CN101116168A - 具有较小渡越时间差的光电倍增管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单通道光电倍增管(1)，包括：密封壳(4)，其一个壁(5)包括内表面(7)，所述内表面(7)为朝向管内部的、具有中心轴(AA′)的凹面，具有对称面并且包含光电阴极(2)；入射光学器件(9)，包含电极；电子倍增器(11)，包含多个倍增电极(30－39)；阳极(16)；连接装置(12)，用于以各自的操作电压连接倍增电极(30－39)、光电阴极(2)、光学器件(9)的电极(13、15)和阳极(16)，其特征在于，该电子倍增器由物理上彼此分离的部件(24、26)构成，并且在它们之间具有相对于凹面的中心轴的旋转对称性。

Description

具有较小渡越时间差的光电倍增管

技术领域

本发明涉及一种单通道电子倍增管。

背景技术

光电倍增管通常在一个密封的不含气体的壳的内部，包括：被称作光电阴极的光敏电极、电子聚焦光学器件、用于倍增由该光电阴极发射的电子的电子倍增器和收集该倍增电子的阳极。

授予给美国无线电公司(Radio Corporation of America)的、对应于申请号为27066的美国专利的法国专利申请FR 1,288,477号结合该专利的单个附图，描述了包括密封壳10的单通道光电倍增管。该密封壳10包括形成光子透射窗(photo-transparent window)12的壁。该窗12具有外表面与内表面。内表面为具有中心轴的凹面。该凹面朝向管的内部。它具有包含中心轴的对称面。

光电阴极14被设置于形成透射窗的壁的内表面上，以便接收穿过透射窗的可见光子。

包括多个电极的聚焦光学器件将来自光电阴极的电子聚焦到在电子穿行的方向上位于光学器件下游的具有线性结构的电子倍增器的第一倍增电极31上。该倍增器含有包括第一倍增电极31、中间倍增电极、次末倍增电极以及最末倍增电极的多个倍增电极31-40。该管还含有阳极42。连接装置18穿过密封壳10，并且包括用于外部连接到该密封壳10的接点18，这些接点本身被连接到内部电连接器上，并且连接装置可以以它们各自的操作电压分别连接倍增电极，光电阴极14，一起形成聚焦光学器件的电极16、20、22、24，和阳极42。

本申请中描述的单通道管被设计为可用于由光电阴极发射电子的时刻与通过倍增器形成该电子的倍增而获得电子束的时刻之间的渡越时间的一致性是一个重要因素的情况。不管光电阴极上的发射位点和被发射的电子的初始能量如何，理想的管应具有彼此相等的渡越时间。在上面描述的单通道管中，在光电阴极和倍增器的第一倍增电极之间的渡越时间差可通过将光电阴极安装在半球形表面的情况来降低。由于这种形状，在光电阴极的各个点与中心之间的距离是相等的。这种几何形状有助于减少取决于光电阴极上的电子的发射位点的渡越时间差。

发明内容

本发明涉及一种单通道光电倍增管，该光电倍增管与现有技术中已知的单通道管相比具有更高的时间分辨率。这一目的是通过以下事实达到的：该管包含由物理上彼此分离的多个倍增器部件组成的电子倍增器，并且在它们之间具有关于凹面的中心轴的旋转对称性。事实上，每个倍增器部件构成一个独立的(或自发的，autonomous)倍增器。

因此，该半球形的光电阴极基本上被分成与倍增器部件的数量一样的多个阴极部件。当该光电阴极具有绕轴旋转的形状时，该光电阴极部件为顶部与旋转轴重合的倾斜部件。每个光电阴极部件对应于一个专用的倍增器。由于旋转对称，这些部件彼此等同。因此，根据本发明，在其中每个光电阴极部件发射的电子通常都通过共同的聚焦光学器件而被聚焦的某一区域中，存在的第一倍增电极与存在的部件一样多。每个第一倍增电极为一个独立的倍增器对来自对应于该倍增电极的光电阴极部件的电子进行倍增的倍增电极。与所有的倍增电极一样，每个倍增器的第一倍增电极是相对该管的轴旋转对称的。

由于来自仅一个光电阴极部件的电子具有这样的轨道，这些轨道有比由来自整个阴极的电子的轨道(产生)的共有发散角度更小的共有发散角度(或共有偏离角度，mutual angles of divergence)，因此，穿行距离的差别越小，从光电阴极到每个倍增器的第一倍增电极的渡越时间差也越小。

此外，各倍增器的第一倍增电极D1与第二倍增电极D2之间的电子轨迹在穿行距离上的共有差(或公共差，mutual differences)也比将电子从一个大的第一倍增电极发射到一个大的第二倍增电极上的穿行距离的共有差小。因此，各倍增器的第一和第二倍增电极之间的电子穿行时间差也减小。对于各倍增器的连续级之间的穿行时间而言，尽管程度更小，但情况也是相同的。

因此我们获得了一种单通道管，该单通道管比现有技术中的管具有更小的穿透时间差。

总而言之，本发明涉及一种具有较小渡越时间差的单通道光电倍增管，包括：

-密封壳，具有形成包含外表面和内表面的光子透射窗的壁，其内表面为一个有中心轴的凹面，所述凹面被转向管的内部，并且具有包含中心轴的对称面；

-光电阴极，设置在形成透射窗的壁的内表面上，以便接收穿过透射窗的可见光子；

-聚焦光学器件，包括一个或多个电极；

-电子倍增器，位于在电子穿行方向上的光学器件下游，具有聚焦线性结构，所述电子倍增器含有包括第一倍增电极、中间倍增电极、次末倍增电极和最末倍增电极的多个倍增电极；

-阳极；

-连接装置，穿过密封壳并且包括用于外部连接到壳的触点，这些触点本身与内部的电连接相连，用于以其各自的操作电压分别连接倍增电极、光电阴极、一起形成聚焦光学器件的电极和阳极；

其特征在于：

-该电子倍增器由物理上彼此分离的部件组成，每个部件形成一个独立(或自发)的倍增器，并且在所述独立(或自发)的倍增器之间具有相对于凹面的中心轴旋转的对称性。

在一个具体实施方式中，密封壳含有圆柱形的绝缘套管，该绝缘套管的中心位于支撑光电阴极的凹面的中心轴上，形成透射窗的壁连接到所述套管的一端，并且聚焦光学器件含有加速聚焦电极，和由以沉积在套管内壁上的圆柱体表面部分的形式的导电薄膜形成的校正聚焦电极，所述套管的一端在位于光电阴极和加速电极之间的某一区域中接近光电阴极，加速电极通过增强在其附近的电场提高在周边区域中的光电子的初始加速度。

在优选的具体实施方式中，该管含有两个倍增器，凹面是半球形的，并且该聚焦光学器件和该两个倍增器含有一个对称面，该对称面为凹面的对称面。这种方法可以将两个倍增器设置成与对称面上的公共轴平行。

在这个具体实施方式中，倾斜部件为180°。

在该优选具体实施方式的等同实施方式中，每个倍增器的第一倍增电极都具有一个最接近光电阴极的部件，这些部件在同一点上与所述对称面相切并且每个部件都具有凹面，其中每个第一倍增电极各自的凹面都不朝向彼此。这种方法可以将两个倍增器设置成与对称面上的公共轴平行。

附图说明

下面参照附图对本发明进行描述，其中：

图1示出了根据本发明的光电倍增管的、根据该管的对称面形成的纵向截面图。也示出了电子在该对称面内、在光电阴极的第一半部与第一电子倍增器的第一倍增电极之间的轨迹。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的具有两个倍增器的光电倍增管1的纵向截面。

光电倍增管1包括由一组装配在一起的壁形成的密封壳4。在给出的实施例中，第一壁3具有绕AA’轴的圆柱形套管形状。该圆柱形套管优选由绝缘材料制成，例如玻璃。该套管在一端通过形成光子透射窗的壁5封闭。在另一端通过基极壁8封闭。对于位于密封壳4内部的各种电极，连接销(connection pins)12以密封的方式并且以本领域已知的方式穿过该基极壁8。当该管在工作时，这些销12分别连接到在该管的各个电极上施加操作电压的电压源上。

形成该管的透射窗的壁5包含平面的外表面6和具有朝向该管内部的凹面的内表面7。在示出的实施例中，该凹面为球形帽状，其中心位于该管的AA’轴上。因此，它具有如图1所示的、相对轴AA’的对称面。图1为根据包含该对称轴的平面的轴向截面视图。光电阴极2被设置于形成透射窗5的壁5的内表面7上，以便接收穿过该透射窗5的可见光子。以本领域已知的方式，光电阴极2是由一个发光物质层，例如是一个由多种碱物质或银-氧-铯、或铯-锑的层构成的层。也可以是其它的发光材料。可根据其光谱发射性能以及施加到光电倍增管上的光子的波长来选择材料。假定，光电阴极2包括关于对称面相互对称的两个部件21、22，在图1中用球形盖的对称轴AA’示出了该对称面与附图平面的相交。

从光电阴极2到基极壁8，该管依次包含含有加速聚集电极13的聚焦光学器件9。如实施例所示，该聚焦光学器件9还可以包括校正聚焦电极15。在示出的实施例中，该校正聚焦电极15由以沉积在套管3的较低面上的圆柱形表面部件形式的导电薄膜形成。在轴向上，该校正聚集电极15的一端在位于光电阴极2和加速聚焦电极13的最上游的部件之间的区域内接近光电阴极2。在本申请文件中，术语“上游”和“下游”是指电子流的穿行方向，在起始时来自光电阴极，因此被称作上游；并且向下游引导，因此朝向阳极。因此，聚焦光学器件9为管1的两个自发的倍增器24、26所共用的。

在聚焦光学器件9的下游，该管1包括电子倍增器11，该电子倍增器由物理上彼此分离的、且相对于管的对称面彼此对称的两个倍增部件24、26组合而形成。这些倍增器部件构成了独立(或自发)的倍增器24、26。倍增器24、26都包括所谓的雷奇曼(Rajchman)线性聚焦结构的倍增电极。所谓物理上分离，是指组成每个倍增器的倍增电极与组成另一个倍增器的倍增电极是物理上分离的。这并不排除同级的倍增电极，例如这两个倍增器24、26可被连接到相同的电压源上的可能性，以及因此会有一个共用的连接部件的可能性。该共用的连接部件可以在壳4的外部或内部。类似地，也不能排除在各倍增器24、26中的两个同级倍增电极具有彼此接触的点或面的可能性。

各电子倍增器24、26分别包括多个倍增电极，该倍增电极位于电子穿行方向上的聚焦光学器件9的下游，包括各自的第一倍增电极31、32，各自的第二倍增电极23、25，各自的中间倍增电极33、34，各自的次末倍增电极35、36以及各自的最末倍增电极37、38。

在电子穿行方向上的最末倍增电极37、38的下游，该管包括由两个导体17、18分别形成的阳极16，两个导体相互之间电连接以形成倍增器11的一个单独的阳极。

因此，该管1的第一倍增通道是由光电阴极2的第一半部21、共用光学器件9、第一倍增器24和阳极16的部件17形成。该管1的第二倍增通道由光电阴极2的第二半部22、共用光学器件9、第二倍增器26和阳极16的部件18形成。

在图1所示的实施例中，将与两个倍增器24、26同级的倍增电极32、34、36、38和31、33、35、37，除各倍增器中的增益调节倍增电极30、39以外，分别连接到单个的连接销上。两个倍增器24、26的各自的调节倍增电极30、39分别具有允许彼此独立地设定电压的连接器。

在图1所示的实施例中，倍增器24、26各自的第一倍增电极31、32相对于透射窗5的凹面的对称面相互对称。这些第一倍增电极31、32都分别具有部件27、28，这两个部件最接近光电阴极2。第一倍增电极31、32的部件27、28在同一点上彼此相切，并且分别与所述的对称面相切。第一倍增电极31、32都具有凹形，其各自的曲率中心相对于对称面相互对称。第一倍增电极31、32各自的曲率中心都位于对称面上与对应倍增电极相同的一侧。从图1可以看出各第一倍增电极均由一组的四个平面部件构成，其弯曲是由两个连续平面部件形成一个二面角的事实而产生的。在所示的截面中，可以认为二面角的曲率中心是与形成二面角的平面部件的两个表面都相切的圆的中心。

操作如下：

按照本领域已知的方式，当光电阴极2发射出电子时，该电子通过光学器件9被加速并且引导至第一倍增电极31、32中的两者之一。在图1中示出了由光电阴极2的部件21发射的电子的同步轨迹。来自部件21的电子大部分被集中到属于第一倍增器24的第一倍增电极31。电子通过第一倍增器24的第一倍增电极31进行倍增。来自第一倍增电极31的电子被投射到第一倍增器24的第二倍增电极23上。然后将电子从一个倍增电极倍增到另一个倍增电极，并且所倍增的电子流到达单个阳极16的部件17。

各个电子在光电阴极2和第一倍增器24的第一倍增电极31之间的平均穿行时间结果是与电子在光电阴极2上的起始点对应的。这些平均穿行时间在6.24毫微秒到6.40毫微秒之间变动。因此穿行时间上的起始差异非常低。在倍增过程中，穿行时间上的差异也会缩小。来自例如光电阴极的21或22的一个部件的电子与来自各倍增器的第一倍增电极的电子之间几乎不存在差异，因此，穿行时间的一致性得以改善。各倍增器的第一和第二倍增电极之间的情况也是如此。

由于管是对称的，关于第一倍增通道所述的所有内容加以必要的变更都可适用于第二倍增通道。由光电阴极的第二部件22发射的电子大部分被集中到第二倍增器26的第一倍增电极32。可在单个阳极16的部件18上接收信号。

尽管为了在两个通道之间具有最大可能的对称而采取了措施，但是制造公差表明两个通道没有如期望的那样彼此对称。因此，在倍增电极24、26中分别提供增益调节倍增电极30、39是有利的。该增益调节倍增电极与各倍增器上同级的其它倍增电极不同，它是不与相同值的电压源相连的倍增电极。因此这些倍增电极30、39都有其自己的连接销12，该连接销与各增益调节倍增电极特定的电压源相连。倍增电极30、39可以平衡各倍增器24、26的整体增益，并且可在倍增通道之间获得相等的渡越时间。

以上所述仅为本发明的典型实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有较小渡越时间差的单通道光电倍增管(1)，包括：

密封壳(4)，具有形成包含外表面(6)和内表面(7)的光子透射窗的壁(5)，所述内表面(7)为一个有中心轴(AA’)的内凹面，所述内表面(7)被转向所述管的内部，并且具有包含所述中心轴(AA’)的对称面；

光电阴极(2)，设置在形成所述透射窗(5)的壁(5)的内表面(7)上，以便接收穿过所述透射窗(5)的可见光子，聚焦光学器件(9)，包括一个或多个电极；

电子倍增器(11)，具有聚焦线性结构，位于所述电子穿行方向上的所述光学器件(9)下游，含有包括第一倍增电极(31)、中间倍增电极(33)、次末增电极(35)和最末倍增电极(37)的多个倍增电极(23、25、30-39)，

阳极(16)，

连接装置(12)，穿过所述密封壳并且包含用于外部连接到所述壳(4)的触点(12)，这些触点本身与内部的电连接器相连，用于以其各自的操作电压分别连接所述光电阴极(2)、所述倍增电极(23、25、30-39)、一起形成所述聚焦光学器件(9)的电极(13、15)和所述阳极(16)，

其特征在于，

所述电子倍增器(11)由物理上彼此分离的部件(24、26)构成，每个部件形成独立的倍增器(24、26)，并且所述独立的倍增器(24、26)之间具有相对于所述凹面中心轴的旋转对称性。

2.根据权利要求1所述的光电倍增管(1)，其特征在于，每个倍增器部件(24、26)的倍增电极(23、25、30-39)中的一个(30、39)为增益调节倍增电极(30、39)，其中每个所述的增益调节倍增电极(30、39)具有其自己的连接装置(12)。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的光电倍增管(1)，其特征在于，所述密封壳(4)包括中心位于支撑所述光电阴极(2)的凹面的中心轴上的圆柱形绝缘套管(3)，其中形成透射窗的所述壁(5)被连接到所述套管(3)的一端，

并且，其中所述聚焦光学器件(9)包括加速聚焦电极(13)和校正聚焦电极(15)，所述校正聚焦电极是由以沉积在所述套管(3)的内壁上的圆柱体表面部分形式的导电薄膜形成的，所述套管的一端在位于所述光电阴极和所述加速聚焦电极(13)之间的某一区域中接近所述光电阴极(2)。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的光电倍增管(1)，其特征在于，所述透射窗(5)的内凹面是半球形的，并且所述聚焦光学器件(9)和所述两个倍增器部件(24、26)含有对称面，所述对称面为所述内凹面的对称面。

5.根据权利要求4所述的光电倍增管(1)，其特征在于，每个倍增器部件(24、26)的所述第一倍增电极(31、32)都具有最接近所述光电阴极(2)的部件，这些部件与所述对称面在相同的点上相切并且每个部件都具有凹面，其中每个所述第一倍增电极(31、32)各自的凹面都不朝向彼此。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的光电倍增管(1)，其特征在于，所述透射窗(5)的外表面(6)是平面的。