CN103456594A - 一种提高光电倍增器光阴极光利用率的优化设计方法 - Google Patents

一种提高光电倍增器光阴极光利用率的优化设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103456594A
CN103456594A CN2013103352760A CN201310335276A CN103456594A CN 103456594 A CN103456594 A CN 103456594A CN 2013103352760 A CN2013103352760 A CN 2013103352760A CN 201310335276 A CN201310335276 A CN 201310335276A CN 103456594 A CN103456594 A CN 103456594A
Authority
CN
China
Prior art keywords
photocathode
photon
form parameter
interface
photoelectric multiplier
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2013103352760A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103456594B (zh
Inventor
张清民
严俊
贺朝会
王三丙
罗茂益
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN201310335276.0A priority Critical patent/CN103456594B/zh
Publication of CN103456594A publication Critical patent/CN103456594A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103456594B publication Critical patent/CN103456594B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Common Detailed Techniques For Electron Tubes Or Discharge Tubes (AREA)

Abstract

一种提高光电倍增器光阴极光利用率的优化设计方法，步骤如下：1、选取光电倍增器几何体的形状参数；2、在程序中描述其基本几何特征层；3、输入所述基本几何特征层的材料参数；4、定义相邻基本几何特征层之间的界面；5、光子在工作介质中随机产生，方向随机，波长从探测光谱抽样；6、模拟光子在上述材料中的物理过程，并判断光子是否到达光阴极界面；7、计算得出光子到达光阴极的比例并判断是否返回步骤2，从而得到光子到达光阴极的比例随形状参数值的变化曲线，据此来选择最优的形状参数值，以提高光阴极光利用率，达到提高光电倍增器性能的目的；本方法可针对光电倍增器的工作环境和光电倍增器的探测光谱来进行专门的优化设计。

Description

一种提高光电倍增器光阴极光利用率的优化设计方法
技术领域
本发明涉及光探测技术领域，具体涉及一种提高光电倍增器光阴极光利用率的优化设计方法。
背景技术
光电倍增器(Photomultiplier)广泛应用于光谱分析、高能物理、环境监测、遥感卫星检测等领域，是可以将微弱光信号通过光电效应转变成电信号并利用二次发射电极转为电子倍增的电真空器件，其典型结构如图2。它的工作原理是将接收到的光辐射转化为电子，经过倍增极的放大作用，输出一个足够大的电信号。通过光电效应将光信号转化为电信号的构件被称为光阴极。
光阴极是接收光子并放出光电子的薄层材料，具有很小的逸出功，一般在真空中把光阴极材料镀在入射窗的内表面，形成透明的端窗光阴极；或镀在管壳内侧面和入射窗的内表面上形成透明的四面窗光阴极；或镀在离管壳内一定距离处的金属基底上，形成不透明的反射式光阴极。入射窗的形状影响了光从入射窗入射到光阴极的比例，从而影响了光的利用率，最终影响光电倍增器的性能。
发明内容
本发明提供一种提高光电倍增器光阴极光利用率的优化设计方法，通过优化光电倍增器入射窗、光阴极的形状来提高光电倍增器光阴极光利用率，从而达到提高光电倍增器性能的目的。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高光电倍增器光阴极光利用率的优化设计方法，包括如下步骤：
步骤1：选取光电倍增器几何体的形状参数，对于椭球体选取长短轴比为形状参数R，所述的形状参数R选取的初始形状参数值为1.0；
步骤2：利用蒙特卡洛程序描述光电倍增器的几何体的基本几何特征层，基本几何特征层分为五部分，从外向里分别是：光电倍增器工作介质1、入射窗玻璃层2、光阴极3、真空4、电子倍增部分5；
步骤3：输入所述基本几何特征层的材料参数，材料参数包括：化学成分、密度、物质对于不同波长光的折射率和吸收长度；
步骤4：定义光电倍增器相邻基本几何特征层之间的界面，从外向里依次包括四个界面，分别为入射窗玻璃界面8、光阴极界面9、真空界面10、电子倍增器界面11，当光通过界面时有反射和折射，服从斯涅尔定律；
步骤5：根据探测光光谱抽样光子的波长，光子随机产生于靠近入射窗玻璃界面8的光电倍增器工作介质中，运动方向随机，为了减小统计误差每次模拟预设数量的光子；
步骤6：模拟光子在上述材料中的物理过程，并判断光子是否到达光阴极3；
步骤7：计算得出光子到达光阴极3的比例A，A=m/n，其中:n为在光电倍增器工作介质1中产生的到达入射窗玻璃界面8的光子数，m为到达光阴极3的光子数；根据如下判断规则决定是否返回步骤2；
判断规则为：每一个形状参数值对应一个光子到达光阴极3的比例，通过增大形状参数R的形状参数值，能够得到光子到达光阴极3的比例随所述形状参数值的变化曲线，得到的曲线中光子到达光阴极3的比例最大值，对应的形状参数值为最优形状参数值，当达光阴极3的比例为最大值时，输出结果，否则，返回步骤2重复上述步骤。
所述增大形状参数R的形状参数值具体方法为：每次返回步骤2时，将椭球体的长轴固定，调整形状参数R，形状参数R在1.0到2.0之间每隔0.1调整一次，大于2.0时每隔1.0调整一次直到为6.0。
所述光电倍增器工作介质1的材料为液体闪烁体、水或真空。
所述光阴极3为透射式光阴极。
所述电子倍增部分5为打拿极式或者微通道板式。
本发明采用通过优化光电倍增器入射窗、光阴极的形状来提高光电倍增器光阴极光利用率，从而达到提高光电倍增器性能的目的。具有方法简单、结果误差小、可操作性强、优化后光阴极光利用率显著提高的特点。
附图说明
图1为本发明流程示意图。
图2为透射式光阴极光电倍增器的典型结构示意图。
图3为椭球形透射式光阴极光电倍增器上半个椭球剖面示意图。
图4为透射式光阴极光电倍增器的入射物理过程示意图。
图5为光子到达光阴极的比例随长短轴比变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明一种提高光电倍增器光阴极光利用率的优化设计方法，包括如下步骤：
步骤1：选取光电倍增器几何体的形状参数，对于椭球体选取长短轴比为形状参数R，所述的形状参数R选取的初始形状参数值为1.0；
步骤2：利用蒙特卡洛程序描述光电倍增器的几何体的基本几何特征层，基本几何特征层分为五部分，从外向里分别是：光电倍增器工作介质1、入射窗玻璃层2、光阴极3、真空4、电子倍增部分5；
步骤3：输入所述基本几何特征层的材料参数，材料参数包括：化学成分、密度、物质对于不同波长光的折射率和吸收长度；
步骤4：定义光电倍增器相邻基本几何特征层之间的界面，从外向里依次包括四个界面，分别为入射窗玻璃界面8、光阴极界面9、真空界面10、电子倍增器界面11，当光通过界面时有反射和折射，服从斯涅尔定律；
步骤5：根据探测光光谱抽样光子的波长，光子随机产生于靠近入射窗玻璃界面8的光电倍增器工作介质中，运动方向随机，为了减小统计误差每次模拟预设数量的光子；
步骤6：模拟光子在上述材料中的物理过程，并判断光子是否到达光阴极3；
步骤7：计算得出光子到达光阴极3的比例A，A=m/n，其中:n为在光电倍增器工作介质1中产生的到达入射窗玻璃界面8的光子数，m为到达光阴极3的光子数；根据如下判断规则决定是否返回步骤2；
判断规则为：每一个形状参数值对应一个光子到达光阴极3的比例，通过增大形状参数R的形状参数值，能够得到光子到达光阴极3的比例随所述形状参数值的变化曲线，得到的曲线中光子到达光阴极3的比例最大值，对应的形状参数值为最优形状参数值，当达光阴极3的比例为最大值时，输出结果，否则，返回步骤2重复上述步骤。
作为本发明的优选实施方式，所述增大形状参数R的形状参数值具体方法为：每次返回步骤2时，将椭球体的长轴固定，调整形状参数R，形状参数R在1.0到2.0之间每隔0.1调整一次，大于2.0时每隔1.0调整一次直到为6.0。
作为本发明的优选实施方式，所述光电倍增器工作介质1的材料为液体闪烁体、水或真空。
作为本发明的优选实施方式，所述光阴极3为透射式光阴极。
作为本发明的优选实施方式，所述电子倍增部分5为打拿极式或者微通道板式。
实施例
以5英寸球形光电倍增器为例，工作介质为链式烷基苯液体闪烁体，入射窗为电真空玻璃（厚度4mm），光阴极为GaAs（厚度20nm）。
如图2所示，光子从工作介质链式烷基苯液体闪烁体产生，到达球形光电倍增器的入射窗电真空玻璃界面的光子数为n，然后经过折射和反射等一系列入射过程后，到达光阴极的光子数为m，在光阴极中经过光电效应、折射和反射等一系列物理过程后，到达真空4，最后由光经过光阴极时发生光电效应产生的光电子通过聚焦达到电子倍增部分5（打拿极式或者微通道板式）。把A=m/n设为光子到达光阴极的比例。
如图4所示，光子从光电倍增器外部进入入射窗玻璃层、光阴极和真空层，光子每经过一种介质都会发生反射、折射和吸收，在光电倍增器光阴极中还发生光电效应产生光电子。为了增大光子到达光阴极的比例A，可以通过改变光电倍增器的入射窗玻璃层、光阴极的形状来实现。
现主要研究光电倍增器有光阴极的上半部分，通过把图2球形光电倍增器的形状从球形变成椭球形，上半个椭球剖面如图3，上半个椭球剖面为上半个椭圆，其长轴6为a，短轴7为b，长短轴之比R=a/b。
如图3所示，长轴固定为5英寸，短轴则根据长短轴比R进行变化。对应的程序每次运行前需要对入射窗玻璃层的长短轴比R进行调整，长短轴比R在1.0到2.0之间每隔0.1调整一次，大于2.0时每隔1.0调整一次直到为6.0。可在模拟计算过程中逐步根据已有结果进行适当调整和预测，以完整地体现光子到达光阴极3的比例随长短轴比R的变化趋势。模拟计算出来的光子到达光阴极3的比例A如图5所示，从图5可以看出：当长短轴比R=1.0时，光子到达光阴极3的比例为85.22%，当长短轴比R=1.8时对应的光子到达光阴极3的比例为最大89.98%；从图5可以得到当长短轴比R=1.8时，光子到达光阴极3的比例A为最大值，R=1.8时光子到达光阴极3的比例比R=1.0时光子到达光阴极3的比例提高了5.59%。所以长短轴比R=1.8是此椭球体在工作介质为链式烷基苯液体闪烁体、入射窗为电真空玻璃（厚度4mm）、光阴极为GaAs（厚度20nm）时的最优形状参数值。
运用此方法还能对球形、薄圆片形等不同形状的入射窗的所有形状参数分别进行优化设计，以找到相应的光子到达光阴极的最大比例所对应的最优形状参数值，包括厚度等形状参数。本方法也可针对光电倍增器的工作环境（液体闪烁体、水或真空）和光电倍增器的探测光谱来进行专门的优化设计。

Claims (5)

1.一种提高光电倍增器光阴极光利用率的优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：选取光电倍增器几何体的形状参数，对于椭球体选取长短轴比为形状参数R，所述的形状参数R选取的初始形状参数值为1.0；
步骤2：利用蒙特卡洛程序描述光电倍增器的几何体的基本几何特征层，基本几何特征层分为五部分，从外向里分别是：光电倍增器工作介质（1）、入射窗玻璃层（2）、光阴极（3）、真空（4）、电子倍增部分（5）；
步骤3：输入所述基本几何特征层的材料参数，材料参数包括：化学成分、密度、物质对于不同波长光的折射率和吸收长度；
步骤4：定义光电倍增器相邻基本几何特征层之间的界面，从外向里依次包括四个界面，分别为入射窗玻璃界面（8）、光阴极界面（9）、真空界面（10）、电子倍增器界面（11），当光通过界面时有反射和折射，服从斯涅尔定律；
步骤5：根据探测光光谱抽样光子的波长，光子随机产生于靠近入射窗玻璃界面（8）的光电倍增器工作介质中，运动方向随机，为了减小统计误差每次模拟预设数量的光子；
步骤6：模拟光子在上述材料中的物理过程，并判断光子是否到达光阴极（3）；
步骤7：计算得出光子到达光阴极（3）的比例A，A=m/n，其中:n为在光电倍增器工作介质（1）中产生的到达入射窗玻璃界面（8）的光子数，m为到达光阴极（3）的光子数；根据如下判断规则决定是否返回步骤2；
判断规则为：每一个形状参数值对应一个光子到达光阴极（3）的比例，通过增大形状参数R的形状参数值，能够得到光子到达光阴极（3）的比例随所述形状参数值的变化曲线，得到的曲线中光子到达光阴极（3）的比例最大值，对应的形状参数值为最优形状参数值，当达光阴极（3）的比例为最大值时，输出结果，否则，返回步骤2重复上述步骤。
2.根据权利要求1所述的的优化设计方法，其特征在于：所述增大形状参数R的形状参数值具体方法为：每次返回步骤2时，将椭球体的长轴固定，调整形状参数R，形状参数R在1.0到2.0之间每隔0.1调整一次，大于2.0时每隔1.0调整一次直到为6.0。
3.根据权利要求1或2所述的优化设计方法，其特征在于：所述光电倍增器工作介质（1）的材料为液体闪烁体、水或真空。
4.根据权利要求1或2所述的优化设计方法，其特征在于：所述光阴极（3）为透射式光阴极。
5.根据权利要求1或2所述的优化设计方法，其特征在于：所述电子倍增部分（5）为打拿极式或者微通道板式。
CN201310335276.0A 2013-08-02 2013-08-02 一种提高光电倍增器光阴极光利用率的优化设计方法 Active CN103456594B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310335276.0A CN103456594B (zh) 2013-08-02 2013-08-02 一种提高光电倍增器光阴极光利用率的优化设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310335276.0A CN103456594B (zh) 2013-08-02 2013-08-02 一种提高光电倍增器光阴极光利用率的优化设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103456594A true CN103456594A (zh) 2013-12-18
CN103456594B CN103456594B (zh) 2015-08-26

Family

ID=49738847

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310335276.0A Active CN103456594B (zh) 2013-08-02 2013-08-02 一种提高光电倍增器光阴极光利用率的优化设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103456594B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015139344A1 (zh) * 2014-03-20 2015-09-24 中国科学院高能物理研究所 一种静电聚焦微通道板光电倍增管
CN107564794A (zh) * 2016-07-01 2018-01-09 张双喜 一种混合型光电倍增器及其光电倍增方法
CN111261490A (zh) * 2020-03-31 2020-06-09 北方夜视技术股份有限公司 用于光电倍增管的球形倍增器及光电倍增管

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0658919B1 (en) * 1993-12-09 1997-11-12 Hamamatsu Photonics K.K. Photomultiplier
EP1717843A1 (en) * 2004-02-17 2006-11-02 Hamamatsu Photonics K.K. Photomultiplier and its manufacturing method
CN101165845A (zh) * 2006-10-16 2008-04-23 浜松光子学株式会社 光电倍增管

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0658919B1 (en) * 1993-12-09 1997-11-12 Hamamatsu Photonics K.K. Photomultiplier
EP1717843A1 (en) * 2004-02-17 2006-11-02 Hamamatsu Photonics K.K. Photomultiplier and its manufacturing method
CN101165845A (zh) * 2006-10-16 2008-04-23 浜松光子学株式会社 光电倍增管

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张晓兵等: "光电倍增管的二维优化计算", 《电子器件》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015139344A1 (zh) * 2014-03-20 2015-09-24 中国科学院高能物理研究所 一种静电聚焦微通道板光电倍增管
CN107564794A (zh) * 2016-07-01 2018-01-09 张双喜 一种混合型光电倍增器及其光电倍增方法
CN111261490A (zh) * 2020-03-31 2020-06-09 北方夜视技术股份有限公司 用于光电倍增管的球形倍增器及光电倍增管

Also Published As

Publication number Publication date
CN103456594B (zh) 2015-08-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103698801B (zh) 高能质子和中子能谱测量的多层闪烁探测器及测量方法
CN103456594B (zh) 一种提高光电倍增器光阴极光利用率的优化设计方法
Cambie et al. Every photon counts: understanding and optimizing photon paths in luminescent solar concentrator-based photomicroreactors (LSC-PMs)
US8969813B2 (en) Apparatuses and methods for detection of radiation including neutrons and gamma rays
CN112099072B (zh) 高通量抗电磁干扰质子能谱和强度探测器
Barugkin et al. Light trapping efficiency comparison of Si solar cell textures using spectral photoluminescence
CN103376461A (zh) 中子位置探测器、探测系统和探测方法
CN103513267A (zh) 含硼气膜快中子探测器
CN104464856A (zh) 一种裂变反应中子通量实时监测装置
Colantuono et al. Ray-optics modelling of rectangular and cylindrical 2-layer solar concentrators
CN110044913A (zh) 一种检测物体的表面清洁度的方法及装置
Zhang et al. Theoretical study on 2D photoelectric emission of GaN nanorod array and nanocone array photocathode
Wang et al. A new optical model for photomultiplier tubes
Bjorkholm et al. X-ray quantum efficiency of microchannel plates
CN102109606B (zh) 一种双闪烁体补偿型脉冲x射线探测装置
Azevedo et al. Simulation results of a real-time in water tritium monitor
Hayward et al. Characterizing the radiation response of Cherenkov glass detectors with isotopic sources
JP5649475B2 (ja) シンチレーション検出器
Gouin-Ferland et al. Combining optimized quantization and machine learning for real-time data reduction at the edge
Achenbach Active optical fibres in modern particle physics experiments
Barciela et al. Monte Carlo simulation of a LSC based on stacked layers of fiber arrays with core-coating different absorbing properties
Ganji Concept of round non-flat thin film solar cells and their power conversion efficiency calculation
Rafiee et al. Improving the mathematical model for luminescent down-shifting layers by investigating their loss mechanisms
Ratcliff et al. Cherenkov Radiation
CN107505647A (zh) 一种中子活化环境下闪烁探测器的改进结构

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant