ时刻积分 作为ＭＣＰ－ＰＭＴ的线性输出电荷ｑ，结果列于 表１。 由表１可知，当ＭＣＰ—ＰＭＴ增益降低１Ｏ 时，平均输出电荷为０．５０ ｎＣ。ｋ Ｇ不同是由于 两路输入光强相对之比不同造成的。可看到， 组与组之间、浅饱和与深饱和之间ｋ Ｇ的比值 输出电荷／ｎＣ 图６输入２０ ｎｓ信号时增益随输出电荷的变化曲线 Ｆｉｇ．６ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｇａｉｎ ｗｉｔｈ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒｇｅ ｆｏｒ ２０ ｎｓ ｉｎｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ 基本相同，这是因为中性减光片倍率在变化。 ５５６ 表１输入２０ ａｓ信号ＭＣＰ－ＰＭＴ 原子能科学技术 第５Ｏ卷 对于ｌＯ ｎｓ信号，保持实验光路布局不 变，改变小孔的大小和中性滤光片的倍率，得 到不同饱和程度的输出波形。示波器的典型 增益降低１Ｏ％时的输出电荷 Ｔａｂｌｅ １ Ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒｇｅ ｆｏｒ ２０ ｎｓ ｉｎｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ｗｉｔｈ ｇａｉｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ １０％ 输出波形如图７所示。ＭＣＰ－ＰＭＴ输出信号 经５Ｏ倍衰减后接人示波器。光电倍增管输出 信号经５倍衰减后接入示波器。由于示波器 的采样时间间隔为０．２ ｎｓ，因此对于１０ ｎｓ信 号，将１ ｎｓ内的点以光电倍增管输出作为３２ 值，ＭＣＰ—ＰＭＴ输出作为Ｙ值进行线性拟合， 拟合得到的斜率作为中间时刻的增益，得到 图８所示的增益随输出电荷的变化曲线。其 他处理过程与２Ｏ ｎｓ信号的相同，所得到的结 果列于表２。 注：同一组数据内，激光工作条件不变，深饱和时改变中 性减光片倍数使之变为浅饱和，其他条件不变 ≤ 罂 丑 之 习 ≤ 粤 丑 之 粤 丑 集 ＿ ｒ簿 拙 凸一 脚 凸＿ Ｕ Ｕ 图７输入１０ ＤＳ信号时光电倍增管及ＭＣＰ—ＰＭＴ输出波形 Ｆｉｇ．７ Ｏｕｔｐｕｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ａｎｄ ＭＣＰ－ＰＭＴ ｆｏｒ １０ ｎｓ ｉ如 加 ｍ ｎｐｕｔ ｓｉ∞ ｇｎａｌ 号的响应特性。结果表明，当实验所用的 ＭＣＰ—ＰＭＴ增益降低１０ 时，ＭＣＰ—ＰＭＴ的平 均输出电荷为０．５ ｎＣ。对于窄脉冲，该值与脉 冲形状无关。由输出电流与电荷的关系即可用 。输出电荷反推出某波形分布的信号的最大线性 电流输出。 表２输入１０ ａｓ信号ＭＣＰ＿ＰＭＴ 图８输入１０ ｎｓ信号时增益随输出电荷的变化曲线 Ｆｉｇ．８ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｇａｉｎ ｗｉｔｈ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒｇｅ ｆｏｒ １０ ｎｓ ｉｎｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ 增益降低１Ｏ％时的输出电荷 Ｔａｂｌｅ ２ Ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒｇｅ ｆｏｒ １０ ａｓ ｉｎｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ｗｉｔｈ ｇａｉｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ １０％ 由表２可知，当ＭＣＰ—ＰＭＴ增益降低１Ｏ ９／６ 时，平均输出电荷为０．５１ ｎＣ。 ４ 结论 本文通过波形比较法，测量了ＭＣＰ—ＰＭＴ 对２０ ｎｓ和１０ ｍｓ两种不同脉冲形状的激光信 第３期 黄展常等：波形比较法测量ＭＣＰ—ＰＭＴ对强窄脉冲的线性输出 ５５７ 参考文献： 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Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，４８（８）：１ ４８６—１ ４８９（ｉｎ Ｃｈｉ— ｎｅｓｅ）． Ｅ６］ 陈钰钰．ＭＣＰ－ＰＭＴ脉冲线性输出特性实验［Ｊ］． 原子核物理评论，２０１４，１３（２）：１７７—１８２． ＣＨＥＮ Ｙｕｙｕ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ＭＣＰ－ ＰＭＴ’Ｓ ｐｕｌｓｅ ｏｕｔｐｕｔ ｌｉｎｅａｒｔｙ［Ｊ］．Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｈｙｓ— ｉｃｓ Ｒｅｖｉｅｗ，２０１４，１３（２）：１７７—１８２（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）． ［７］ 王安筑．光电倍增管和光电倍增管线性电流的 测量和工作调试［Ｊ］．原子能科学技术，１９８８，２２ （２）：２２３—２２７． ＷＡＮＧ Ａｎｚｈｕ．Ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｈｏｔｏ— ｄｉｏｄｅ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ａｎｄ ａｄｊ ｕｓｔｍｅｎｔ ｏｆ ｏｐ— ｅｒａｔｉｏｎａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ［Ｊ］．Ａｔｏｍｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９８８，２２（２）：２２３—２２７（ｉｎ Ｃｈｉ— ｎｅｓｅ）． Ｅｓ］ ＦＲＡＳＥＲ Ｇ Ｗ．Ｔｈｅ ｇａｉｎ，ｔｅｍｐｏｒａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ—ｆｉｅｌｄ ｉｍｍｕｎｉｔｙ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ ｐｌａｔｅｓ［Ｊ］．Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ａ：Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ，Ｓｐｅｃ— ｔｒｏｍｅｔｅｒｓ，Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ， １９９０，２９１（３）：５９５—６０６． ［９］ ＷＩＺＡ Ｊ Ｌ．Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ ｐｌａｔｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｎｕ— ｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ，１９７９，１６２（１）： ５８７—６Ｏ１． ［１Ｏ］ ＴＲＥＭＳＩＮ Ａ Ｓ，ＳＩＥＧＭＵＮＤ ０ Ｈ Ｗ．Ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｌｏｕｄ ｆｏｏｔｐｒｉｎｔｓ ｆｒｏｍ ｍｉ— ｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ ｐｌａｔｅｓ：Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ［Ｊ］．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ 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