单光子计数器冷却系统的设计

　　1引言

　　绝缘聚合物常用于制作电缆、电容器、电机、变压器等的绝缘体，所以必然存在绝缘聚合物的电损耗和电介质击穿问题，而介质击穿是决定电工、电子设备最终寿命的重要因素.检测聚合物老化击穿性能的方法通常是对其电性能进行测试，通过计算空间电荷场畸变来估计聚合物的抗击穿能力，但这种方法的可靠性很低{’].由于电损耗和电击穿均为空间电荷晶格能的释放，这种能量的释放伴有光子发射，本文采用探测这种光的方法来研究电介质老化和击穿的起始点[2]，这种方法比采用常规电测试方法精密得l3]，并为对绝缘聚合物性能检测提供一种新的准确度更高的方法.这对新型绝缘材料的开发利用具有重大的实际应用价值.

　　2冷却系统的原理及设计

　　对聚合物施加电场产生的光，是功率在10一’6W以下的微弱光，普通测试方法测不到，考虑用光电倍增管(PhotomuitiPlierpMT)的光子计数模式将光信号转换为电信号来进行测试.电信号放大易于实现，用幅度甄别器去掉大部分噪声;而光本身就是脉冲信号，可以用脉冲计数器计数，一定时间内的计数值对应着相应的光功率.把这样的检测微弱光的系统称为单光子计数器.图1为基于PMT的单光子计数器一般原理图.

　　由图l可见，PMT是整个单光子计数系统的基础，PMT的工作原理是建立在光电效应，二次电子发射和电子光学理论基础上的.光子人射到PMT的光电阴极上产生光电子，光电子经过电子光学系统聚焦，进人倍增系统，电子经过多次倍增以后，由阳极收集起来，形成电流或电压.由于所测试的极微弱光先转化为电脉冲并经过放大再测试，因此必须避免噪声覆盖有用信号，因此需要单光子计数器的光电转换与增益器件有高的增益、最好的量子效率、较小的暗电流和噪声.

　　未加冷却系统时，PMT输出暗计数噪声较大，难于检测到微弱光.这一点可以从它的暗计数噪声与信号输出高度图看出.

　　降低暗计数噪声和暗电流的方法有:①选择小暗电流的管型，选择符合要求的管型;②光调制法;③磁散焦法;④致冷法;⑤选择合适的通频带，在满足信号响应速度前提下，尽量降低了探测系统的通频带宽度;⑥清洁和干燥，这是冷却法的辅助措施;⑦避光，老化选择合适1作电压.上述这些方法中只有致冷法最适合本项目.

　　近年报道的PMT量子效率都不高，在灵敏波长段的量子效率是25%【习.在这部分的设计中，参考了相关资料.ShigekiTakeuchi等人研制成功了一种可达到很高量子效率的，系统用于可见光的测试，系统结构如图3[，].

　　在可见光的测试中，该系统在理论上可将量子效率提高到80%，而计数器只需25%左右的量子效率就可以满足需要.这种单光子计数器采用双碱阴极的EMI9789QB型光电倍增管，当管子的温度从20℃降至一20℃，暗噪声计数及暗电流减小至十分之一;而温度继续下降则暗噪声计数暗电流下降速度显著变慢，双碱阴极电阻率增大，反而会破坏PMT的线性输出141.所以温度降至一20℃可以满需要.为降低暗计数噪声，提高量子效率，采用了水冷与半导体致冷器相结合的双重冷却系统.本文设计的PMT及其分压器固定在一钢套上，钢套外形如图4.