[论文解读] Novel Photo Multiplier Tubes for the Cherenkov Telescope Array Project

T. Toyama, Razmik Mirzoyan+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2013

Photocathodes and Microchannel Plates被引用 34

一句话总结

本文介绍了为切伦科夫望远镜阵列（CTA）开发的下一代光电倍增管（PMT）的进展，实现了高达43%的峰值量子效率，并将4个光电子阈值下的后脉冲率降低至0.02%。通过采用增强型双碱光电阴极和倍增极屏蔽以抑制光致后脉冲，性能显著提升，大幅提高了甚高能伽马射线天文学的灵敏度和能量分辨率。

ABSTRACT

Currently the standard light sensors for imaging atmospheric Cherenkov telescopes are the classical photo multiplier tubes that are using bialkali photo cathodes. About eight years ago we initiated an improvement program with the Photo Multiplier Tube (PMT) manufacturers Hamamatsu (Japan), Electron Tubes Enterprises (England) and Photonis (France) for the needs of imaging atmospheric Cherenkov telescopes. As a result, after about 40 years of stagnation of the peak Quantum Efficiency (QE) on the level of 25-27%, new PMTs appeared with a peak QE of 35%. These have got the name super-bialkali. The second significant upgrade has happened very recently, as a result of a dedicated improvement program for the candidate PMT for Cherenkov Telescope Array. The latter is going to be the next generation major instrument in the field of very high energy gamma astrophysics and will consist of over 100 telescopes of three different sizes of 23m, 12m and 4-7m, located both in southern and northern hemispheres. Now PMTs with average peak QE of approximately 40% became available. Also, the photo electron collection efficiency of the previous generation PMTs of 80- 90% has been enhanced towards 95-98% for the new ones. The after-pulsing of novel PMTs has been reduced towards the level of 0.02% for the set threshold of 4 photo electrons. We will report on the PMT development work by the companies Electron Tubes Enterprises and Hamamatsu Photonics K.K. show the achieved results and the current status.

研究动机与目标

• 开发量子效率（QE）显著提升的PMT，以提高成像大气契伦科夫望远镜（IACT）的灵敏度。
• 降低PMT中的后脉冲，这是限制IACT能量阈值和信号保真度的关键因素。
• 将光电子收集效率提升至95%以上，以最大化信噪比。
• 验证新型PMT性能是否符合CTA对下一代甚高能伽马射线天文台的严格规格要求。

提出的方法

• 设计并构建了一套基于可调谐光源、校准的PIN二极管和皮安表的定制量子效率（QE）测量系统，用于精确比较电流。
• 在200–800 nm波段测量了9只滨松R11920-100和3只R11920-100-05 PMT的QE，后者表现出超过35%的峰值QE，最高达43%。
• 通过激光触发信号分析和示波器监测，测量了作为甄别阈值（4个光电子）函数的后脉冲率。
• 通过双PMT设置研究倍增极区域的内部光发射，其中一只PMT检测另一只在440 nm激光照射下倍增极区域的光发射。
• 在滨松PMT中实施并测试了倍增极屏蔽，以抑制光致后脉冲，通过屏蔽前后信号水平的对比进行验证。
• 将PMT性能与CTA要求进行关联，包括切伦科夫光谱范围内的平均QE（≥21%）、后脉冲率≤0.02%以及时间展宽≤1.5 ns。

实验结果

研究问题

• RQ1 PMT的量子效率能否突破历史上的25–27%平台，从而提升契伦科夫望远镜的灵敏度？
• RQ2 PMT中的后脉冲由何原因引起？能否将其降低至满足CTA严格阈值要求的水平？
• RQ3 倍增极区域的光发射在多大程度上导致后脉冲？屏蔽是否能有效缓解此效应？
• RQ4 滨松和电子管企业（ETE）的PMT能否同时满足CTA对QE、后脉冲率和收集效率的性能规格？
• RQ5 新型PMT的性能指标与2公里海拔处100 GeV空气簇射产生的契伦科夫光谱相比如何？

主要发现

• 滨松R11920-100-05 PMT实现了高达43%的峰值量子效率，300只量产产品表现出一致的高于40%的性能。
• 在切伦科夫光谱范围（290–600 nm）内的平均QE达到21%或以上，满足并超过CTA规定的≥21%要求。
• 通过倍增极屏蔽和改进的真空处理，4个光电子阈值下的后脉冲率降低至0.02%，符合CTA规格要求。
• 直接观测并证实了倍增极间区域的光发射是后脉冲的来源，光发射在电子脉冲后约18 ns被检测到。
• 倍增极屏蔽通过抑制向后传播的光子，有效降低了光致后脉冲，该结果通过双PMT测量系统得到验证。
• 电子管企业（ETE）PMT实现了35–37%的峰值QE，计划通过抗反射涂层和磨砂输入窗进一步提升至40–45%。