Automatic test system for progressive gain of dynode photomultiplier tube北大核心CSCD

逐级增益是评价打拿极光电倍增管（photomultiplier tube, PMT）性能的重要参数之一,目前国内仅有一台逐级增益测试系统,依靠人工操作,测试效率不高。为提高逐级增益测试效率,设计了一套打拿极PMT逐级增益自动测试系统。该系统使用由可控光阑、电动挡板等组成的自动光源实现光源输出强度连续可调,并通过控制高压模块、分压器模块和继电器模块实现逐级电压的通断。利用精度为0.01 nA的电流计模块完成信号的采集、处理和传输,实现对逐级增益的自动测量。实验证明,该系统可有效测量打拿极PMT的逐级增益特性,测试重复性在2%以内,满足测试需求。     

Graphical offline analysis software of electron multiplier pulse signals北大核心CSCD

电子倍增器（electron multiplier,EM）工作于脉冲状态下,其阳极上输出离散的信号,考虑到电子倍增过程具有一定的统计性规律,研究EM在脉冲状态下的性能参数,需要对阳极输出的脉冲信号进行大量测试和分析。以基于打拿极电子倍增器的光电倍增管（photomultiplier tubes,PMT）为例,通过改变入射光强度使其工作在脉冲状态,利用高带宽、高采样率示波器采集其阳极输出信号。基于Python开发了一种图形化数据分析软件,用来对示波器采集的大量脉冲信号数据进行离线分析,从中可以获得PMT的电荷积分谱、增益、分辨率、后脉冲率、前沿时间等性能参数,软件采用模块化结构,根据不同的测试需求各个模块可以单独工作。该软件可以快速实现EM在脉冲状态下的性能参数分析,为EM制作工艺的优化及其在微弱信号探测领域中的应用提供了一种便利的分析手段。     

微带像增强器的选通特性研究

讨论了像增强器微带传输电路和脉冲选通模型.根据传输线理论用数值方法模拟了纳秒和皮秒脉冲在像增强器内的传输特性,给出了相吻合的理论和实验结果;将脉冲微带传输模型和微通道板的时间相关离散打拿极模型相结合,完整地分析了像增强器的脉冲选通特性.研究结果表明:与输入脉冲相比,加载到微带上的脉冲和像增强器输出端输出脉冲的变化主要受微带传输时间的影响;像增强器光选通的特性与输入脉冲有明显的区别.     

强磁场下精细网型光电倍增管的性能测试

北京谱仪升级后(BESⅢ)的飞行时间计数器(TOF)将使用精细网型光电倍增管(PMT).本工作对日本浜松(Hamamatsu)公司生产的精细网型光电倍增管R5924(FM)的性能在强磁场下进行了测试.测量了PMT在顺、逆磁场方向时相对增益随磁场强度的变化,在1T时,与0磁场相比,相对增益下降约50余倍.测量了不同磁场强度(0,0.5,1T)下,PMT的相对增益随工作电压的变化,在相当宽的工作电压范围内,相对增益随工作电压的变化具有指数关系.通过不同磁场强度下PMT相对增益随工作电压变化趋势的比较,表明PMT打拿极精细网型的特殊构造使二次电子发射系数δ中的因子k小于一般值,且随磁场强度的增强而变小,这是造成强磁场下PMT增益下降的重要原因.     

OH自由基共振荧光的门控光子计数测量

针对气体扩张激光诱导荧光测量低浓度OH自由基系统中短寿命低强度荧光的检测需求,提出了一种共振荧光的门控光子计数测量方法,通过光电倍增管的快速门控电路设计,实现纳秒级时序内荧光的选择性测量.使用一个13级高增益端窗光电倍增管进行荧光探测,通过改变光电倍增管打拿极上的加载电压来实现光电倍增管的快速门控.电路可获得稳定的调制电压,开关延迟时间为168ns,上升沿时间约20ns.对门控电路进行器件优化及匹配参量后,采用调制打拿极d1d3d5的方式,开关引起的光电倍增管噪声降至210ns以内,调制开关比优于10~5.将门控系统应用于气体扩张激光诱导荧光系统OH自由基的荧光探测,有效获得自由基荧光信号.对307.8~308.2nm波段内的OH自由基激发谱线进行了测量,实验结果表明,门控电路能有效抑制激光杂散光的影响,实现低浓度OH自由基共振荧光信号测量.     

共聚焦生物芯片扫描仪中PMT电流增益的自动控制

根据共聚焦生物芯片扫描仪获得的图像,设计了计算机控制下的PMT电流增益自动控制系统.根据计算生物芯片图像的灰度分布与期望灰度分布的差异,得到期望灰度分布时PMT的期望电流增益,进而获得PMT的期望控制电压.一个12位数模转换器产生期望控制电压,自动控制PMT电流增益的调节,控制电压精度高达2 mV.实验结果表明,所设计的PMT电流增益自动控制系统可快速、准确地实现PMT电流增益调节,并具有稳定性高、抗干扰能力强的特点.     

基于脉冲陡化技术的皮秒分幅相机选通脉冲研究

为获得高幅值和窄半高宽的选通脉冲，基于雪崩三极管Marx脉冲发生器和脉冲陡化技术，设计皮秒高压脉冲电路，对应用于分幅相机的选通脉冲展开研究，并采用蒙特卡洛法建立微通道板通道内的光电子动态倍增研究模型，通过将选通脉冲应用于微通道板增益计算获取时间分辨率。研究结果表明，基于Marx脉冲发生器和脉冲陡化技术相结合产生皮秒选通脉冲的方法是可行的，当Marx脉冲发生器为三级，脉冲陡化电路的两个电感和电容分别为725 nH、7 nH、1 pF时，可获得幅值-2.8 kV和半高宽124 ps的选通脉冲。将该选通脉冲加载于微通道板上进行光电子动态倍增过程研究，通过分析和统计微通道板增益，获得分幅相机的时间分辨率约为53 ps。     

激光测深系统中大动态范围压缩技术的实验研究

分析了分通道、距离选通、光电倍增管变增益、正交偏振等多种技术相结合的方法,用以改善机载激光测深系统中激光回波的动态范围。并研制了相应的变增益部件,开展了水池试验以及海上现场试验。试验结果表明,多种方法相结合的技术可对水底信号的动态范围进行有效压缩,满足机载测深系统对浅海测量的动态范围要求;但正交偏振技术对信号测量压缩的改善效果并不明显。报道了试验过程中出现的光电倍增管后脉冲对水深测量的影响。对动态范围压缩技术进一步研究提供了有价值的参考。     

强脉冲信号在光纤参变放大器中的放大特性研究

考虑到抽运损耗、走离、色散和非线性等效应,用分步傅里叶方法求解耦合的非线性薛定谔方程组,就强脉冲信号在连续光抽运光纤参变放大器中的放大情况进行了理论研究。研究结果表明,强脉冲信号除经历振幅放大,脉冲时域展宽等过程外,还会发生令人感兴趣的脉冲分裂现象,即一个脉冲信号分裂为两个子脉冲。而且即使在连续光抽运的情况下,走离效应对强脉冲信号的放大也产生了显著影响,即促使两个子脉冲振幅不等以及脉冲漂移。最后,强脉冲信号独特的放大特性用光纤参变放大器的饱和增益特性做了很好的解释,并指出脉冲分裂现象在信号抽样、脉冲压缩、光时分复用系统中有潜在用途。     

一种用于距离选通的ICCD设计与实现

研制了一种短余辉、高分辨率、快时间响应的高速选通超二代像增强器,通过光纤锥与CCD进行耦合成高性能距离选通ICCD,理论分析各部件的性能及其对系统空间分辨率的影响;采用FPGA设计电路控制系统,该系统产生出纳秒级的选通门宽以实现对ICCD的数字控制,同时可以对选通脉冲宽度和延时时间进行调整以实现不同亮度以及距离目标的清晰成像,降低背景噪音以及增大成像的动态范围.此外,该系统具有增益监控和调节功能,信噪比达到20∶1dB,在超二代像增强器阴极和微通道板输入面之间加幅度为-200V、宽度为3ns直流连续可调的选通脉冲以实现对增强器的选通,为了提高光电阴极补充电子的速度,在输入窗内表面光刻有线宽为5μm、间距为50μm正方形格栅以保证选通门宽为3ns时光电阴极有足够快的响应速度,选通频率最高可达到300kHz,实验测试在微通道板电压为700V、荧光屏电压为5 000 V时增强器增益可达10 718cd/m2 lx,ICCD系统空间分辨率达到29.7lp/mm.     

Pseudo-Lock-in Light Detection Method for a Sinusoidally-Gain-Modulated Photomultiplier Tube

In order to detect a weak signal varied in an intensive background light, we propose a novel pseudo-lock-in light detection scheme used for a photomultiplier tube (PMT) whose gain is modulated sinusoidally. Let the signal light incident on the PMT be modulated sinusoidally at a frequency f. In this situation, one of the dynode voltages applied for the PMT is deeply biased and a sinusoidal reference signal with a frequency f is superimposed on the bias voltage. Then, we detect a frequency component of 2f at the output of the PMT selectively. To pick up only the 2f component, we connect a digital oscilloscope directly to the output of the PMT. Thereafter the digitized waveform stored on a temporal memory of the digital oscilloscope is fast-Fourier-transformed (FFT). Two numerical values obtained from the resultant amplitude and the phase spectrum at the frequency 2f, respectively, correspond to the intensity and the phase of the modulated signal light incident on the PMT. A fundamental performance test of the proposed scheme was carried out.     

Characterization of elliptically polarized femtosecond pulses by molecular-alignment-based frequency resolved optical gating

We demonstrated that molecular-alignment-based cross-correlation frequency resolved optical gating (M-XFROG) could be used for complete characterization of elliptically polarized femtosecond pulses by measuring the orthogonal linear polarization components and the additional polarization projection at 45 degree of the target pulse. The electric field orientation, polarization ellipticity angles, and phase information of the target pulse were also obtained. The transiently aligned air molecules functioned as a linear optical gating function in the measurement processes. The validity and robustness of M-XFROG were confirmed by the comparison between the retrieved optical gating function and measured molecular alignment signal in air.     

Amplitude and phase characterization of weak blue ultrashort pulses by downconversion

We present difference-frequency generation cross-correlation frequency-resolved optical gating, a new method of characterizing the amplitude and phase of weak ultrashort pulses in the blue spectral region. The method uses the spectrally resolved downconversion signal of the blue pulse and a fully characterized reference pulse with a lower center frequency. The amplitude and phase of the blue test pulse are retrieved from the corresponding spectrogram and electric field of the reference pulse with an interactive Fourier-transform algorithm.     

基于瞬态光栅频率分辨光学开关法测量飞秒脉冲的研究

超宽光谱的飞秒脉冲测量一直是超快激光领域的重要研究方向之一.常规的飞秒脉冲自相关方法是通过测量自相关倍频信号来获得,而倍频信号具有波长选择性,不同中心波长的飞秒脉冲测量需要更换不同的倍频晶体,十分不方便.因此,提出了一种改进型的瞬态光栅频率分辨光学开关(TG-FROG)方法用于测量飞秒脉冲.该方法结合四波混频和频率分辨光学开关方法,其基本过程是将待测脉冲分为三束,其中两束脉冲经过精密的延时控制并聚焦在光学介质上达到时空重合,利用三阶非线性效应产生稳定的瞬态光栅作为开关光;另一束脉冲作为探测光与产生的瞬态光栅进行相互作用产生一个信号光,使用光谱仪对该信号光的光谱与延迟时间进行测量,并通过反演迭代算法处理而获取待测飞秒脉冲的光谱与电场信息.该方法只需要待测光的功率密度达到三阶非线性效应就可以实现测量,因此可以应用于任意中心波长的飞秒脉冲测量.利用该方法对中心波长分别为800 nm, 400 nm的飞秒脉冲,以及超连续亚10 fs的周期量级超宽光谱飞秒脉冲进行了测量,并与常规的干涉自相关仪器测量结果进行了比较,所得测量结果基本一致.实验结果表明,建立的基于TG-FROG方法对不同中心波长,不同脉冲宽度的飞秒脉冲测量是十分有效的.     

光电倍增管对14 MeV脉冲中子的直照响应

 采用ING-103型DPF脉冲中子源产生的14.1 MeV脉冲中子对EMI两个不同型号的光电倍增管EMI-9815B和EMI-9850B进行了直照实验。针对DPF脉冲中子源产生中子脉冲的同时也会产生X射线脉冲的特点，采取了飞行时间法及吸收衰减法来消除X射线对中子脉冲的干扰。利用中子及X射线速度的差异，将光电倍增管放置在离源较远的测点位置，测得了X射线脉冲和中子脉冲时间上错开的双峰波形。通过在辐射通道内添加5 cm厚的铅吸收体有效地抑制了X射线峰，在离源较近的测量位置测到了干净的脉冲中子波形。根据实测波形，得到的光电倍增管EMI-9815B和EMI-9850B中子直照灵敏度分别为10^-13与10^-15量级，该结果与理论计算结果在量级上一致。     

基于回波信号仿真的瑞利-喇曼-米激光雷达研制

 在分析瑞利、喇曼和米散射仿真回波信号的基础上,研制了一台探测大气温度、气溶胶和卷云的瑞利-喇曼-米散射激光雷达,实现了一台激光雷达针对大气温度、气溶胶和卷云光学特性的多参数探测。为提高瑞利和喇曼微弱回波信号信噪比,采用了极高灵敏度的R4632光电倍增管和光子计数技术;为实现对大气气溶胶和卷云的探测,532 nm回波信号采取高低分层技术、高层通道回波衰减方法和探测器门控技术。瑞利-喇曼-米散射激光雷达的探测结果证明了利用仿真回波信号指导激光雷达设计的可行性。     

A high dynamic range readout unit for a calorimeter

A high dynamic range readout system, consisting of a multi-dynode readout PMT and a VA32 chip, is presented. An LED system is set up to calibrate the relative gains between the dynodes, and the ADC counts per MIPs from dynode 7 are determined under cosmic-ray calibration. A dynamic range from 0.5 MIPs to 1×10⁵ MIPs is achieved.