CN102478660B - 一种组装式带电粒子二维成像探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组装式带电粒子二维成像探测器包括：微通道板单元、荧光屏、固定组装架以及密封视窗法兰单元；所述视窗法兰单元包括一视窗法兰，于法兰体轴向上的法兰孔处设有透视窗口，其为法兰视窗，于法兰体上设有贯穿法兰体的高压电极的接头；于视窗法兰单元内、法兰视窗的上方设置有固定组装架，荧光屏和微通道板单元通过固定组装架从下至上依次设置于法兰视窗的上方，法兰视窗、荧光屏和微通道板单元间留有空隙；荧光屏和微通道板单元分别通过导线与高压电极的接头相连。所述探测器可用于真空中带电粒子的二维探测及成像，具体来说，带电粒子经由微通道板单元放大后的信号被荧光屏接收成像，所成的像再经过密封视窗法兰单元被外界采集。

Description

一种组装式带电粒子二维成像探测器

技术领域

本发明涉及带电粒子探测，具体地说是一种用于探测带电粒子空间二维分布并将其成像的组装式带电粒子空间二维成像探测器，可以实现真空系统中带正/负电荷的离子以及电子的二维成像。

背景技术

带电粒子探测器在国家的安防、药物研发分析、火灾检测等众多的社会领域发挥着极其重要的作用。而其技术方法大概又有四种分类，分别是微通道板探测器、单通道电子倍增器、离散打拿极倍增器以及法拉第杯，其中除第四种法拉第杯主要用于离子探测外，其余的三种均可用于电子和离子的探测。基于微通道板放大的探测器以其高信噪比、可以实现微型化设计等优点而成为当今主流的带电粒子探测器。结合微通道板放大的信号，其后若辅以阳极便可构成一般的表征信号强度的探测器，而若辅以用于电子成像的荧光屏便可构成一种可实现二维成像的探测器。成像探测器的产生无论对于用作科研，抑或反过来改进分析技术(例如质谱技术)都起着积极地作用。一般的，我们可以将其用于对离子/电子光学设计的检验、基于飞行时间质谱的离子/光电子速度成像、真空紫外光谱甚至于高能物理领域。

现今此类型的商品化的成像探测器的一般结构是微通道板单元后辅以光学耦合光纤为基底的荧光屏，该荧光屏同时起到密封的作用。从集成化的角度来讲这种成像探测器是一种高度集成化的成像探测器，并且密封技术上非常可取。同时，也应当看到这种集成探测器的不足之处，其采用光学耦合光纤作为荧光屏的基底，探测面积无疑受到了很大的限制，因为大尺度光纤的制作本身就是一个难题，这无疑将会大大的增加制作的成本。另外考虑到荧光屏上的荧光粉在信号电子轰击下的寿命，当出现荧光屏损坏时，则高度集成的成像探测器便整体报废，加大使用成本。

目前，以玻璃为基底用于电子探测的荧光屏的制作已经是一种非常成熟的技术，且在尺寸的控制方面也有着理想的成本。同时，高透光率的密封视窗也早已为人们熟知并且应用。综合上述技术的考虑，高效率低成本组装式的成像探测器的实现似乎成为可能。

发明内容

本发明是鉴于以上的事实而做出的，其目的在于提供一种组装式的二维带电粒子成像探测器；

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种组装式带电粒子二维成像探测器，包括：微通道板（MCP）单元、荧光屏、固定组装架以及密封视窗法兰单元；

所述视窗法兰单元包括一视窗法兰，于法兰体轴向上的法兰孔处设有透视窗口，其为法兰视窗，于法兰体上设有贯穿法兰体的高压电极的接头；

于视窗法兰单元内、法兰视窗的上方设置有固定组装架，荧光屏和微通道板（MCP）单元通过固定组装架从下至上依次设置于法兰视窗的上方，法兰视窗、荧光屏和微通道板（MCP）单元间留有空隙；

荧光屏和微通道板（MCP）单元分别通过导线与高压电极的接头相连。

视窗法兰设置微通道板（MCP）的一侧与真空系统相连，构成密封视窗法兰单元；

透视窗口材料是石英玻璃，其将荧光屏成的像最大程度的透过，高压电极的接头用于给固定组装架上的微通道板单元和荧光屏提供外界高压，同时，高压电极接头及透视窗口均焊接于不锈钢法兰体上，以用于真空密封的环境下进行带电粒子的探测；

微通道板单元包括两片叠合在一起的微通道板，两片微通道板按照微通道对应相交呈钝角的方式排列组装在一起，当被加以适当高电压时，可对被探测带电粒子信号进行最大程度的放大；

叠合在一起的两片微通道板，位于上面的微通道板上方的电极及位于下面的微通道板下方的电极分别与高压电极接头相连；

所述固定组装架由硬质电极板、绝缘陶瓷片和绝缘陶瓷柱组成，固定组装架是由三组平行放置的绝缘陶瓷片通过二组绝缘陶瓷柱间隔的层状结构，荧光屏和微通道板（MCP）单元分别通过绝缘陶瓷片可拆卸地组装在固定组装架上，

于绝缘陶瓷片与荧光屏和微通道板（MCP）单元的电极相接处均分别设有硬质电极板，荧光屏和微通道板（MCP）单元分别经硬质电极板通过导线与高压电极接头相连；

硬质电极用于对微通道板单元和荧光屏提供高压，绝缘陶瓷用于固定微通道板单元和荧光屏以及实现电极间的绝缘。

所述硬质电极板为采用不锈钢、铜或铝制成的电极板；

所述固定组装架作为一个独立的单元由绝缘螺丝安装在密封视窗法兰单元上，通过固定组装架上的绝缘陶瓷实现固定组装架和密封视窗法兰单元间的绝缘，并且通过密封视窗法兰单元上的高压电极接头向固定组装架上的硬质电极提供高压。

所述探测器可用于真空中带电粒子的二维探测及成像，具体来说，带电粒子经由微通道板单元放大后的信号被荧光屏接收成像，所成的像再经过密封视窗法兰单元被外界采集。

本发明通过一种组装式的设计，结合现有的成熟的荧光屏的制作和高透光率的密封视窗技术，实现大尺度成像探测面积却有着较低制作成本，同时针对荧光屏寿命等缺点，通过自行组装更换实现成像探测器的循环使用。

附图说明

图1 本发明第一实施例的侧视图；

图2 本发明第一实施例NO光电子成像图例；

图3 本发明第一实施例不同荧光屏高压下NO的光电子能谱；

图4 本发明第一实施例不同微通道板单元高压下NO光电子能谱；

附图中的侧视图为示意性的且未按照比例绘制。不过不同的附图中相同或相似的部件均在附图中给出相同的标记。

具体实施方式

本发明是按如下方式组装式带电粒子二维成像探测器。具有带电粒子放大成像体系，即微通道板单元和荧光屏，经由微通道板放大的带电粒子信号轰击到荧光屏后而成像。微通道板单元和荧光屏被组装在一个固定组装架上，该固定组装架被设计用来完成带电粒子放大成像体系间的独立固定，高压供电以及相互绝缘的目的。同时，固定组装架可以固定在密封法兰之上，如此共同构成成像探测器。

本发明的固定组装架中，用于微通道板单元固定的部分采用绝缘陶瓷先行将其固定，而后利用硬质电极将绝缘陶瓷封装，同时接触微通道板实现对微通道板的高压供电。荧光屏也是安装在绝缘陶瓷内部，并且利用硬质电极板将其固定封装，硬质电极板同样也起到高压供电的作用。固定封装的微通道板单元和荧光屏之间利用陶瓷柱连接，以用来形成可拆装的独立的探测成像单元。

本发明的密封视窗法兰，应当具有探测成像单元的安装支架。为了实现高真空密封条件下的高压供电，采用高压电极接头进行高压供电。将高压电极接头耦合进视窗法兰上，在高压供电的同时保证可以实现高真空的密封。密封视窗法兰可以是一个经过特殊设计的独立的密封视窗法兰或者是一个密封视窗法兰单元，该单元可有一个一般的密封视窗法兰和一个耦合有高压电极接头的密封法兰架共同组成。

参照图1所示，组装式带电粒子空间二维成像探测器由微通道板单元１、荧光屏２、固定组装架３，密封视窗法兰单元４及高压电极５组成。微通道板单元１和荧光屏２被固定组装架３固定，并被用来施加外部高压，形成独立的探测成像单元。而探测成像单元被固定在密封透视法兰单元４上，密封视窗法兰单元４有一法兰架用于上面所述的固定探测成像单元，并且与其后的一透光密封法兰共同构成密封透视法兰单元４。密封视窗法兰单元上集成了高压电极接头５用于向探测成像单元提供高压。

具体为：一种组装式带电粒子二维成像探测器，包括：微通道板（MCP）单元、荧光屏、固定组装架以及密封视窗法兰单元；

所述视窗法兰单元包括一视窗法兰，于法兰体轴向上的法兰孔处设有透视窗口，其为法兰视窗，于法兰体上设有贯穿法兰体的高压电极的接头；

于视窗法兰单元内、法兰视窗的上方设置有固定组装架，荧光屏和微通道板（MCP）单元通过固定组装架从下至上依次设置于法兰视窗的上方，法兰视窗、荧光屏和微通道板（MCP）单元间留有空隙；

荧光屏和微通道板（MCP）单元分别通过导线与高压电极的接头相连。

视窗法兰设置微通道板（MCP）的一侧与真空系统相连，构成密封视窗法兰单元；

透视窗口材料是石英玻璃，其将荧光屏成的像最大程度的透过，高压电极的接头用于给固定组装架上的微通道板单元和荧光屏提供外界高压，同时，高压电极接头及透视窗口均焊接于不锈钢法兰体上，以用于真空密封的环境下进行带电粒子的探测；

微通道板单元包括两片叠合在一起的微通道板，两片微通道板按照微通道对应相交呈钝角的方式排列组装在一起，当被加以适当高电压时，可对被探测带电粒子信号进行最大程度的放大；叠合在一起的两片微通道板，位于上面的微通道板上方的电极及位于下面的微通道板下方的电极分别与高压电极接头相连；

所述固定组装架由硬质电极板、绝缘陶瓷片和绝缘陶瓷柱组成，固定组装架是由三组平行放置的绝缘陶瓷片通过二组绝缘陶瓷柱间隔的层状结构，荧光屏和微通道板（MCP）单元分别通过绝缘陶瓷片可拆卸地组装在固定组装架上，

于绝缘陶瓷片与荧光屏和微通道板（MCP）单元的电极相接处均分别设有硬质电极板，荧光屏和微通道板（MCP）单元分别经硬质电极板通过导线与高压电极接头相连；硬质电极用于对微通道板单元和荧光屏提供高压，绝缘陶瓷用于固定微通道板单元和荧光屏以及实现电极间的绝缘。

所述硬质电极板为采用不锈钢制成的电极板；所述固定组装架作为一个独立的单元由绝缘螺丝安装在密封视窗法兰单元上，通过固定组装架上的绝缘陶瓷实现固定组装架和密封视窗法兰单元间的绝缘，并且通过密封视窗法兰单元上的高压电极接头向固定组装架上的硬质电极提供高压。

为了便于说明，下面结合第一实施例用于飞行时间质谱时来探测光电子成像的结果来加以阐释，但本发明所涉及的探测器也可用相同的方式探测正负离子并成像。

在此说明中所涉及到的光电子是来源于NO被光电离所产生的。经过电子光学透镜，在飞行时间质谱中飞行了一段距离后，到达已经被加以高压的微通道板单元，经由微通道板放大的电子信号轰击在加着高压的荧光屏上所成的像，通过CCD相机采集所得到NO的光电子原始图像如图2所示。图示中的各个圆环分别代表着NO被电离后的光电子在各个电子态上的布局，其亮度的强弱则表征光电子在各个态上布局的多少。如图所示，各个电子态经过该成像探测器成像后能很好的被分辨出来，同时其强度及角度分布也能很好的被表征。

图3进一步的说明了第一种实施例中，在微通道板单元高压固定在1700V时，不同荧光屏高压情况下光电子增益成像后解析出来的径向速度分布相对强度的归一化曲线。可以看到，在较大的荧光屏高压范围内，都能看到信号的增益图像。在比较高的荧光屏高压下增益较大，尤其是在弱信号的增益方面。图4则是在荧光屏高压4300V的情况下，不同微通道板高压下的光电子径向速度分布，可以发现同样电压越高所产生的增益越强，但是考虑到分辨率，发现微通道板高压在1600V至1900V的范围内存在着变宽的迹象，所以在可以根据信号分辨率和强度的要求适当的调节微通道板高压以获得理想的结果。这种实施例可以用于完成光电子和离子等速度成像的研究，同时也可以用于检验离子光学/电子光学设计的性能。

本领域技术人员将理解上面的实施例纯粹是以示例的方式给出的，并且一些改变是可能的。

Claims (7)

1.一种组装式带电粒子二维成像探测器，其特征在于：包括：微通道板单元(1)、荧光屏(2)、固定组装架(3)以及密封视窗法兰单元(4)；

所述视窗法兰单元包括一视窗法兰，于法兰体轴向上的法兰孔处设有透视窗口，其为法兰视窗，于法兰体上设有贯穿法兰体的高压电极(5)接头；

于视窗法兰单元内、法兰视窗的上方设置有固定组装架(3)，荧光屏(2)和微通道板单元(1)通过固定组装架(3)从下至上依次设置于法兰视窗的上方，法兰视窗、荧光屏(2)和微通道板单元(1)间留有空隙；

荧光屏(2)和微通道板单元(1)分别通过导线与高压电极接头(5)相连。

2.根据权利要求1所述的组装式带电粒子二维成像探测器，其特征在于：视窗法兰，在其设置微通道板单元的一侧与真空系统相连，起到真空密封作用，上述视窗法兰构成密封视窗法兰单元；

透视窗口材料是石英玻璃，其将荧光屏成的像最大程度的透过，高压电极接头用于给固定组装架上的微通道板单元和荧光屏提供外界高压，同时，高压电极接头及透视窗口均焊接于不锈钢法兰体上，以用于真空密封的环境下进行带电粒子的探测。

3.根据权利要求1所述的组装式带电粒子二维成像探测器，其特征在于：微通道板单元包括两片叠合在一起的微通道板，两片微通道板按照微通道对应相交呈钝角的方式排列组装在一起，当被加以适当高电压时，可对被探测带电粒子信号进行最大程度的放大。

4.根据权利要求3所述的组装式带电粒子二维成像探测器，其特征在于：叠合在一起的两片微通道板，位于上面的微通道板上方的电极及位于下面的微通道板下方的电极分别与高压电极(5)接头相连。

5.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于：

所述固定组装架由硬质电极板、绝缘陶瓷片和绝缘陶瓷柱组成，固定组装架是由三组平行放置的绝缘陶瓷片通过二组绝缘陶瓷柱间隔的层状结构，荧光屏(2)和微通道板单元(1)分别通过绝缘陶瓷片可拆卸地组装在固定组装架上，

于绝缘陶瓷片与荧光屏(2)和微通道板单元(1)的电极相接处均分别设有硬质电极板，荧光屏(2)和微通道板单元(1)分别经硬质电极板通过导线与高压电极(5)接头相连；

硬质电极用于对微通道板单元和荧光屏提供高压，绝缘陶瓷片和绝缘陶瓷柱用于固定微通道板单元和荧光屏以及实现电极间的绝缘。

6.根据权利要求5所述的探测器，其特征在于：所述硬质电极板为采用不锈钢、铜或铝制成的电极板。

7.根据权利要求5所述的探测器，其特征在于：

所述固定组装架作为一个独立的单元由绝缘螺丝安装在密封视窗法兰单元上，通过固定组装架上的绝缘陶瓷片和绝缘陶瓷柱实现固定组装架和密封视窗法兰单元间的绝缘，并且通过密封视窗法兰单元上的高压电极接头向固定组装架上的硬质电极提供高压。

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