CN101924007A - 一种光电倍增管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电倍增管，包括光阴极、电子倍增器、电子收集极以及供电极；所述光阴极、电子倍增器都置于一真空密封容器内；所述电子收集极和供电极穿过所述真空透光容器与一外部电路相连；所述光阴极覆盖在所述真空透光容器的全部内表面上；所述电子倍增器置于所述真空透光容器的内部中心处，能够接收来自所述光阴极各个方向产生的光电子并产生增殖电子。本发明扩大了有效光阴极面积，提高了单位受光面积对光的探测效率。

Description

一种光电倍增管

技术领域

本发明涉及光探测器件，尤其涉及一种基于透射式光阴极和反射式光阴极相结合的光电倍增管。

背景技术

光电倍增管是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件，可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究等仪器设备中。作为一种真空部件，传统的聚焦型光电倍增管主要由光电发射阴极(也称为光阴极)、聚焦电极、电子倍增器及电子收集极(阳极)等组成，其中光阴极为特殊光敏材料制成的沉积在特定基板上的极薄的膜，按照光电转换方式，可分为透射式和反射式两大类。

目前聚焦型光电倍增管的光阴极都采用透射式，透射式光阴极一般沉积在光电倍增管玻璃外壳顶部入射窗的内表面上，被探测的光线从入射窗射入。如图1所示，这种聚焦型光电倍增管的工作过程是：当入射光子穿过透光的真空容器1的前窗口，射到光阴极2时，一部分光子被转换为光电子，其余的光子穿透光阴极2进入真空容器。在光阴极2中被转换为光电子之中的一部分被光阴极所吸收，另一部分(一般不超过总入射光子数的30％)，穿过光阴极2进入真空中，沿聚焦电场飞行并被加速，进入由一组多个表面涂有特殊材料的电子倍增器，在其中被电场加速的电子打在电子倍增电极3表面发生二次电子发射，从而得到倍增放大，放大后的电子流为阳极4所收集，并作为信号输出。

上述聚焦型光电倍增管采用聚焦光电子的电场设计的特点是光阴极的面积大于或者远大于接收光电子的电子倍增器表面的面积，这样特别适合于制造面积较大的光电倍增管。但是，传统的聚焦型光电倍增管多为圆柱形或椭球型，采用上述透射式光阴极只能接收从前方射入的光线，有效接收光线的空间角度不超过2立体角，光电转换的量子效率因之低下。

并且对于具有大面积光阴极的光电倍增管，其电子倍增器一般为图1中聚焦的打拿电极结构，由多个表面涂有次级电子发射系数高的材料的金属片构成，其结构比较大，一般置于密封容器下半部分的葫芦尾口处，对于大型光电倍增管来说，这种设计使得光电子从光阴极表面产生后，到达电子倍增器的路径差别较大，所经过的电场分布也不相同，因此光电子的到达时间散布较大，大型光电倍增管的时间响应较难达到理想的要求。

采用反射式光阴极的光电倍增管需要在其真空容器透光窗的内部，设置承载光阴极的基板，反射式光阴极沉积在此基板之上，配合这种反射式光阴极，需要采用环形聚焦型电子倍增器结构来进行倍增放大。因此，这种光电倍增管的有效受光面积受到限制。

光电倍增管也采用微通道板作为电子倍增器，但此类的光电倍增管都为非聚焦型，而且现有技术的微通道板一般为平板状的结构，面积不可能做得很大，贴近光阴极放置。由于需要光阴极的面积与微通道板的面积相匹配，因而，实际可用的微通道板限制了光阴极的面积。

发明内容

本发明的目的是提供一种大光阴极面积、高光量子效率以及结构简单的光电倍增管。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种光电倍增管，包括：用来接收光照并产生光电子的光阴极，用来接收从光阴极发射出来的光电子并产生增殖电子的电子倍增器，用来收集所述电子倍增器所产生增殖电子的电子收集极，用来供电给所述光阴极和电子倍增器的供电极，所述光阴极、电子倍增器置于一真空透光容器内，所述电子收集极和供电极穿过所述真空透光容器与一外部电路相连；其中所述光阴极覆盖在所述真空透光容器的全部内表面上；其中所述电子倍增器置于所述真空透光容器的内部中心处，接收所述光阴极产生的光电子并产生增值电子。

如果光电倍增管所探测的入射光是来自各个方向，那么所述光阴极等同厚度地涂镀在所述真空透光容器的全部内表面上。

如果光电倍增管所探测的入射光是来自光电倍增光的前方某个方向，那么所述光阴极按照第一厚度涂镀在入射光方向所对应的所述真空透光容器的一半内表面上，同时按照第二厚度涂镀在所述真空透光容器剩余的另一半内表面上，所述第一厚度小于或等于第二厚度。

为了提高反射部分的量子效率，所述光阴极材料按照第二厚度涂镀在所述真空透光容器的另一半球内表面之前，先涂镀一层高反光度的金属薄膜。

为了能够接收所述光阴极产生的光电子和产生增殖电子而设置的所述电子倍增器的面积远小于光阴极的面积，可以为微通道板、小型打拿极、半导体二级管或雪崩硅光电探测器中的任意一种，并且所述电子倍增器以上下两组、左右两组或各向多组布置的方式置于所述真空透光容器的内部中心处，在所述光阴极和电子倍增极之间形成中心对称的聚焦电场。

为了有效收集来自所述光阴极的光电子，所述光电倍增管还包括一环绕在所述电子倍增器四周的聚焦电极。

优选地，所述真空透光容器可以采用球形、椭球形或者圆柱形的玻璃容器。

优选地，所述电子倍增器具有阳极和阴极，所述每组微通道板的阴极面对所述光阴极放置，所述每组微通道板的阳极面对所述电子收集极放置。

根据增益的需要，所述每组微通道板为单片或多片串联连接的微通道板。

相应于每组电子倍增器，所述电子收集极可以为用于同时接收所述每组电子倍增器产生的增值电子的一公共收集极，或分别接收所述各组电子倍增器产生增值电子的多个电子收集极。

所述电子倍增器通过一绝缘支撑杆来置于所述密封容器内部中心处。

由上述技术方案可知，本发明通过将光阴极覆盖在整个真空容器的内表面上的方法，使得入射光子在进入真空容器，在入射处光阴极中被转换为光电子，而穿过光阴极没有与光阴极发生反应的光子可以在射到相对的真空容器表面时，利用反射式光阴极的原理，得到第二次机会与光阴极发生光电效应，而转换为光电子，从而使得光电倍增管的量子效率得以大幅度提高，从而有效地利用了光阴极的面积，进而提高了光量子转化效率。

通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

图1为传统技术中透射式光阴极的光电倍增管的结构示意图；

图2为本发明的光电倍增管的一个实施例的结构示意图；

图3为本发明的光电倍增管的另一个实施例的结构示意图；

图4为本发明的光电倍增管所使用的微通道板的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

图2是本发明光电倍增管的一个实施例的结构示意图。

如图2所示，本发明的光电倍增管主要包括光阴极14，电子倍增器10，电子收集极11以及供电及信号引出线12。本发明的光电倍增管的上述组成部分都置于大型透光真空容器8中，所述真空透光容器可以为球形、近似球形以及柱形的玻璃容器，这里以近似球形的真空透光容器来详细说明本发明，但并不限制本发明的保护范围。所述光阴极覆盖沉积在所述真空容器8的内表面上，覆盖范围为除真空容器8中还有用于供电及信号引出线的少许表面之外，真空容器8中其它全部的内表面上都涂镀上光阴极的材料；同时为了接收全部光阴极的入射光子，所述电子倍增器10置于所述真空容器8的内部中心处，接收来自各个方向的光电子并产生增值电子，之后通过电子收集极11收集增殖电子并输出被放大之后的电流信号。这里所述的供电和信号引出线12包括电源线和信号引出线(为了示意效果在图2中显示为一条线)，所述电源线作为所述光阴极14、电子倍增器10以及电子收集极11的电源线，以此使他们之间依次形成电势差，所述信号引出线可作为电子收集极11的信号引出线，用来输出放大之后的电流信号。

上述光阴极沉积在真空容器接近全部内表面的设计方法，使得入射光子在穿透真空容器壁时，一部分在入射部分处的光阴极中被转换为光电子，而穿透光阴极层并没有与光阴极发生反应的另一部分光子，可以在射到相对的真空容器表面时，利用反射式光阴极的原理，得到第二次机会与光阴极发生光电效应转换为光电子，从而最大程度地探测到入射光子，使得光电倍增管探测光子的量子效率得以大幅度提高。

上述光阴极的设计方法适用于接收来自光电倍增管周围各个方向和只来自前方的入射光。

如果入射光是来各个方向，也就是在所述真空容器四周都有入射光子，上述光阴极可以采用适当的光阴极材料厚度一致地涂镀在所述真空透光容器的全部内表面上，其中所述光阴极材料可以为双碱或多碱金属材料，并且在涂镀的过程中其厚度和结构依据具体使用需要而定。

如果入射光是只来自同一方向，假如来自光电倍增管的前方，那么在真空容器壁8面对入射光的一半内表面上按照一定厚度涂镀上光阴极材料，在真空容器8剩余的另一半内表面按照另一厚度涂镀上光阴极材料，其中另一半内表面上涂镀的光阴极材料可以比入射光对着的那一半内表面上的可以厚一些。这里以在球形或近似球形的真空容器为例，在所述球形或近似球形的真空容器前半球表面上按照一定厚度涂镀上光阴极材料，制作成透射式光阴极，在其后半球表面上其后半球按照另一厚度涂镀上光阴极材料，制作成反射式光阴极，如图3所示，前半球虚线部分15为透射式光阴极，后半球实线部分16为反射式光阴极。并且为了更好地提高反射式光阴极的光探测效率，在后半球涂镀光阴极材料之前需要先镀一层具有高反光度的金属铝膜或其他材料的薄层，然后在这层金属膜上再沉积一层厚度与后半球上沉积的透射式光阴极厚度相等或更大的反射式光阴极。因此，透射式和反射式光阴极覆盖的总面积接近真空容器的整个表面，这样的设计方法使得在入射光仅仅来源于光电倍增管的前方或者某一个角度时，光电转换的量子效率高于前述的均匀厚度和同样结构，但没有金属反光层的光阴极设计所能得到数值。

上述光电倍增管中的电子倍增器可以采用微通道板、大面积半导体二极管、大面积半导体雪崩二级管，或者其它类型的体积和厚度较小的电子倍增器。所述电子倍增器置于真空容器接近中心的位置处，以上下两组、左右两组或各向多组的方式放置，这里所述各向多组的方式为沿着真空容器中心呈三角形切向放置三组或者三组以上的电子倍增器，依据设计和工程需要而定。如图2和3所示，图2中的电子倍增器为左右两组放置，而图3中的电子倍增器为上下放置，其中每组的电子倍增器输出电子面朝向所述电子收集极。所述电子倍增器的电势要高于光阴极的电势，能够高效率地接收从全部光阴极上射出的各个方向的光电子。并且所述电子倍增器的面积远小于光阴极的面积，这样在光阴极和电子倍增极之间形成近似中心对称的，由球心指向球面的电场分布，其近似中心球面对称性的电场干扰较小，有助于改善光电子收集时间的一致性；同时使透过光阴极进入真空容器的光子被电子倍增器及其附属设备所阻挡吸收的比例很小，有利于光电转换效率和光电子收集效率的提高。

优选地，可以进一步地借助设置于电子倍增器周边的聚焦电极2的配合，所述聚焦电极也与电源线连接，以使能够在光阴极和聚焦电级之间形成聚焦电场，从而使得光电子的收集能够以接近100％的高效率，接收从光阴极上射出的光电子。

当采用微通道板作为电子倍增器时，每组微通道板的阴极17均朝向光阴极，接收光阴极所发射的光电子，通过其中的空心玻璃纤维19进行电子增值，然后增值后的电子通过阳极18输出给电子收集极11。上述的每组微通道板电子倍增器，可以是单级、两级或三级串行连接的微通道板，在微通道板的阴极17和阳极18之间加适当的电压，使得光电倍增管在探测弱光或进行单个光子测量计数时能够得到足够的光电子放大倍数。微通管板电子倍增器的时间响应和噪声特性优于在传统的聚焦性光电倍增管中作为电子倍增器的打拿电极组合，使得光电倍增管具有时间响应快速和低噪声的特点。

这里所述电子收集极11可以为一公共收集极，同时接收来自各组电子倍增器产生的电子流，也可以是两个或多个电子收集极，分别接收两组或多组电子倍增器产生的电子流，然后再把两个或多个输出的电流合到一条通路上。所述电子收集极与传统光电倍增管的一样，可以采用铜片或者其他金属材料，在本发明中，如果采用微通道板作为电子倍增器，须使所述电子收集极的面积大于或等于微通道板的阳极面积，以使更好地收集来自微通道板的电子流。

当使用半导体二极管或雪崩二级管或其他类型的半导体电子倍增器时，需要给这些器件加高压，使得光电子加速获得足够的动能，能够贯穿半导体电子倍增器表面的保护层，并在半导体电子倍增器中产生足够大的增殖倍数。采用半导体电子倍增器的优点是施加较高的聚焦电压，可以进一步地改进光电倍增管的时间响应。

上述微通道板或半导体电子倍增电极，以及聚焦电极组合，由绝缘架支撑13，通常为玻璃管。电子倍增器所需要的供电及信号引线12可以置于绝缘支架中，在金属引线12和玻璃支架13之间可以采用熔焊工艺保持真空密封。

这样，当光阴极、电子倍增器以及电子收集极都加上工作电压之后，所述光阴极与电子倍增器之间形成聚焦电场，电子倍增器与电子收集极形成收集电场，光照一部分从密封容器的外壳进入透射式光阴极产生光电子，另一部分透射过去再经过反射式光阴极产生更多的光电子，所有由光阴极产生的电子在聚焦电场的加速下击打到电子倍增器上，经过电子倍增放大后的电子流在收集电场的加速下进入电子收集极，收集之后的电流信号作为信号输出。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种光电倍增管，包括：用来接收光照并产生光电子的光阴极，用来接收从光阴极发射出来的光电子并产生增殖电子的电子倍增器，用来收集所述电子倍增器所产生增殖电子的电子收集极，用来供电给所述光阴极和电子倍增器的供电极，所述光阴极、电子倍增器置于一真空透光容器内，所述电子收集极和供电极穿过所述真空透光容器与一外部电路相连，其特征在于，

所述光阴极覆盖在所述真空透光容器的全部内表面上；

所述电子倍增器置于所述真空透光容器的内部中心处，接收来自所述光阴极各个方向产生的光电子并产生增殖电子。

2.根据权利要求1所述的光电倍增管，其特征在于，所述光阴极按照第一厚度涂镀在所述真空透光容器的一半内表面上，同时按照第二厚度涂镀在所述真空透光容器的另一半内表面上，所述第一厚度小于或等于第二厚度。

3.根据权利要求2所述的光电倍增管，其特征在于，在所述真空透光容器另一半内表面上的光阴极和所述真空透光容器壁之间，还设有一层反光金属薄膜。

4.根据权利要求1所述的光电倍增管，其特征在于，所述真空透光容器为一球形、椭球形或柱形的真空透光容器。

5.根据权利要求1所述的光电倍增管，其特征在于，所述电子倍增器为微通道板、小型打拿极、半导体二级管或雪崩硅光电探测器，所述电子倍增器以上下两组、左右两组或各向多组布置的方式置于所述真空透光容器的内部中心处。

6.根据权利要求5所述的光电倍增管，其特征在于，所述每组微通道板具有阴极和阳极，所述每组微通道板的阴极面对所述光阴极放置，所述每组微通道板的阳极面对所述电子收集极放置。

7.根据权利要求5或6所述的光电倍增管，其特征在于，所述每组微通道板为单片或多片串联连接的微通道板。

8.根据权利要求5或6所述的光电倍增管，其特征在于，所述电子收集极为用于同时接收所述每组电子倍增器产生的增殖电子的一公共收集极，或分别接收所述各组电子倍增器产生的增殖电子的多个电子收集极。

9.根据权利要求5或6所述的光电倍增管，其特征在于，所述电子倍增器通过一绝缘支撑杆来置于所述真空透光容器内部中心处。

10.根据权利要求1所述的光电倍增管，其特征在于，所述光电倍增管还包括一环绕在所述电子倍增器四周的聚焦电极。

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