一種光電倍增管瞬態(tài)輸出特性的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電傳感器領(lǐng)域，涉及到一種用于微弱光信號(hào)檢測的傳感器，即光電 倍增管的瞬態(tài)輸出特性的計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光電倍增管作為一種利用光電效應(yīng)將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電傳感器， 被廣泛的應(yīng)用在核物理、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析及計(jì)量監(jiān)測等諸多領(lǐng)域。當(dāng)微弱的光入射到光 電倍增管時(shí)，其中的光子(數(shù)個(gè)至數(shù)千個(gè)）將與傳感器的光陰極作用并逸出光電子，而逸出 的光電子將在多個(gè)倍增電極的作用下逐級(jí)倍增，最終由陽極收集并輸出，形成可被檢測得 到的電信號(hào)。通過檢定陽極輸出的電信號(hào)，入射到光電倍增管中的光子的數(shù)量將得到確定， 達(dá)到光信號(hào)檢測的目的。
[0003] 但是，由于在光電倍增管中，光子到光電子的轉(zhuǎn)換、發(fā)射和輸出等涉及到的物理過 程眾多，使得光電倍增管的建模和計(jì)算方法一直是相關(guān)探測器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難題，特別是 其瞬態(tài)特性的計(jì)算方法不僅影響到整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確程度，還影響到前端電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 成功與否。
[0004] 最常見的計(jì)算方法，例如參考文獻(xiàn)（Photonis, Photomultiplier tubes principles & application, 2002)中所記載的公式，光電倍增管的瞬態(tài)輸出特性可表示 為： 其中表示和時(shí)間關(guān)聯(lián)的光電倍增管的瞬態(tài)輸出特性，為單位階躍函數(shù)，?和用于表示瞬 態(tài)輸出脈沖的形態(tài)。其輸出特性可由圖2中的虛線段所示的圖形進(jìn)行表示。
[0005] 該公式一定程度上可以反映光電倍增管輸出信號(hào)的瞬態(tài)特性，即電壓和電流與時(shí) 間的對應(yīng)關(guān)系。但是其存在以下幾個(gè)方面的缺陷和不足，影響其在實(shí)際應(yīng)用中的作用。
[0006] 首先，該公式是一個(gè)純數(shù)學(xué)公式，割裂了數(shù)學(xué)計(jì)算和物理過程之間的聯(lián)系，計(jì)算過 程難以理解。這使得設(shè)計(jì)人員無法利用該公式或計(jì)算方法，直接得到輸出結(jié)果和實(shí)際光電 倍增管性能參數(shù)間的對應(yīng)關(guān)系。故而，在關(guān)于輸出脈沖的形態(tài)參數(shù)的選取上，參數(shù)的取值將 取決于經(jīng)驗(yàn)而非技術(shù)手冊，需要其它的數(shù)學(xué)計(jì)算和轉(zhuǎn)換的輔助。而且該公式還不能直接用 于表不輸入的光信號(hào)和輸出的電信號(hào)之間的關(guān)系。
[0007] 其次，為了等效實(shí)際光電倍增管的輸出，往往特性參數(shù)?的取值都比較大，某些情 況下甚至高達(dá)50。這使得公式具有極高的階數(shù)，導(dǎo)致了該計(jì)算方法的求解過程相當(dāng)復(fù)雜且 消耗大量時(shí)間。特別是當(dāng)該方法被應(yīng)用在需要大量光電倍增管的設(shè)備，例如現(xiàn)代大型醫(yī)療 成像系統(tǒng)或大型物理裝置的設(shè)計(jì)、仿真和數(shù)據(jù)分析時(shí)，這一問題顯得更加突出。
[0008] 還有，由于該計(jì)算方法引入了單位階躍函數(shù)，使得輸出結(jié)果在時(shí)間上不連續(xù)，有截 斷，即該函數(shù)在小于特定時(shí)間點(diǎn)時(shí)的輸出結(jié)果為零。該截?cái)帱c(diǎn)在圖2中可被清晰的觀察到。 這一問題在物理分析中或許影響不大，但是卻對電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很大的影響。
[0009] 根據(jù)電路理論，此種截?cái)嘣跁r(shí)域分析中盡管表現(xiàn)出和實(shí)際信號(hào)相似的結(jié)果，但是 在頻域分析時(shí)則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)譜中存在大量的高頻成分，其產(chǎn)生的輸出信號(hào)的行為和實(shí)際信 號(hào)完全不同。圖3中的點(diǎn)虛線段所示的圖形顯示了參考文獻(xiàn)中的計(jì)算方法產(chǎn)生的輸出結(jié)果 在頻域中的特性，圖中可明顯觀察到該信號(hào)在幅度譜中一直存在大量的高頻成分。這種高 頻譜成分會(huì)極大的影響到前端電子學(xué)電路設(shè)計(jì)中濾波器等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確程度，進(jìn) 而影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有計(jì)算方法的不足，提供一種計(jì)算與物理過程相關(guān)聯(lián) 的，參數(shù)可由技術(shù)手冊直接獲取的，且計(jì)算過程高效簡單的光電倍增管的瞬態(tài)輸出特性的 計(jì)算方法，使其可被運(yùn)用在大型多通道成像及探測系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)、仿真和后期數(shù)據(jù)處理中。
[0011] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的： 光電倍增管的瞬態(tài)輸出特性和時(shí)間的關(guān)系可由下列公式（1)或者公式（2)表示：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光電倍增管瞬態(tài)輸出特性的計(jì)算方法，可以計(jì)算出光電倍增管瞬態(tài)輸出電流和 電壓與時(shí)間之間的精確的對應(yīng)關(guān)系，其特征在于該計(jì)算方法包括以下內(nèi)容： 根據(jù)輸入光信號(hào)為光子或光電子，光電倍增管的瞬態(tài)輸出電流和時(shí)間的關(guān)系可由下列 公式（1)或者公式（2)表示：
其中表示的是光電倍增管在特定時(shí)間點(diǎn)的瞬態(tài)輸出電流，表示的是入射到光電倍增管 中的光子的數(shù)量，而則表示入射后經(jīng)光陰極轉(zhuǎn)換并逸出的光電子的數(shù)量，05和分別表示 的光電倍增管的量子效率和收集效率，而(^^則代表了光電倍增管在特定電壓條件下的增 益，e為電子電量，是常數(shù)，約等于C。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光電倍增管瞬態(tài)輸出特性的計(jì)算方法，其特征在于：公 式（1)和公式（2)中的函數(shù)用于表示瞬態(tài)輸出特性在時(shí)間上的分布，可由公式（3)表示：
其中表示光電倍增管中電子的渡越時(shí)間，表示光電倍增管的瞬態(tài)輸出特性的分布的時(shí) 間特性參數(shù)，其取值可由公式（4)確定：
其中表不光電倍增管陽極信號(hào)的上升時(shí)間，表不電子渡越時(shí)間的擾動(dòng)，則代表輸入光 信號(hào)分布的展寬，公式（3)將光電倍增管輸出特性表示為近似朗道分布，符合光電倍增管的 輸出特性，無截?cái)嗲以跁r(shí)間分布上為連續(xù)； 由于函數(shù)具有以下特性： 故而，公式（1)可以精確的表示入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后所具有的電荷量，公式（2) 則精確的表不入射光信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后逸出得到的光電子再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后所具有的 電荷量，電荷量的大小取決入射的光子數(shù),或入射后經(jīng)光陰極轉(zhuǎn)換并逸出的光電子的 數(shù)里, 量子效率05；收集效率以及光電倍增管的增益。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光電倍增管瞬態(tài)輸出特性的計(jì)算方法，其特征在于： 光電倍增管的瞬態(tài)輸出電壓特性可由公式（1)和公式（2)推導(dǎo)得出公式（5):
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種用于光電倍增管瞬態(tài)輸出特性的計(jì)算方法，涉及到光電倍增管輸出信號(hào)的電荷量的精確計(jì)算和時(shí)間分布的準(zhǔn)確表述。該方法具有四個(gè)方面的特征：一、可以精確的表示入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后所具有的電荷量并準(zhǔn)確的描述倍增管輸出的瞬態(tài)信號(hào)在時(shí)域中的特性。二、因其輸出結(jié)果在時(shí)域中連續(xù)，使其可在頻域中準(zhǔn)確的描述倍增管瞬態(tài)信號(hào)的特性。三、式中的特性參數(shù)均來源于光電倍增管的技術(shù)手冊和入射光信號(hào)的特征參數(shù)，計(jì)算有明顯的物理意義。四、計(jì)算公式結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算速度快，能運(yùn)用到大型儀器的電子學(xué)設(shè)計(jì)，物理分析和數(shù)據(jù)重建中。通過本發(fā)明可以對光電倍增管的瞬態(tài)輸出信號(hào)進(jìn)行精確的計(jì)算，其具有新穎性、創(chuàng)造性和實(shí)用性的特點(diǎn)。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號(hào)】CN104573252
【申請?zhí)枴緾N201510025271
【發(fā)明人】陳英濤
【申請人】云南大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月19日