PMT用高压电源纹波的测量及优化 陈鹏宇，朱瑶，王 阳，钱 森 衡阳

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1 PMT用高压电源纹波的测量及优化 陈鹏宇，朱瑶，王 阳，钱 森 qians@ihep.ac.cn 2018-10-16 衡阳
陈鹏宇，朱瑶，王 阳，钱 森 核电子学与核探测器国家重点实验室 中国科学院高能物理研究所 北方工业大学 衡阳 大家好 我是来自高能所的陈鹏宇，我的报告内容是有关于PMT用高压电 源的纹波测量优化。

2 Outline 1.研究背景 2.高压电源纹波测量 3.应用实例 4.总结及下一步计划 1.1 高压电源纹波 1.2 PMT性能测试与纹波
1.3 测试的多款高压电源介绍 2.高压电源纹波测量 2.1 测量方法 2.2 示波器测试结果 2.3 电源纹波数据对比 3.应用实例 3.1 测试类型； 3.2 1吋光电倍增管测试； 3.3 2吋光电倍增管测试； 3.4 20吋光电倍增管测试； 4.总结及下一步计划 我的报告分为以下四个部分，首先介绍了整个实验的背景，第二部分给 出了我们对纹波的测量方法以及对于测试用的几台高压电源的纹波的测 量，在第三部分展示了在测试PMT时，滤波前后的对比实验的结果，最 后是对实验结果的一个总结及下一步的计划。

3 整流纹波：由于滤波效果残存的少量交流部分； 工频噪声：多个电容交替充放电产生的震荡信号； 开关噪声：发生在开关时刻，振荡频率较高；
1.1 高压电源纹波 随机噪声 工频噪声 开关噪声 整流纹波 整流纹波：由于滤波效果残存的少量交流部分； 工频噪声：多个电容交替充放电产生的震荡信号； 开关噪声：发生在开关时刻，振荡频率较高； 非周期性的随机噪声：无法量化，随机性强。 首先，典型的高压纹波主要由整流纹波，工频噪声，开关噪声及随机产 生的白噪声组成。实际测试中我们通常会考虑他们整体对实验的影响 *同金, 直流电源输出的纹波和噪声的测量[J]. 电子测试, 2010(2):88-91.

4 增益Gain为107时，PMT单个光子幅度~8 mV；
较大高压纹波会产生额外的过阈信号（阈值=1/4 pe）。对于各个以获取信号实例来表征相关参数的实验，如暗计数率测试、单光电子谱测试、渡越时间分布等实验，均会带来实验误差。 电荷谱 幅度谱 对于光电倍增管的性能测试而言，纹波主要的影响是有可能产生额外的 过阈信号，pmt性能测试中有多个通过获取信号实例来表征相关参数的实 验，典型的如单光电子谱的测试，光电倍增管工作于1*10e7时，单个光 子幅度约为8 mv ，右图是一个典型的单光电子信号的示意图。当高压纹 波较大，直接反映于测试结果就是噪声峰变宽，峰谷比变差，测试出的 结果与实际情况产生误差。 对于光电倍增管的测试而言，当增益为1×10e7,单个光子的幅度为8 mv左 右，，如暗计数，SPE，tts等。若由电源引入的纹波过大就会引入额外 的过阈信号，导致实例数偏高，引入误差。 Gain=1.08X10^7 中心值7.9mV

5 1.3 测试的多款高压电源介绍 高密度集成电源 模块电源 进口电源 集成电源(SY5527) 纹波指标 ＜30 mV（3 kV） -
国产电源 集成电源 10 mV (1.5 kV) 在我们实验室中，有多台测试PMT用高压电源，总体可以分为高密度集 成电源和开关电源两大类，这次实验中每种电源各挑了一台国产电源和 一台进口电源，对他们的纹波性能进行了测试

6 Outline 1.研究背景 2.高压电源纹波测量 3.应用实例 4.总结及下一步计划 1.1 高压电源纹波 1.2 PMT性能测试与纹波
1.3 测试的多款高压电源介绍 2.高压电源纹波测量 2.1 测量方法 2.2 示波器测试结果 2.3 电源纹波数据对比 3.应用实例 3.1 测试类型； 3.2 1吋光电倍增管测试； 3.3 2吋光电倍增管测试； 3.4 20吋光电倍增管测试； 4.总结及下一步计划

7 经过C2l的滤波，将大部分的交流成分滤除。 由R2l和C22构成的滤波电路中进一步滤波。 通过测量电路确定C21、C22与R21的值。
2.1 测量电路及滤波电路 通过高压电容C11隔直通交。MΩ量级的负载电阻R11， kΩ量级的保护电阻R12用于保护示波器。 测量电路： 滤波电路： 在第二部分的内容中，首先介绍我们用于探测电源纹波的电路，由一个 电容和两个电阻组成。高压输出经过测量电路后，其中的交流部分被保 留，并输入示波器，观察波形及参数，包括衡量纹波通常使用的峰峰 值、频率和周期。 使用的滤波电路示意图则如右图所示 经过C2l的滤波，将大部分的交流成分滤除。 由R2l和C22构成的滤波电路中进一步滤波。 通过测量电路确定C21、C22与R21的值。

8 滤波效果明显！ 高频 低频 4 mV 16 mV 2 mV 8 mV 2.2 进口集成电源 滤波前 滤波后 横轴单位：2 μs
横轴单位：400 ms 纵轴单位：5 mV 2 mV 8 mV 下面是对四台电源的测试结果，首先是两台集成电源，进口的这一台高 压电源在2500V时纹波主要包括频率较高的及较低的两个部分，滤波前 峰峰值分别为16mv和8mv，滤波后峰峰值降至4mv与2mv，滤波效果明 显。 滤波效果明显！ 测试电压 高频 低频 周期 频率 峰-峰值 滤波前 2500 V 3 μs 250 kHz 16 mV 880 ms 1.1 Hz 8 mV 滤波后 4 mV 2 mV

9 滤波效果一般 高频 低频 5.8 mV 8 mV 6.2 mV 7 mV 2.2 国产集成电源 滤波前 滤波后 横轴单位：10 μs
2.2 国产集成电源 滤波前 滤波后 高频 横轴单位：10 μs 纵轴单位：5mV 5.8 mV 8 mV 低频 横轴单位：20 ms 纵轴单位：5 mV 7 mV 6.2 mV 国产的集成电源纹波高频部分峰峰值在8mv左右，滤波后降到5.8mv ， 滤波效果不太明显。 滤波效果一般 测试电压 高频纹波 低频纹波 周期 频率 峰-峰值 滤波前 2400 V 12 μs 71 kHz 8.0 mV - 7.0 mV 滤波后 5.8 mV 6.2 mV

10 滤波效果明显！ 高频 低频 18.4 mV 31.2 mV 18.8 mV 31.2 mV 2.2 进口模块电源 滤波前 滤波后
2.2 进口模块电源 滤波前 滤波后 高频 横轴单位：2 μs 纵轴单位：20 mV 31.2 mV 18.4 mV 低频 横轴单位：20 ms 纵轴单位：20 mV 31.2 mV 18.8 mV 两台模块电源的结果则相对较差，进口的这块模块电源纹波的高频部分 和低频部分的峰峰值都达到了30mv以上，滤波后峰峰值也还高达18mv。 滤波效果明显！ 测试电压 高频纹波 低频纹波 周期 频率 峰-峰值 滤波前 2400 V 5 μs 200 kHz 31.2 mV 20 ms 62.5 kHz 滤波后 18.4 mV 18.8 mV

11 滤波效果明显！ 高频 低频 8 mV 14 mV 6 mV 12 mV 2.2 国产模块电源 滤波前 滤波后 横轴单位：2 μs
2.2 国产模块电源 滤波前 滤波后 高频 横轴单位：2 μs 纵轴单位：5 mV 8 mV 14 mV 低频 横轴单位：400 ms 纵轴单位：5 mV 6 mV 12 mV 国产的模块电源纹波相对较好，滤波前峰-峰值在14mv与12mv,滤波后降 到了10mv以下。 滤波效果明显！ 测试电压 高频纹波 低频纹波 周期 频率 峰-峰值 滤波前 1500 V 32 μs 31.2 kHz 14 mV - 12 mV 滤波后 8 mV 6 mV

12 模块电源纹波噪声明显高于集成电源 测试电压 标称值 实测值 滤波后 进口 集成电源 2500 V 30 mV (3 kV) 高频纹波
2.3 电源纹波数据对比 测试电压 标称值 实测值 滤波后 进口 集成电源 2500 V 30 mV (3 kV) 高频纹波 16 mV 4 mV 低频纹波 8 mV 2 mV 国产 2400 V 8.0 mV 5.8 mV 7.0 mV 6.2 mV 模块电源 - 31.2 mV 18.4 mV 18.8 mV 1500 V 10 mV （1.5 kV） 14 mV 12 mV 6 mV 在这张表里我列了下这4台电源的纹波标称值和实测的数据的对比，可以 看到模块电源由于结构限制，整体纹波相较于集成电源偏大，另一方面， 由测试结果中可以看到，在不滤波前，所有的测试纹波峰峰值均在8mv 或是更高，。 模块电源纹波噪声明显高于集成电源

13 Outline 1.研究背景 2.高压电源纹波测量 3.应用实例 4.总结及下一步计划 1.1 高压电源纹波 1.2 PMT性能测试与纹波
1.3 测试的多款高压电源介绍 2.高压电源纹波测量 2.1 测量方法 2.2 示波器测试结果 2.3 电源纹波数据对比 3.应用实例 3.1 测试类型； 3.2 1吋光电倍增管测试； 3.3 2吋光电倍增管测试； 3.4 20吋光电倍增管测试； 4.总结及下一步计划 在下一个部分，就针对实际的pmt性能测试，讨论了纹波会不会对测试结 果产生干扰，

14 3.1 实验用PMT介绍 1吋PMT-XP1912（海南展创） 2吋PMT-XP2020（海南展创） 20吋PMT （北方夜视） 实物图
测试高压 1450 V 1600 V 1790 V 峰谷比 2.68 1.56 2.83 增益 8.45*106 6.19*106 9.84*106 暗计数率 ≤100 Hz ≤1 kHz ≤50 kHz 上图是一个典型PMT测试流程，PMT置于暗箱中，由高压电源供电， PMT信号经过读出电子学后输入信号采集系统进行分析处理。我们针对 电源纹波的处理方案是在电源与PMT间加入滤波电路，对PMT测试中典 型的几个实验进行测试，检验滤波效果。 下面的三个管子是本次测试使用的三种不同尺寸的PMT，分别是1寸，2 寸与20寸光电倍增管。

15 暗计数率下降明显！ 3.2 1吋光电倍增管测试 - 暗计数率测试 ~30 Hz ~25 Hz 阈值 测试电压 2 mV(1/4 pe)
吋光电倍增管测试 - 暗计数率测试 Dark rate – XP1919 ~30 Hz ~25 Hz 暗计数率下降明显！ 首先是对1吋的xp1912测试，使用的电源是国产的高压电源模块，因为 滤波电路中串联的电阻阻值为500kohm ,会引起5%的分压，为保证增益 不变，通过提高总电压补足。暗计数测试显示经过滤波，阈值为1/4pe处 和1/2pe处由31hz降至24hz,滤波效果有20%左右。 阈值 测试电压 2 mV(1/4 pe) 4 mV(1/2 pe) 滤波前 1450 V 31.09 Hz 30.40 Hz 滤波后 1530 V 24.49 Hz 变化率 5% -21.2% -19.4% 供电电源：国产模块电源

16 3.3 2 吋光电倍增管测试（1） - 单光电子谱测试结果
吋光电倍增管测试（1） - 单光电子谱测试结果 滤波前 滤波后 增益一致的情况下，单光电子信号占比基本一致，峰谷比略有改善 对2英寸的XP2020进行的测试，使用的电源是集成电源中滤波效果较明 显的进口集成电源。首先是单光电子谱的测试，，当PMT增益均为 1*10e7时，单光电子信号比例基本一致，峰谷比有3%左右的优化，可以 认为在这两个状态下，光电倍增管工作状态一致。 增益 测试电压 测试电流 单光电子信号占比 峰谷比 滤波前 9.97*106 1720 V 307.8 uA 10.06% 2.69 滤波后 9.95*106 1875 V 10.22% 2.77 变化率 0.2% +5% 0.0% +1.6% +3% 供电电源：进口集成电源

17 3.3 2吋光电倍增管测试（2） - 暗计数率测试及渡越时间分布测试
吋光电倍增管测试（2） - 暗计数率测试及渡越时间分布测试 Dark rate – XP2020 ~0.9 kHz ~0.3 kHz 暗计数率改善明显，时间性能略有改善 之后在次电压下对xp2020进行了暗计数率测试和时间性能的测试，可以 看到，在阈值为1/4pe和1/2pe处，2020的暗计数率优化达到了60%，由 0.9khz降到了0.3khz,渡越时间分布也由33ps的优化，降幅在8%左右 阈值 测试电压 测试电流 Dark Rate TTS 2 mV(1/4 pe) 4 mV(1/2 pe) 滤波前 1720 V 307.8 uA Hz ps 滤波后 1875 V Hz ps 变化率 +5% 0.0% -62.5% -8.73% 供电电源：进口集成电源

18 增益一致的情况下，单光电子信号占比基本一致，峰谷比略有改善
吋光电倍增管测试（1） - 单光电子谱测试 滤波前 滤波后 增益一致的情况下，单光电子信号占比基本一致，峰谷比略有改善 对20吋的光电倍增管，同样使用了进口集成电源测试。增益基本一致， 单光电子信号占比有5%的增加，总体还在10%.峰谷比优化为8%左右。 增益 测试电压 测试电流 单光电子信号占比 峰谷比 滤波前 1.09*107 1670 V 172.2 uA 9.6% 2.56 滤波后 1.07*107 1756 V 10.1% 2.77 变化率 -1.8% +5.1% +0.0% +5.2% +8.2% 供电电源：进口集成电源

19 可能原因：设计Base时，20吋光电倍增管的Base上的电容电阻同样起到了与滤波电路相似的滤波效果。
吋光电倍增管测试（2） - 暗计数率测试 Dark rate – MCP PMT 滤波效果一般 可能原因：设计Base时，20吋光电倍增管的Base上的电容电阻同样起到了与滤波电路相似的滤波效果。 但在暗计数测试的结果来看，虽然总体还是有3%左右的下降，但总的来 说不明显，可能的原因试设计Base时，20吋光电倍增管的Base上的电容 电阻同样起到了与滤波电路相似的滤波效果。 阈值 测试电压 测试电流 2 mV(1/4 pe) 4 mV(1/2 pe) 滤波前 1670 V 172.2 uA 89.3 kHz 72.1 kHz 滤波后 1756 V 86.6 kHz 69.8 kHz 变化率 +5.1% +0.0% -3.0% -3.2% 供电电源：进口集成电源

20 Outline 1.研究背景 2.高压电源纹波测量 3.应用实例 4.总结及下一步计划 1.1 高压电源纹波 1.2 PMT性能测试与纹波
1.3 测试的多款高压电源介绍 2.高压电源纹波测量 2.1 测量方法 2.2 示波器测试结果 2.3 电源纹波数据对比 3.应用实例 3.1 测试类型； 3.2 1吋光电倍增管测试； 3.3 2吋光电倍增管测试； 3.4 20吋光电倍增管测试； 4.总结及下一步计划 我的报告分为以下四个部分，首先介绍了整个实验的背景，第二部分给 出了我们对纹波的测量方法以及对于测试用的几台高压电源的纹波的测 量，在第三部分展示了在测试PMT时，滤波前后的对比实验的结果，最 后是对实验结果的一个总结及下一步的计划。

21 在纹波表现上，高密度集成电源的纹波整体优于模块化电源。 高压纹波会对计数型PMT产生较大影响，设计分压器时应考虑到对于高压纹波的滤除。
4 总结及下一步计划 总结： 在纹波表现上，高密度集成电源的纹波整体优于模块化电源。 高压纹波会对计数型PMT产生较大影响，设计分压器时应考虑到对于高压纹波的滤除。 首先是在之前提到的，高密度集成电源的纹波整体优于模块化电源，这 是由于结构和体积带来的问题，但由此在使用模块电源时更需注意电源 的接地及屏蔽，以消除纹波影响。 其次，虽然目前实验室中PMT测试用电源的纹波均达到了标准，并且， 我们的滤波手段也称不上非常完善，但可以看到，滤波效果对没有相关 滤波设计的一寸2寸管还是比较明显的，说明高压纹波会对计数型PMT产 生较大影响。针对其他高能物理中使用的计数型器件，如He-3计数管， 同样应考虑高压纹波的影响。 He-3 计数管 盖革计数管 下一步计划： 针对其他高能物理中使用的计数型器件，如He-3计数管，盖革计数管，通过进一步实验研究纹波对其计数效果的影响。 图片来源于网络

22 Thanks！ 谢谢！ 感谢核探测与核电子学国家重点实验室及各基金对课题的资助！ 感谢各位专家学者的聆听。