光電倍增管下的核電子學前端系統噪聲問題分析

付春亮 林江景 郭明 龔林華

中船重工集團公司第七一九研究所，湖北 武漢 430000

核電子學前端系統研究是整個核電子學研究的重點、熱點。光電倍增管是一種比較靈敏的檢測器，能夠在來自陰極的光電子脈沖這樣低的檢測水平下工作[1]。在核電子學前端系統的研究中的作用是比較大的。核電子學前端系統研究一直是核電子學研究的熱點，其前端系統的噪聲歷來是該領域的研究重點。

1 光電倍增管的噪聲源

光電倍增管的噪聲來源可以簡單地歸結為兩種類型：第一種是光電倍增管工作的時候所引起的噪聲。第二種就是光電倍增管設計和制造的方式及使用條件所引起的噪聲[2]。正因為噪聲的來源主要是這兩個方面，因此，在對噪聲進行特征描述的時候，需要進行更加細致的綜合分析。

首先，光子噪聲。光子噪聲主要來源于熱寬帶源，噪聲與平均光子達到速率和光陰極的時間有直接關系；其次，光陰極噪聲。光陰極電子流所產生的噪聲與量子效率以及單位時間內發(fā)射熱電子的平均率有關；再次，二次發(fā)射噪聲。二次發(fā)射噪聲會隨著時間的變化而有所起伏，主要在電子與光電倍增管的撞擊后產生；最后，倍增極串的噪聲。這種噪聲會隨著倍增及的輸出撞擊而不斷增益，噪聲影響與第一次撞擊釋放的二次電子有直接關系。

除此之外，還有一些其他的原因造成的噪聲。比如在光電倍增管里的放射性所引起的噪聲源，根源不清的按脈沖所引起的脈沖隨機發(fā)射，以及光子發(fā)射和二次發(fā)射所引起的過剩噪聲等等，這些都是光電倍增管的主要噪聲源，對這些噪聲都會對光電倍增管下的核電子學前端系統產生一定的影響。想要對光電倍增管下的核電子學前端系統的噪聲問題進行分析，就需要明確各個噪聲的來源，以及他們的影響和計算方法，根據這些影響因素進行綜合計算，還可以根據這些噪聲影響建立一個光電倍增管的噪聲模型，以光電倍增管的噪聲模型為一個基點來計算核電子學前端系統的前置放大器噪聲模型和濾波形成電路的函數計算模型，最后進行綜合的模型計算，推動后續(xù)研究計算的發(fā)展。

根據上述分析可知，光電倍增管主要是由光陰極、若干二次發(fā)射倍增極和陽極構成的，所以，當光量子達到光陰極的時候，光電子從陰極中釋放，并且從由級聯的二次發(fā)射過程倍增產生陽極電荷脈沖。所以，光電倍增管其實是一種帶有內放大的真空光電探測器件，它的增益是非常高的，而且在整個系統中的影響范圍是比較大的。

2 核電子學前端系統噪聲分析

核電子學前端系統主要由光電倍增管、前置放大器和濾波成形電路兩方面組成，所以要分析探究核電子學前端系統的噪聲問題需要從噪聲的上下界入手，通過設定噪聲的適當范圍來進行研究分析[3]。研究的主要方法是利用計算模型的方式進行實驗檢測：建立一個核電子學前端噪聲模型，并根據此進行研究分析。

前置放大器的噪聲模型是根據光電倍增管噪聲模型而計算的，假設Rb為探測器的偏置電阻，Ri為前置放大器的反饋電阻，V為總輸出電壓，T為溫度，Ig為柵級漏電流，Acq為電荷靈敏前置放大器的變換增益，Ci為電荷靈敏前置放大器的反饋電容，Cin為電荷靈敏前置放大器的輸入電容，k為熱力學波爾茲曼常數，gm為JFE的跨導，γ為修正因子，Cgf為場效應管柵極電容，KF為工藝參數。因此，噪聲模型為：

根據計算可以通過依據實際情況，頻率不可能取負值，勢必在（0，+∞）中感興趣頻段，因此通過設置頻段上界在，下界在，簡化公式（1）可以得公式如下：

依據許茲瓦不等式有：

從這個模型中我們可以發(fā)現，對核電子學前端系統噪聲問題影響比較大的部分在前置放大器，運動的頻率對整個過程的影響正常，但是噪聲越大，核電子學前端系統的設計受到的影響越大，所以需要慎重對待核電子學前端系統噪聲問題，本次分析主要是采用計算的方式，將核電子學前端系統噪聲的上界進行限定，設置好上界之后就能夠順利找到一個比較適合的界線點，而這個點就是直接關系到最后設計系統的點，能夠將噪聲控制在一個合理的范圍內。

總而言之，根據上述計算與分析中可以看出，分析探討核電子學前端系統的噪聲問題能夠對核電子學前端系統最大、最小噪聲的界限有所確定，這有助于有效解決噪聲問題，而對核電子學前端系統中噪聲問題的解決能夠幫助前端設計得到一個更好的發(fā)展，能夠確定一個比較好的設計參考目標[4]。另外，從模型計算分析中可以看出，核電子學前端系統中的前置放大器的整體噪聲的大小與頻帶是沒有關系的，只與參數有關，而當前的前端系統的總噪音其實與信號頻帶寬度有直接關系。