一种自适应大动态范围光电倍增管

摘要

为解决目前通用型光电倍增管由于电子倍增以及传输过程中电子总数过大，而制约光电倍增管动态范围的问题，本发明提供一种自适应大动态范围光电倍增管。本发明通过在光电阴极与电子倍增系统之间设置漂移电极和调制电极，将光电阴极与电子倍增系统之间的空间划分为三部分：电子漂移区、电子调制区以及电子加速区；电子漂移区控制电子的电子渡越时间，以保证调制电压产生模块可以产生稳定输出；电子调制区实现对电子数目的筛选，线性控制进入电子倍增系统的电子数目，使得电子倍增系统处于线性输出工作状态，因此扩大了光电倍增管对于探测光强的动态范围。

权利要求

1.一种自适应大动态范围光电倍增管，包括真空容器、设置在真空容器上的光学输入窗，设置在光学输入窗内壁的光电阴极，以及设置在真空容器内的聚焦电极、电子倍增系统和阳极；

其特征在于：

还包括设置在真空容器外的快响应光电探测器和调制电压产生模块，以及设置在真空容器内的漂移电极、调制电极、漂移电极供电电极和调制电极供电电极；

快响应光电探测器用于探测目标光信号强度，并输出探测结果给调制电压产生模块；

快响应光电探测器的响应时间小于1ns；

调制电压产生模块用于在所述探测结果的驱动下，产生相应幅值的调制电压，并将所产生的调制电压施加于调制电极；调制电压产生模块的响应时间小于3ns；

漂移电极和调制电极设置在所述聚焦电极和电子倍增系统之间；

漂移电极用于控制从聚焦电极发射的电子束的运动速度以及运动距离，使得电子束运动至漂移电极时的电子渡越时间，大于所述快响应光电探测器对光信号的探测时间与调制电压产生模块输出调制电压的时间之和；

调制电极用于控制通过漂移电极后的电子束中，可继续原来运动方向的电子数目；

漂移电极、调制电极、电子倍增系统和阳极的中心共轴；

漂移电极供电电极用于向所述漂移电极提供电压；

调制电极供电电极用于向所述调制电极提供电压；

漂移电极与光电阴极之间的电压差、漂移电极与光电阴极之间的距离以及所述电子渡越时间满足以下关系：其中：Lp为漂移电极与光电阴极之间的距离，V0为电子在光电阴极处沿光电阴极表面法向方向的运动速度，Up-c为漂移电极与光电阴极之间电势差的绝对值，tp为所述电子渡越时间；

漂移电极与调制电极之间距离Lt由下述公式确定：

其中：V为电子运动至漂移电极时的沿阴极法线方向的运动速度，Ut为调制电极稳态工作电压与调制电压产生模块产生的调制电压的线性叠加值，Up为漂移电极的电压值，tt为电子运动速度降为0时所需的时间；

调制电极与电子倍增系统之间的距离为0.1-2mm，调制电极与电子倍增系统之间的电压差为100-1000V；

在真空容器的容器壁上预留有电极引线，漂移电极供电电极和调制电极供电电极均通过所述电极引线与真空容器外部的供电系统相连。

2.根据权利要求1所述的自适应大动态范围光电倍增管，其特征在于：所述漂移电极为网状结构或者中空片状结构。

3.根据权利要求1或2所述的自适应大动态范围光电倍增管，其特征在于：所述漂移电极的占空比至少为90％，挺度范围为200～800g*mm；所述占空比指电极中空部分面积与整个电极面积的比值。

4.根据权利要求1所述的自适应大动态范围光电倍增管，其特征在于：所述调制电极为网状结构或者中空片状结构。

5.根据权利要求1或4所述的自适应大动态范围光电倍增管，其特征在于：所述调制电极的占空比至少为90％，挺度范围200～800g*mm；所述占空比指电极中空部分面积与整个电极面积的比值。

6.根据权利要求1所述的自适应大动态范围光电倍增管，其特征在于：所述电子倍增系统由打拿级电子倍增器组成，或者由微通道板电子倍增器组成，或者由半导体电子倍增器组成。

说明书

一种自适应大动态范围光电倍增管

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光电探测器件，特别是涉及一种根据探测光强度变化自动调整电子倍增特性而实现大动态范围探测的光电倍增管。

背景技术

[0002] 光电倍增管(简称PMT)，是一种电真空光电探测器件，主要由光电阴极、电子倍增极以及阳极所组成。光电倍增管主要功能是将探测目标发射的微弱光学信号转换为空间电子束信号，并对电子束信号进行放大输出，从而实现对目标探测的功能。光电倍增管具有探测光谱范围宽、动态范围大、电子增益高、暗噪声低以及响应速度快等特点，被广泛应用于医疗、检测、科研等各个领域。

[0003] 除了上述传统应用领域，光电倍增管在水下无线光通讯的新领域中也有很好的应用前景。水下无线光通信一般选用“海水透射光口”的蓝绿光作为通信载波，因此使用的探测器一般是对蓝绿光增强型器件。另外对于通信中使用的探测器，要求具有如下特点：

[0004] (1)探测器灵敏度高，探测器灵敏度较高时，可以在微弱光信号下实现通信光的检测，有助于提升通信距离。

[0005] (2)探测器噪声低，探测器噪声越低，有助于提升检测信号的信噪比，提升通信质量。

[0006] (3)探测器带宽高，探测器带宽越高，有利于提升通信速率；

[0007] (4)探测器面积大，探测器面积越大，有助于提高探测效率和视场。

[0008] 当前蓝绿波段的探测器有APD、PIN、硅光电倍增管等。这些半导体探测器有一个共同的特点就是感光面越大，带宽越小；APD和硅光电倍增管的灵敏度高一些，但是与传统电真空PMT器件相比，传统电真空PMT带宽高、背景噪声小、面积能做的很大、灵敏度也高。因此，从实际应用角度，电真空PMT更加适合水下通信。

[0009] 对于无线光通信而言，在实际的应用过程中，不同的使用场合下通信距离、水质稍有不同，这会造成到达接收机的信号光功率有时候很强、有时候很弱。特别是当无线光通信设备搭载在水下潜航器这种移动平台时，到达接收机的光信号功率变化更大。为了适应这种变化，要求所使用PMT在具有大探测面积、高增益、低噪声以及高带宽等特点的基础上具有大动态范围的特点。

[0010] 光电倍增管在电子倍增过程中，电子倍增电极在释放一定电荷的同时，需要对其进行补充电荷，否则会导致此电子倍增电极电势发生变化而终止电子倍增过程；由于电子倍增电极具有明显的电容效应以及具有一定的阻抗，导致电子倍增电极需要一定的时间进行充电。其次，在电子倍增过程中，大量电子同时存在而产生的较为明显的空间电荷效应会改变电子运行空间的电场分布，使得电子束不能有效输出。再综合其他限制因素，对于光电倍增管而言，在每次电子倍增过程中，输出电荷总量会受到限制，从而使得PMT输出饱和，影响PMT的线性工作范围(即影响PMT的动态范围)。

发明内容

[0011] 为解决目前通用型光电倍增管由于电子倍增以及传输过程中电子总数过大，而制约光电倍增管动态范围的问题，本发明提供一种自适应大动态范围光电倍增管。

[0012] 本发明的发明构思：

[0013] 申请人注意到影响PMT动态范围的主要原因是PMT进行倍增时所需输出的电荷量太大。为了控制PMT输出电荷总量，就必须要控制PMT中进入电子倍增极的电荷总量。因此本发明在PMT的光电阴极与电子倍增极之间设置漂移电极以及调制电极，当PMT探测光强过大导致光电阴极输出电荷量过大时(此时PMT已经接近输出饱和状态)，通过快响应光电探测器探测光强，调制电压产生模块根据探测到光强度自动调整调制电极的工作电压，线性调控进入电子倍增系统的电子数(同时含有原电子束信息)，使得在电子倍增系统始终工作于线性工作区。

[0014] 本发明的技术方案是：

[0015] 一种自适应大动态范围光电倍增管，包括真空容器、设置在真空容器上的光学输入窗，设置在光学输入窗内壁的光电阴极，以及设置在真空容器内的聚焦电极、电子倍增系统和阳极；

[0016] 其特殊之处在于：

[0017] 还包括设置在真空容器外的快响应光电探测器和调制电压产生模块，以及设置在真空容器内的漂移电极、调制电极、漂移电极供电电极和调制电极供电电极；

[0018] 快响应光电探测器用于探测目标光信号强度，并输出探测结果给调制电压产生模块；快响应光电探测器的响应时间应小于1ns；

[0019] 调制电压产生模块用于在所述探测结果的驱动下，产生相应幅值的调制电压，并将所产生的调制电压施加于调制电极；调制电压产生模块的响应时间应小于3ns；

[0020] 漂移电极和调制电极设置在所述聚焦电极和电子倍增系统之间；

[0021] 漂移电极用于控制从聚焦电极发射的电子束的运动速度以及运动距离，使得电子束运动至漂移电极时的电子渡越时间，大于所述快响应光电探测器对光信号的探测时间与调制电压产生模块输出调制电压的时间之和；

[0022] 调制电极用于控制通过漂移电极后的电子束中，可继续原来运动方向的电子数目；

[0023] 漂移电极、调制电极、电子倍增系统和阳极的中心共轴；

[0024] 漂移电极供电电极用于向所述漂移电极提供电压；

[0025] 调制电极供电电极用于向所述调制电极提供电压；

[0026] 漂移电极与光电阴极之间的电压差、漂移电极与光电阴极之间的距离以及所述电子渡越时间满足以下关系：

[0027]

[0028] 其中：Lp为漂移电极与光电阴极之间的距离，V0为电子在光电阴极处沿光电阴极表面法向方向的运动速度，Up-c为漂移电极与光电阴极之间电势差的绝对值，tp为所述电子渡越时间；

[0029] 漂移电极与调制电极之间距离Lt由下述公式确定：

[0030]

[0031] 其中：V为电子运动至漂移电极时的沿阴极法线方向的运动速度，Ut为调制电极稳态工作电压与调制电压产生模块产生的调制电压的线性叠加值，Up为漂移电极的电压值，tt为电子运动速度降为0时所需的时间；

[0032] 调制电极与电子倍增系统之间的距离为0.1-2mm，调制电极与电子倍增系统之间的电压差为100-1000V；

[0033] 在真空容器的容器壁上预留有电极引线，漂移电极供电电极和调制电极供电电极均通过所述电极引线与真空容器外部的供电系统相连。

[0034] 进一步地，所述漂移电极为网状结构或者中空片状结构。

[0035] 进一步地，所述漂移电极的占空比至少为90％，挺度范围为200～800g*mm。

[0036] 进一步地，所述调制电极为网状结构或者中空片状结构。

[0037] 进一步地，所述调制电极的占空比至少为90％，挺度范围200～800g*mm。

[0038] 进一步地，所述电子倍增系统由打拿级电子倍增器组成，或者由微通道板电子倍增器组成，或者由半导体电子倍增器组成。

[0039] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0040] 1、本发明通过在光电阴极与电子倍增系统之间设置漂移电极和调制电极，将光电阴极与电子倍增系统之间的空间划分为三部分：电子漂移区、电子调制区以及电子加速区；电子漂移区控制电子的电子渡越时间，以保证调制电压产生模块可以产生稳定输出；电子调制区实现对电子数目的筛选，线性控制进入电子倍增系统的电子数目，保证电子倍增系统的线性倍增；电子加速区实现对电子束加速，以保证电子进入电子倍增系统的能量、方位等参数的一致性，减小电子倍增过程中参数偏差。由于本发明可以根据探测光强度自适应调整进入到电子倍增系统的电子数目(含有原电子束脉冲所具有同等信息)，使得电子倍增系统处于线性输出工作状态，因此扩大了光电倍增管对于探测光强的动态范围，其范围可以提升原来数值的10倍以上。

[0041] 2、漂移电极和调制电极的占空比至少为90％，能够保证在弱光信号探测时电极对电子束有足够的通过量。

[0042] 3、对于弱光信号时，因为产生的电子数目比较少，不需要对电子进行调制，所以此时快响应光电探测器输出信号不能驱动调制电压产生模块，但是快响应光电探测器本身还是处于工作状态的，此时本发明光电倍增管对弱光信号也有探测能力。

附图说明

[0043] 图1为本发明自适应大动态范围光电倍增管的原理示意图。

[0044] 图2为本发明自适应大动态范围光电倍增管实施例的结构示意图(图中仅画出了管体部分)。

[0045] 图3为本发明仿真实验中，未进行电子调制时，阴极发射电子的运动轨迹图。

[0046] 图4为本发明仿真实验中，进行电子调制时，不同调制状态下阴极发射电子的运动轨迹图，(a)图中有5.6％的电子通过调制电极，(b)图中只有0.23％的电子通过调制电极，(c)图中无电子通过调制电极。

[0047] 图5为本发明实施例仿真实验中电子渡越时间与距阴极距离关系图。

[0048] 图6为本发明实施例仿真实验中调制电极工作电压与电子调制率变化关系图。

[0049] 图7为本发明实施例仿真实验中调制电极工作电压与电子渡越时间弥散变化关系图。

[0050] 图8为本发明实施例仿真实验中不同调制率时的电子能量分布图，(a)图为调制率为94.6％时电子束能量统计分布，(b)图为调制率为50％时电子束能量统计分布，(c)图为调制率为0时电子束能量统计分布。

[0051] 附图标号说明：

[0052] 1-真空容器，2-光学输入窗，3-圆筒形聚焦电极，4-漂移电极，5-调制电极，6-电子倍增系统，7-阳极，8-阳极输出电极，9-阴极供电电极，10-聚焦供电电极，11-漂移电极供电电极，12-调制电极供电电极，13-电子倍增系统输入供电电极，14-输出供电电极。

具体实施方式

[0053] 以下结合附图对本发明作详细说明。

[0054] 如图1、图2所示，本发明所提供的自适应大动态范围光电倍增管包括真空容器1，设置在真空容器1外部的快响应光电探测器和调制电压产生模块，设置在真空容器1上的光学输入窗2，以及在真空容器1内依次设置的圆筒形聚焦电极3、漂移电极4、调制电极5、电子倍增系统6、阳极7；在真空容器1内还设置有阳极输出电极8、聚焦供电电极10、漂移电极供电电极11、调制电极供电电极12、电子倍增系统输入供电电极13和输出供电电极14以及用于支撑这些电极的支撑柱。

[0055] 真空容器1由陶瓷材料和金属材料交替叠加制成。

[0056] 光学输入窗2由玻璃材料制成，具体应视探测光信号波长特性以及阴极响应波长范围而定，可以选择石英材料、氟化镁材料或者硼硅酸盐玻璃材料；在其他实施例中，光学输入窗2可以为平面结构，也可以为曲面结构。光学输入窗2与真空容器1之间采用高频封接、高温热封接或者铟封封接等方式连接。在光学输入窗2的内表面设置有用于接收光子，并将其转换为电子的光电阴极。

[0057] 圆筒形聚焦电极3用于将光电阴极产生的电子进行汇聚，使电子汇聚后全部落入电子倍增系统的有效倍增区域内。

[0058] 漂移电极4用于控制从光电阴极发射的电子束的运动速度以及运动距离，使得电子束运动至漂移电极4时的渡越时间，大于快响应光电探测器对光信号的探测并使调制电压产生模块输出响应调制电压的时间，从而电子束通过调制电5时，调制电极5与漂移电极4之间产生稳定调制电场。在漂移电极4与光电阴极之间可视具体应用需求，设置各种功能需求的聚焦系统。漂移电极4要求具有较大的占空比以及较好的机械强度，其可以为网状结构或者中空片状结构。此处的占空比和电路上的占空比不一样，此处占空比是指电极中空部分面积与整个电极面积的比值，这个值越大，就会有越多的电子通过电极，从而减小电子的损失。

[0059] 调制电极5在调制电压产生模块产生的调制电压与原工作电压共同作用下，与漂移电极4之间形成稳定调制电场情况时，用于控制通过漂移电极4后电子束可继续原来运动方向的电子数目，并且此部分电子束基本保持探测光信号的时间与强度信息。调制电场方向对电子作用力与电子原运动方向相反(使调制电极5的电压高于漂移电极4的电压就可以使调制电场对电子作用力与原电子运动方向相反，比如将漂移电极4电压固定为-1100V，调制电极5的原电压为-1000V，这时电子可以完全通过调制电极5，但是将调制电极5的电压调整为-1200V时，电子就会反向运动而不能通过调制电极进行电子倍增)，使得能量大于一定阈值的电子才能通过调制电极5继续保持原来的运动方向，能量小于阈值的电子在反向电场的作用下改变原运动方向，向光电阴极方向运动，最终被光电阴极所接收。由于电子束通过调制电极5继续保持原运动方向运动，因此调制电极5也要求具有较大的占空比(优选地，占空比最少为90％，以保证更多的电子通过此电极)以及较好的机械强度(挺度范围为200～800g*mm)，其可以为网状结构或者中空片状结构。

[0060] 电子倍增系统6用于对通过调制电极5调制后的光电子进行加速并实现电子倍增；电子倍增系统6可以由传统打拿级电子倍增器组成，也可以为微通道板(MCP)电子倍增器组成，或者由半导体电子倍增器组成，其中，在电子出射、漂移、调制区域结构以及电气参数相同的条件下，微通道板电子倍增组件所组成的电子倍增系统在保证性能参数的前提下，结构最为简单。

[0061] 电子倍增系统6由微通道板电子倍增器组成时，光电倍增管的阳极7可以为位敏阳极、多阳极结构或者微带线阳极等结构。阳极输出信号可以为电流信号、电压信号或电荷量信号等。微通道板电子倍增组件可以由一片微通道板、两片微通道板或者三片微通道板组成；两片以及三片微通道板组成的电子倍增组件的供电方式可以采用组合供电方式，也可以采用单片微通道板独立供电的方式。

[0062] 电子倍增系统6由传统打拿极电子倍增器构成时，光电倍增管的阳极7可以为单阳极输出结构，也可以为多阳极输出结构。阳极输出信号可以为电流信号，也可以为电压信号，还可以为电荷量信号。

[0063] 电子倍增系统6由半导体电子倍增器组成时，可针对于不同半导体器件的信号输出要求制备相应的阳极结构。阳极输出信号可以为电流信号、电压信号、电荷量信号或图像灰度值等。

[0064] 本实施例中，电子倍增系统6是由两片微通道板组成，两片微通道板由电子倍增系统输入供电电极13与输出供电电极14提供总供电电压，每片微通道板根据自身的体电阻特性进行分压。

[0065] 阳极7用于收集电子倍增系统6所产生倍增电子束，阳极7收集的电子通过阳极输出电极8输出至信号读出电路。信号读出电路不属于光电倍增管管体部分，但是光电倍增管的功能实现需要与信号读出电路配合使用。信号读出电路在本领域是公知电路。

[0066] 阳极输出电极8、聚焦供电电极10、漂移电极供电电极11、调制电极供电电极12、电子倍增系统输入供电电极13和输出供电电极14均通过真空容器壁上预留的电极引线与器件外部的供电系统相连。阳极输出电极8用于将阳极7所接收到的电子输出到器件外部的信号读出电路；聚焦供电电极10用于向圆筒形聚焦电极3提供电压；漂移电极供电电极11用于向漂移电极4提供电压；调制电极供电电极12实现两部分功能，一是用于向调制电极5提供电压，保证调制电极5未施加调制电压时可以正常工作，二是将调制电压产生模块产生的调制电压耦合至调制电极5，实现光电倍增管的动态范围调制功能，因此，调制电极供电电极12除满足真空密封性(调制电极供电电极12一部分在真空容器内，一部分在真空容器外)，也需满足高频传输特性要求；电子倍增系统输入供电电极13和输出供电电极14用于向电子倍增系统6提供电压。由于一般的电子倍增系统都有电压差，所以本发明使用供电电极分别施加不同的电压值，保证电子倍增系统正常运作。

[0067] 供电系统用于产生可以保证光电倍增管正常工作的各个电极的电压，使得光电倍增管可以实现原有特性，即使其电子增益、动态范围、线性度以及暗计数等性能参数保持稳定。供电系统可以由电源与电阻电路构成，也可以由电源以及倍压电路构成，也可以为其他可实现分压的电路与电源构成。

[0068] 漂移电极4、调制电极5、电子倍增系统6和阳极7的中心共轴，并与它们各自的供电电极以及支撑供电电极的支撑柱连接成一体。若漂移电极4、调制电极5、电子倍增系统6和阳极7不共轴，会使光电倍增管的时间特性下降，或者影响光电倍增管的调整功能。

[0069] 漂移电极与光电阴极之间的电压差、漂移电极与光电阴极之间的距离以及所述电子渡越时间满足以下关系：

[0070]

[0071] 其中：Lp为漂移电极与光电阴极之间的距离，V0为电子在光电阴极处沿光电阴极表面法向方向的运动速度，Up-c为漂移电极与光电阴极之间电势差的绝对值，tp为所述电子渡越时间；

[0072] 漂移电极与调制电极之间距离Lt由下述公式确定：

[0073]

[0074] 其中：V为电子运动至漂移电极时的沿阴极法线方向的运动速度，Ut为调制电极稳态工作电压与调制电压产生模块产生的调制电压的线性叠加值，Up为漂移电极的电压值，tt为电子运动速度降为0时所需的时间；

[0075] 调制电极与电子倍增系统之间的距离为0.1-2mm，调制电极与电子倍增系统之间的电压差为100-1000V。

[0076] 快响应光电探测器用于探测目标光信号强度，并输出探测结果；由于快响应光电探测器的响应时间应小于电子束在本发明光电倍增管内的电子束漂移时间，因此快响应光电探测器的响应时间应小于1ns，且探测光强范围主要针对强光信号。快响应光电探测器可以为真空光电探测器件，也可以为半导体光电探测器件。

[0077] 调制电压产生模块用于在快响应光电探测器输出探测结果的驱动下，产生调制电压，并将产生的调制电压施加于调制电极5，实现光电倍增管的调制功能。调制电压产生模块内设定有响应阈值电压，该响应阈值电压根据光电倍增管自身动态范围的上限值来确定。调制电压产生模块应具有小于3ns的响应时间，以及输出电压具有较高稳定性的特点。调制电压产生模块内设置有相关的判断硬件模块用于判断快响应光电探测器输出信号幅值是否超过响应阈值电压。调制电压产生模块为现有技术，可以采用比较器实现，也可基于FPGA编制程序实现。本发明原理：

[0078] 当快响应光电探测器输出信号幅值小于所述响应阈值电压时，调制电压产生模块不产生调制电压，以保证光电倍增管保持原有工作状态。当快响应光电探测器输出信号幅值大于等于所述响应阈值电压时，调制电压产生模块根据快响应光电探测器输出信号幅值的大小，产生相应幅值的调制电压，从而使得调制电极5对进入电子倍增系统6的电子数目进行调制使得原来运动能量低的电子运动方向反转以减小电子数目，使得电子倍增系统6始终工作于线性倍增区域。

[0079] 例如，假设本发明电子倍增系统最大只能接收10000个电子，现在过来11000个电子，此时如果不控制电子数目则电子倍增系统就不能线性工作了，但是本发明通过调制电极使得11000个电子中有2000个电子运动方向反转而不能运动到电子倍增系统，就相当于实际进行电子倍增的电子数目为9000个(小于其接收上限10000个)，此时电子倍增系统仍处于工作与线性倍增区。

[0080] 阈值响应电压的确定方法：

[0081] 1)确定电子倍增系统6的动态范围值；

[0082] 2)确定电子倍增系统6处于动态范围最大值时的信号光强，以及此时快响应光电探测器的输出特性；

[0083] 3)根据步骤2)确定的快响应光电探测器的输出特性，设定调制电压产生模块的阈值响应电压。

[0084] 利用本发明光电倍增管的管体部分(即不使用快响应光电探测器以及调制电压产生模块)以及多路输出(7路～8路输出)对本发明光电倍增管的调制率与调制电压关系进行以下说明：

[0085] 光子数与光强度在光波长、脉宽以及束斑尺寸不变的情况下呈正比关系：

[0086] 首先，给光电倍增管的管体中各个电极施加稳态工作电压，利用常规动态范围测量手段测量此光电倍增管管体的动态范围，并记录所对应的最大光强数值Io。

[0087] 其次，将光强调节至最大光强值80％的数值(即此时的光强为0.8*Io)，记录此时光电倍增管阳极输出输出信号幅值Do(可能是电压值、电流值或电荷量值等)。

[0088] 然后，以0.01V的调节步长减小调制电极电压，每调节一次，记录响应的电压累计变化值(记为V1、V2、V3…)与调节电压后阳极输出信号幅值(记为D1、D2、D3…)，直到光电倍增管阳极输出信号幅值为0。

[0089] 则每一个调制电压值对应的调制率计算公式为：

[0090]

[0091] 上式中：Vi为第i次调节时调制电极的电压；

[0092] Di为调制电压为Vi时，阳极输出信号幅值；

[0093] Do为输入光强是0.8*I0时，阳极输出信号幅值；

[0094] γmod(Vi)为调制电压Vi对应的调制率；

[0095] 在此光电倍增管中，考虑到光电倍增管的探测精度和使用寿命，选择调制后进入电子倍增极电子数目为光电倍增管管体的动态范围对应电子数目的30％～80％的范围内，即目标光强度在经过光电倍增管调制探测后通过阳极输出信号直接得出的光强值范围为0.3Io～0.8*Io，在某一特定倍数光强时与调制率满足如下关系：

[0096] Ii×(1-γmod(Vi))＝g×I0      (2)

[0097] 上式中：

[0098] I0为光电倍增管未进行调制情况下阳极输出最大线性电流值时对应光强；

[0099] Ii为强度高于0.8*I0时目标光强度值；

[0100] 则根据关系式(1)建立的调制电压值与调制率的计算结果以及公式(2)可以计算出在某一特定倍数(公式(2)中的g，其取值范围为0.3～0.8)时光强度与调制电压的关系。

[0101] 仿真验证：

[0102] 为了验证本发明实施例光电倍增管功能的实现，以下以微通道板型光电倍增管为例，采用专用电子光学专业设计软件CST对微通道板光电倍增管进行模拟仿真。由于微通道板的工作电压始终保持不变，因此电子倍增系统6的特性也保持稳定不变，而且本发明主要通过调节调制电极5的电压对进入电子倍增系统6的电子数目进行调制，实现提升光电倍增管动态范围的目的，因此在建立模型时，只考虑此光电倍增管的聚焦、漂移与调制功能，所建立光电倍增管的物理模型主要由光学输入窗2(由于内表面镀制光电阴极，在此物理模型中整体作为光电阴极)、圆筒形聚焦电极3、漂移电极4、调制电极5以及电子倍增系统6所组成的光电倍增管聚焦漂移以及调制区域。

[0103] 所建立光电倍增管物理模型中：

[0104] 光电阴极有效直径为Ф30mm；圆筒形聚焦电极3内径为Ф30mm，且距离光学输入窗2下表面1mm，与漂移电极4距离1mm；光学输入窗2下表面与漂移电极4距离为10mm，保证PMT电子束具有较长的渡越时间；调制电极5与漂移电极4之间的间距为1mm；调制电极5与电子倍增系统6上表面距离为1mm。

[0105] 在进行仿真过程中，为了清晰显示电子运行轨迹，仿真结果附图中都隐藏了圆筒形聚焦电极3；同时，所建物理模型属于封闭系统，内部电势部分只与相关电极之间的电势差有关，所以在此物理模型中，向光学输入窗2上的光电阴极施加电压为-600V，向圆筒形聚焦电极3施加电压为-600V，向漂移电极4施加稳态电压为-590V，向调制电极5施加稳态电压为-600V，向电子倍增系统6施加电压为0V。利用电子光学系统模拟软件建立的物理模型，以及在上述工作电压值时，光电阴极产生的电子束在此光电倍增管内的运动轨迹图如图3所示。从图3可以看出，此时的调制电极未施加调制电压，所以所有的电子按照原来的运动方式全部运动至电子倍增系统。

[0106] 图4为本发明光电倍增管实施例施加上述稳态工作电压以及耦合不同调制电压时，电子束到达电子倍增系统6的运动轨迹图。(a)图为耦合的调制电压为-1.4V(即调制电极5的工作电压为-601.4V)时，到达电子倍增系统6的电子数目为光电阴极发射总数目的5.6％。(b)图为耦合的调制电压为-1.6V(即调制电极5的工作电压为-601.6V)时，到达电子倍增系统6的电子数目为光电阴极发射总数目的0.23％。(c)图为耦合的调制电压为-1.8V(即调制电极5的工作电压为-601.8V)时，到达电子倍增系统6的电子数目为光电阴极发射总数目的0％。

[0107] 图5为本发明光电倍增管管体部分实施例电子渡越时间与距阴极距离关系图。此模型中漂移电极4距光电阴极的距离为10mm，从计算结果绘制曲线可以得到，电子从光电阴极发射，运动至调制电极5时的渡越时间为7.2ns，此时间足以保证快响应光电探测器完成光信号强度探测，以及产生调制电压并稳定耦合至调制电极5所需时间。电子渡越时间可以通过调整漂移电极与光电阴极之间的距离，以及调整漂移电极与光电阴极之间的电压差来调整。

[0108] 图6为本发明光电倍增管管体部分实施例调制电极工作电压与电子调制率(电子调制率＝1-到达MCP处电子数目/阴极发射电子总数×100％)变化关系图。计算结果显示，调制电压为-1.8V时电子调制率为100％，此时并没有电子可以进入电子倍增系统6进行倍增；而调制电压为-0.4V时电子调制率为0％，光电阴极发射的所有电子全部进入MCP进行电子倍增。因此此PMT的调制电压范围为-0.4V～-1.8V，且在-0.8V～-1.4V的调制电压范围内PMT具有较好的线性调制率，调制率的范围为7.0％～94.4％，当电子调制率为94.4％时，对应的动态范围提升倍数为：1/(1-94.4％)＝17.8。

[0109] 图7为本发明光电倍增管管体部分实施例调制电极5工作电压与MCP处电子束渡越时间弥散变化关系图。可以看出，此PMT的调制电压范围为-0.4V～-1.8V时，电子束渡越时间弥散变化范围为690ps～890ps，且随着电子调制率的增加，电子束渡越时间弥散呈下降趋势。此光电倍增管中电子渡越时间弥散主要是由于电子在漂移区域的加速电场过低所造成，电子渡越时间弥散可以在保证电子从光电阴极至漂移电极4具有光电倍增管完成自适应功能所必需渡越时间的情况下，通过提高漂移电极4电压以及调制电极5电压减小电子渡越时间弥散。

[0110] 图8为本发明光电倍增管管体部分实施例不同调制率时电子能量分布图，从图中可以看出，不同调制率时虽然总电子数目发生较大的变化，但是电子束的电子能量分布区间都是545eV～605eV的均匀分布，从而可以保证不同调制率时进入电子倍增系统6进行电子倍增的电子能量特性保持一致，并不会因为电子能量差异而产生电子倍增管过程的性能差异，保证光电倍增管在实现电子调制过程中，电子倍增后的线性输出。