CN101852859B - 一种基于磁镜的光子计数器及探测光子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于磁镜的光子计数器，在管壳管壁上开有玻璃窗，玻璃窗的内表面设置有光阴极，在管壳内部设置有四组聚焦电极和微通道板，该四组聚焦电极围成一矩形空腔，聚焦电极b的外侧依次间隔设置有微通道板和阳极，微通道板a的上下端口与聚焦电极b的上下端口对齐，在该四组聚焦电极围成的矩形空腔内设置一磁镜结构，形成磁镜场。本发明的方法利用上述的光子计数器，可将最终到达阳极的光电子数量显著提升，从而提高了光子计数水平。

Description

一种基于磁镜的光子计数器及探测光子的方法

技术领域

本发明属于光子计数探测技术领域，涉及一种基于磁镜的光子计数器，本发明还涉及利用该光子计数器探测光子的方法，显著提高了光子计数水平。

背景技术

作为微光探测领域的一个分支——光子计数探测技术在近年来得到了迅猛地发展，并在工业、科研及军事方面起到了积极的促进作用，尤其是在天文、自适应光学弱光波前传感器、拉曼效应、冷光发光、生物发光等极微弱光现象的研究中有着重要的应用。

在光子计数探测领域里，随着技术的发展，先后出现了几种具有代表性的器件：日本滨松公司在上世纪八十年代研制出的微通道板型光电倍增管(Micro Channel Plate-Photomultiplier Tube，MCP-PMT)作为光子计数成像头和四象限光子位敏传感器组成的光子计数图像采集系统(Photon-countingImage Acuquisition system，PIAS)；美国在上世纪八十年代成功发展了一种新型的多阳极微通道阵列(Multi-Anode Microchannel Mrray，MAMA)式光子计数成像系统；法国于上世纪九十年代初开发了一种利用高速数字处理器(Digital Signal Processing，DSP)实时探测光子坐标的光子计数成像系统。在这一类器件中，光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)以其稳定的性能及成熟的工艺已占据了绝对领先的地位，而微通道板型光电倍增管(MCP-PMT)则以其对极微弱光信号的探测能力成为PMT中的高端产品，上述的各种提高光子计数探测水平的方法都是基于对光电子能量及数量的增益来实现对微弱光信号的增强，但是这种增强不能满足更高的技术要求，近年来，对于光子技术器件探测能力的进一步提高上，整体发展较为缓慢，因此如何突破光电倍增管的不足，成为了该领域研究的技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁镜的光子计数器，有效提高微通道板型光电倍增管的光子计数能力。

本发明的另一目的是提供一种利用该光子计数器探测光子的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于磁镜的光子计数器，包括管壳，管壳管壁上开有玻璃窗，玻璃窗的内表面设置有光阴极，在管壳内部设置有四组聚焦电极，其中聚焦电极a和聚焦电极c相对间隔放置，聚焦电极d和聚焦电极b相对间隔放置，使该四组聚焦电极围成一矩形空腔，且该矩形空腔与玻璃窗和光阴极的位置相对应，聚焦电极b的外侧依次间隔设置有微通道板和阳极，所述的微通道板由呈面接触的微通道板a和微通道板b组成，所述微通道板a的上下端口与聚焦电极b的上下端口对齐，在该四组聚焦电极围成的矩形空腔内设置一磁镜结构，形成磁镜场。

本发明的光子计数器，其特征还在于，所述的磁镜结构由间隔、平行放置的永磁环a和永磁环b组成，且永磁环a、永磁环b与微通道板a、微通道板b和阳极同轴设置。

本发明所采用的另一技术方案是，一种利用上述的光子计数器探测光子的方法，该方法采用一种基于磁镜的光子计数器，该光子计数器的结构是，包括管壳，管壳管壁上开有玻璃窗，玻璃窗的内表面设置有光阴极，在管壳内部设置有四组聚焦电极，其中聚焦电极a和聚焦电极c相对间隔放置，聚焦电极d和聚焦电极b相对间隔放置，使该四组聚焦电极围成一矩形空腔，且该矩形空腔与玻璃窗和光阴极的位置相对应，聚焦电极b的外侧依次间隔设置有微通道板和阳极，所述的微通道板由呈面接触的微通道板a和微通道板b组成，所述微通道板a的上下端口与聚焦电极b的上下端口对齐，在该四组聚焦电极围成的矩形空腔内设置一磁镜结构，形成磁镜场，所述的磁镜结构由间隔、平行放置的永磁环a和永磁环b组成，且永磁环a、永磁环b与微通道板a、微通道板b和阳极同轴设置，利用该装置，本方法按照以下步骤实施：

通过玻璃窗引导光束到达光阴极的表面，使得一部分光电子透过光阴极并逸散至管壳内的真空环境中，然后开启聚焦电极a和聚焦电极c，并对聚焦电极a和聚焦电极c施加相同电压，当积累到所需的时间后，关断聚焦电极a和聚焦电极c的电压，同时开启聚焦电极d、聚焦电极b及阳极三个电极，并对聚焦电极d和聚焦电极b施加相同的电压，且该电压的电位应介于光阴极和阳极之间，将被束缚在磁镜中的光电子引出聚焦电极b的端口；使被引出的光电子依次进入微通道板a和微通道板b，并最终到达阳极，实现信号的输出。

本发明的有益效果是：借鉴核聚变中的磁约束原理，在现有的微通道板型光电倍增管的光阴极和微通道板之间设置一个磁镜，通过对光阴极出射的光电子进行积累，并在有效时间内将积累的电子释放到微通道板中，从而进一步提高了对极微弱光信号的探测能力；光电子逃逸概率可以降至最低；磁镜采用两个永磁环同轴并排放置，能够产生轴对称的磁场分布，并能够很好地配合现有光电倍增管的圆筒形管壳结构；磁镜采用钕铁硼永磁材料制作，在保证强磁场的同时，不会影响光电倍增管对腔内长时间高真空度的要求。

附图说明

图1是本发明基于磁镜的光子计数器的结构示意图；

图2是本发明基于磁镜的光子计数器中的磁镜结构示意图；

图3是本发明提高微光探测能力的方法的工作原理图；

图4是未加磁镜时通过轴向的电子束在接收屏上的轨迹图；

图5是本发明方法加磁镜场后出射电子所呈现的环状斑状轨迹图。

图中，1.玻璃窗，2.光阴极，3.聚焦电极a，4.聚焦电极b，5.聚焦电极c，6.聚焦电极d，7.永磁环a，8.永磁环b，9.微通道板a，10.微通道板b，11.阳极，12.管壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

现有的各种提高光子计数探测水平的方法都是基于对光电子能量及数量的增益来实现对微弱光信号的增强。本发明装置的目的是，即不仅仅对光电子的能量和数量进行增益，而且在增益之前先对光电子进行有效的积累，从而进一步提高光子的利用率，因此，本发明正是基于将光电子进行积累这一思路引入现有的微通道板型光电倍增管，在光子计数器的结构内部设置一个磁镜结构，形成一磁镜场，构成一种基于磁镜的光子计数器，从而通过对光电子的有效积累来进一步提高该器件的光子计数能力。

图1是本发明装置给出的一种实施例结构示意图。包括在管壳12的内部依次同轴设置的永磁环a7、永磁环b8、微通道板a9、微通道板b10和阳极电极11，其中永磁环a7和永磁环b8间隔一定距离设置，在永磁环a7和永磁环b8的上下分别设置有聚焦电极a3和聚焦电极c5，在永磁环a7和永磁环b8的水平外侧分别设置有聚焦电极d6和聚焦电极b4；聚焦电极b4与微通道板a9间隔设置，微通道板a9的端口与聚焦电极b4的端口对齐，微通道板a9和微通道板b10呈面接触，微通道板b10与阳极11的极板间隔一定距离设置；在管壳12管壁上开有外凸的玻璃窗1，在玻璃窗1的内表面镀有一层由光敏材料制成的薄膜，该薄膜即为光阴极2，光阴极2的位置与永磁环a7和永磁环b8相对应。

永磁环a7和永磁环b8的水平轴线与玻璃窗1及光阴极2的表面平行，这样永磁环a7和永磁环b8的组合构成了一组磁镜，如图1虚线框及图2所示，在永磁环a7和永磁环b8的上下分别设置聚焦电极a3和聚焦电极c5，目的是提供电场将光阴极2逸出的光电子引入磁镜中，在永磁环a7和永磁环b8的水平两端外侧分别设置聚焦电极d6和聚焦电极b4，目的是将被约束的电子从永磁环b8的端口向外引出，在聚焦电极b4的(右端)端口外侧依次设置两个贴紧的微通道板，即微通道板a9和微通道板b10，使得从聚焦电极b4出射的电子能够顺利进入倍增电极从而得到进一步的增益，并在微通道板b10的出射端口设置阳极11来接收最终的电子从而输出电信号。

永磁环a7和永磁环b8均采用钕铁硼材料制成，间隔一定距离同轴并排放置构成磁镜，从而产生两端大中间小的轴对称的磁场位形，能够有效地约束从其中部入射的光电子。

本发明探测光子的方法，利用上述的光子计数器，按照以下步骤实施：

如图3所示，通过玻璃窗1引导光束到达光阴极2的表面，由于外光电效应的作用，一部分光电子会透过光阴极2并逸散至管壳12内的真空环境中；为了对光电子进行积累，然后开启聚焦电极a3和聚焦电极c5，并对聚焦电极a3和聚焦电极c5施加相同电压，从而保证光电子能够顺利进入永磁环a7和永磁环b8的间隔区域内并被磁镜产生的磁场所束缚；当积累到所需的时间后，关断聚焦电极a3和聚焦电极c5的电压，同时开启聚焦电极d6、聚焦电极b4、及阳极11三个电极，并对聚焦电极d6和聚焦电极b4施加相同的电压，且该电压的电位应介于光阴极2和阳极11之间，从而保证原本被束缚在磁镜中的光电子能够在电场的作用下被引出聚焦电极b4的端口；此时，由于电场方向的一致性，被引出的光电子会依次进入微通道板a9和微通道板b10，并最终到达阳极11，实现信号的输出。从微通道板a9到阳极11的过程和二次电子发射机制都与普通的微通道板型光电倍增管相同。

本发明基于磁镜的光子计数器中磁镜约束光电子的原理是：磁镜是一种中间弱、两端强的特殊磁场位形，其最简单的形式之一是两个磁场方向相同且间隔一段距离平行放置的永磁环所构成的磁镜场，通过缓变磁场中的磁矩守恒效应来约束电子。本发明即是采用了永磁环a7和永磁环b8间隔一定距离同轴并排放置，如图1虚线框及图2所示，从而构成这样一种简单的磁镜结构。当磁场随时间和空间缓变时，磁场中电子的磁矩大小为一常数，电子磁矩大小为： $\mathrm{\μ}={\mathrm{mv}}_{\⊥}^2/2B$ (1)

其中v_⊥是电子垂直于磁场方向的横向速度，m为电子质量，B为磁感应强度。由于洛伦兹力对电子不做功，因此从磁镜中部入射的电子，其总能量守恒，即横向动能和平行于磁场方向的纵向动能之和不变。当电子在磁镜场中运动时，磁场B的变化导致横向动能不断变化，从而导致横向与纵向动能互相转化，电子轨迹也就形成了类似“反射”现象的运动，就像电子在两面镜子中反复运动一样，因此，通常把能够产生这种磁场及电子运动轨迹的装置叫做“磁镜”。

本发明与现有的同类器件相比，在对极弱光的探测性能方面有两个重要的改进和提高：

1)与传统微通道板型光电倍增管相比，本发明能够对入射微通道板的电子速度方向进行规整，从而提高了微通道板的二次电子发射系数，使得微通道板被更好地利用，最终能够提高光子计数水平。通过对电子在磁镜场中的运动轨迹进行求解，可以得出电子从聚焦电极b4出射时的角度分布为：

$\tan \mathrm{\θ}={\{\frac{\mathrm{Eq}{z}_0-\mathrm{Eqz}+\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}_0^2}{\mathrm{\μ}[\frac{1}{16}{B}^{\′\′2}\left(z_0\right)r^4+{(\frac{1}{4}{B}^{\′2}\left(z_0\right)-\frac{1}{2}B\left(z_0\right)B^{\′\′}\left(z_0\right))r^2+B^2\left(z_0\right)]}^{1/2}}-1\}}^{-\frac{1}{2}}---\left(2\right)$

其中θ为电子出射角度，E为聚焦电极d6和聚焦电极b4施加相同的电压，z为轴向位置坐标，m为电子质量v₀为电子入射磁镜中部时的速度，B(z₀)为聚焦电极b4处轴线上的磁场强度，而B’(z₀)及B”(z₀)分别为B(z₀)的一阶及二阶导数。若采用实际参数进行数值模拟，可以得出，当E＝7167V/m时，电子的出射角度可以被控制在[7°，10°]的范围内，从而能够有效地提高微通道板的二次电子发射系数。另外，图4、图5为验证性实验的结果，图4是未加磁镜时通过轴向的电子束在接收屏上的轨迹照片，可以看出均匀分布的电子斑；而图5是采用本发明装置加磁镜场后出射电子所呈现的环状斑照片，可以明显看到，电子受到磁镜的约束和电场加速的双重作用后所形成的环形斑点，实验与我们预期的结果吻合。

2)与端口入射的磁镜装置相比，本发明所采用的中部入射磁镜装置具有更小的逃逸概率，对电子的利用率更高。根据上述磁镜原理，电子入射到轴线附近某一位置时，该点的磁场强度与磁喉处最大磁场的比值B(z)/B_max决定了该位置逃逸锥角φ(z)的大小，通过推导得出轴线上任意位置逃逸锥角的表达式为：

如果电子的入射方向与轴线的夹角大于临界角度，同时电子的入射能量和磁镜的最小磁场也满足相应的要求，那么该电子就会被磁镜牢牢地束缚住而不会逃逸出，因此，磁镜阵列装置带来的逃逸噪声很小，几乎趋于0。而且实际的光电倍增管中，光阴极出射的电子在电场的作用下基本能够与磁镜的轴线保持垂直，因此，从中部入射的电子几乎全部能够被束缚在磁镜中，大大地提高了约束电子的效率。

另外，本发明的装置和方法，还具有以下特点：1)通过在现有的微通道板型光电倍增管的光阴极和微通道板之间设置一个磁镜，目的是在电子倍增之前首先利用磁约束的手段对光阴极出射的光电子进行数量上的积累。与现有的光电倍增管相比，最后到达阳极的光电子数量得到了提升。2)由于光电子是从磁镜的中部入射并从端口出射，这样的方式带来的光电子逃逸概率可以降至最低。3)磁镜采用两个永磁环同轴并排放置，能够产生轴对称的磁场分布，并能够很好地配合现有光电倍增管的圆筒形管壳结构。4)磁镜采用钕铁硼永磁材料制作，在保证强磁场的同时，不会影响光电倍增管对腔内长时间高真空度的要求。

Claims (9)

1.一种基于磁镜的光子计数器，其特征在于，包括管壳（12），在管壳（12）管壁上开有玻璃窗（1），玻璃窗（1）的内表面设置有光阴极（2），在管壳（12）内部设置有四组聚焦电极和微通道板，其中聚焦电极a（3）和聚焦电极c（5）相对间隔放置，聚焦电极d（6）和聚焦电极b（4）相对间隔放置，使该四组聚焦电极围成一矩形空腔，且该矩形空腔与玻璃窗（1）和光阴极（2）的位置相对应，聚焦电极b（4）的外侧依次间隔设置有微通道板和阳极（11），所述的微通道板由呈面接触的微通道板a（9）和微通道板b（10）组成，所述微通道板a（9）的上下端口与聚焦电极b（4）的上下端口对齐，在该四组聚焦电极围成的矩形空腔内设置一磁镜结构，形成磁镜场。

2. 根据权利要求1所述的光子计数器，其特征在于，所述的磁镜结构由间隔、平行放置的永磁环a（7）和永磁环b（8）组成，且永磁环a（7）、永磁环b（8）与微通道板a（9）、微通道板b（10）和阳极（11）同轴设置。

3.根据权利要求2所述的光子计数器，其特征在于，所述的永磁环a（7）和永磁环b（8）的水平轴线与玻璃窗（1）及光阴极（2）的表面平行。

4.根据权利要求2所述的光子计数器，其特征在于，所述的永磁环a（7）和永磁环b（8）采用钕铁硼永磁材料制成。

5.根据权利要求1或2所述的光子计数器，其特征在于，所述的光阴极（2）是一层由光敏材料制成的薄膜。

6.一种利用权利要求2所述的光子计数器探测光子的方法，其特征在于，该方法采用权利要求2所述的光子计数器，按照以下步骤实施：

通过玻璃窗（1）引导光束到达光阴极（2）的表面，使得一部分光电子透过光阴极（2）并逸散至管壳（21）内的真空环境中，然后开启聚焦电极a（3）和聚焦电极c（5），并对聚焦电极a（3）和聚焦电极c（5）施加相同电压，当积累到所需的时间后，关断聚焦电极a（3）和聚焦电极c（5）的电压，同时开启聚焦电极d（6）、聚焦电极b（4）及阳极（11）三个电极，并对聚焦电极d（6）和聚焦电极b（4）施加相同的电压，且该电压的电位应介于光阴极（2）和阳极（11）之间，将被束缚在磁镜中的光电子引出聚焦电极b（4）的端口；使被引出的光电子依次进入微通道板a（9）和微通道板b（10），并最终到达阳极（11），实现信号的输出。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的永磁环a（7）和永磁环b（8）的水平轴线与玻璃窗（1）及光阴极（2）的表面平行。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的永磁环a（7）和永磁环b（8）采用钕铁硼材料制成。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的光阴极（2）是一层由光敏材料制成的薄膜。

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