CN103926011B - 一种光子探测器以及光子探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子探测器以及光子探测系统，光子探测器包括：一柱体，该柱体两端贯通，该柱体的材料为导体，且该柱体接地；一氟化镁窗口，安装在该柱体的一端，并遮盖该端的通孔；一单晶窗口，安装在氟化镁窗口靠近该柱体一侧的相对侧；一结构件，安装在该柱体的另一端，该结构件与该柱体的该另一端紧密结合，结构件具有一通孔与该柱体的内腔相通；阳极端，设置在该柱体的内腔中，并通过该结构件的通孔与外部连接；以及冷却管，安装在该柱体的外侧，以用于冷却该单晶窗口；其中，当该光子探测器处于工作状态，该柱体的内腔为密封状态。

Description

一种光子探测器以及光子探测系统

技术领域

本发明涉及光子探测技术领域，尤其涉及一种光子探测器以及光子探测系统。

背景技术

反光电子能谱技术是非常强大的实验技术对于探测固体内部和表面的电子量子数。它可以直接探测固体表面区域的电子结构，在凝聚态物理、化学化工、材料工程等领域具有重要的地位。相比于其他的表面技术，是探测表面非占据态电子结构最直接和最有力的方法。相比于测量占据态电子结构的光电子能谱技术，反光电子谱效率要低大约三个数量级，所以具有高分辨率的高灵敏度的探测器是实现反光子能谱测量的重要部分。

现有的光子探测器往往分辨率较低，并且一种探测器只能探测一种或几种固定的分辨率。而分辨率较高且可变的光子探测器，往往价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光子探测器以及光子探测系统，用以解决现有的低成本光子探测器，分辨率较底也固定的问题。

本发明一种光子探测器，包括：一柱体，该柱体两端贯通，该柱体的材料为导体，且该柱体接地；一氟化镁窗口，安装在该柱体的一端，并遮盖该端的通孔；一单晶窗口，安装在氟化镁窗口靠近该柱体一侧的相对侧；一结构件，安装在该柱体的另一端，该结构件与该柱体的该另一端紧密结合，结构件具有一通孔与该柱体的内腔相通；阳极端，设置在该柱体的内腔中，并通过该结构件的通孔与外部连接；以及冷却管，安装在该柱体的外侧，以用于冷却该单晶窗口；其中，当该光子探测器处于工作状态，该柱体的内腔为密封状态。

根据本发明光子探测器的一实施例，其中，该结构件包括：一双面法兰，安装在该柱体的该另一端上，法兰面正对该柱体的该另一端，该双面法兰具有反应气体入口以及反应气体出口；一刀口法兰，与该双面法兰密封固定，两法兰面紧密贴合，该刀口法兰的中心具有一穿心孔，一中心接柱密封设置在该穿心孔内，该中心接柱为绝缘材料，该阳极端穿过该中心接柱引入该柱体内。

根据本发明光子探测器的一实施例，其中，该单晶窗口在9.69eV处具有一截止边。

根据本发明光子探测器的一实施例，其中，还包括：一绝热支架，该绝热支架成环状，并与该柱体的该端固定；一冷却环，设置在该绝热支架上，该绝热支架将该冷却环与该柱体热隔离，该单晶窗口安装在该冷却环上。

根据本发明光子探测器的一实施例，其中，该冷却管的部分管体环绕该单晶窗口，该冷却管的两端分别连接该刀口法兰，该刀口法兰具有冷却气体循环的输入和输出口。

根据本发明光子探测器的一实施例，其中，该阳极端为钨丝。

根据本发明光子探测器的一实施例，其中，传感器，安装在该冷却环上，以测定该冷却环的温度。

根据本发明光子探测器的一实施例，其中，该单晶窗口的材料为氟化锶，该柱体内冲入丙酮气以及惰性气体。

根据本发明光子探测器的一实施例，其中，该光子探测器工作在真空腔体内。

本发明还揭示了一种光子探测系统，其包括光栅，光源，电源，信号读出计数装置，示波器以及上述的光子探测器；其中，光栅用于对光源发出的光进行单色化处理，该信号读出计数装置能够对该光子探测器的阳极段施加高压，并通过该阳极端对信号进行提取，以及对提取的信号进行读出计数。

光子探测系统还包括一冷却管控制器，用于改变该冷却管的冷却温度进而改变该单晶窗口的截止边。

综上所述，本发明的光子探测器通过改变单晶窗口的温度调整光子探测器的分辨率，并且分辨率较高，且成本较低。解决了现有的光子探测器低成本探测器往往分辨率较低，且相对固定。而分辨率较高且可变的光子探测器，又往往价格昂贵的矛盾。

附图说明

图1所示为本发明光子探测器的一实施例的分解示意图；

图2所示为本发明光子探测器的一实施例的示意图；

图3所示为本发明光子探测器的分解简图；

图4所示为光子探测器另一侧面的视图；

图5所示为光子探测器的剖视的示意图；

图6所示为光子透过率与光子能量之间的关系图；

图7所示为本发明光子探测系统的结构图；

图8所示为阳极丝获取脉冲信号波形图；

图9所示为单晶窗口在不同截止边的计数结果曲线图。

具体实施方式

图1所示为本发明光子探测器的一实施例的分解示意图，图2所示为本发明光子探测器的一实施例的示意图，图3所示为本发明光子探测器的分解简图，图4所示为光子探测器另一侧面的视图，图5所示为光子探测器的剖视的示意图；如图1-5所示，本发明光子探测器，包括：柱体2，氟化镁窗口7，单晶窗口1，刀口法兰3，双面法兰4以及冷却管6。

参考图1-5所示，柱体2为导体材料制成，其两端贯通，柱体2接地，作为光子探测器的阴极端。柱体2的一端固定有一绝热支架8，绝热支架8安装在柱体2的外侧，绝热支架8成中空的环状。氟化镁窗口7安装柱体2内侧，并遮盖柱体2此端的通孔。冷却环9设置在绝热支架8上。单晶窗口1设置在冷却环9上，并遮盖冷却环9的中心通孔。绝热支架8将柱体2与单晶窗口1热隔离。双面法兰4设置在柱体2的另一端，其法兰面正对该端。刀口法兰3与双面法兰4的法兰面相互密封固定，双面法兰4与柱体2可以通过真空焊密封连接。

刀口法兰3的中心具有一通孔，一绝缘的中心接柱13固定在通孔内，中心接柱13的材料可以为聚四氟乙烯。中心接柱13具有一穿孔，阳极丝14通过穿孔进入柱体2的内部。冷却管6的两端分别连接在双面法兰4上，冷却管6自双面法兰4伸出，并围绕冷却环9的外围设置，形成近似的环状部分10，以用于对冷却环9进行冷却。冷却管6的管体上设置有绝热环11，以避免冷却管6的部分管体向柱体2传冷。

如图4所示，双面法兰4上设置有与柱体2内腔相通，用于气体进出的的孔41。孔41用于向柱体2内引入反应气体以及惰性气体，孔41与外界的连接可以通过设置阀门实现（未图示）。当然孔41也可以设置为分开的进气孔以及出气孔。另外，在参考图4，双面法兰4上还设置有与冷却管6相通的冷却气体的冷却进气口43与冷却出气口42。当然，在气体探测器工作工程中，应保持柱体2的内部处于密封状态。

如图1-5所示，更进一步说明光子探测器结构的较佳实施例。柱体2的内腔可以抛光处理。刀口法兰3的通孔的直径可以为10mm，通孔中心的中心接柱13为高50mm和直径10mm的聚四氟乙烯塑料柱，并封接到刀口法兰3的通孔。绝热支架8以及冷却环9的中心通孔的直径可以为大约20mm。氟化镁窗口的直径可是30mm，厚度可以为1mm。而阳极丝14可以为一钨丝。

参考图1-5，说明光子探测器的工作原理。氟化锶的单晶窗口1在常温状态下的通过率截止边可以在9.69eV,即在边9.69eV附近，随着光子能量的增加，透过率迅速降低。这样能透过单晶窗口1的光子能量小于9.69eV。图6所示为光子透过率与光子能量之间的关系图，如图6所示，单晶窗口1在9.69eV处，有一个透过率陡降的截止边。

在柱体2内冲入丙酮气以及惰性气体。由于丙酮气的电离限为9.7ev，即只有大于9.7eV的光子才能使丙酮气电离。这样单晶窗口1与丙酮气相结合，可以形成理论上“零窗口”的探测器。当通过改变单晶窗口1的温度时，单晶窗口1的通过率截止边将向高能端移动，光的透过率改变，“窗口”逐渐打开。在进入到光子探测器的柱体2内部的某个光子，遭遇丙酮气体分子时，将分子电离成电子-离子对。电子-离子对在阴极柱体2和阳极丝14间的强电场作用下，分别向两极运动。在电子加速冲向阳极时，产生级联簇射束，即可以产生数倍的电荷量，在阳极形成可观的可以探测的电流。因此，可以采取阳极取信号的方法进行探测，也就是说，在阳极施加高压和对探测信号的获取都是通过阳极丝14实现。

另外，在冷却环9上可以设置有一温度传感器（未图示），通过温度传感器获取冷却环9的温度，以对冷却管6的温度进行调整，进而改变单晶窗口1的温度，来改变单晶窗口1的截止边，以达到调整光子探测器分辨率的目的。同时，双面法兰4的侧面设置有一小型的刀口法兰12，刀口法兰12具有中心串孔以用于引入传感器的接线。光子探测器在工作状态需要安装在一真空腔室内，并通过双面法兰4与真空腔室的接口固定，仅双面法兰4的外侧，刀口法兰3以及刀口法兰12露出真空腔室外部。另外，双面法兰4设置有一环状垫片5，以作为真空腔体法兰和双面法兰5对接处的密封件。

图7所示为本发明光子探测系统的结构图，如图7所示，光子探测系统包括上述实施例中的光栅101，光源102，光子探测器103，电源104，信号读出计数装置105以及示波器106。光源102用于提供一定范围电子伏的高通量的光子，光栅101用于将光源102发出的光单色化。光子探测器101接受单色化后的光子。信号读出计数装置105能够对探测器阳极丝14加1100V高压，并通过阳极丝14对信号进行提取，以及对提取的信号进行读出计数，入射光子越多，则在相同条件下，计数率越高。可以根据光子数的通量确定计数时间，根据脉冲振幅适当调节高压和计数阈值，使脉冲在合理范围。通过示波器106显示显示信号脉冲波形，以用来进行后续的分析。

另外，同时光子探测系统还包括有一冷却管控制器（未图示）用于控制冷却管6的冷却气体注入量，以调整光子探测器的单晶窗口1的温度。

结合图1至图7简述气体探测器的工作过程。首先从双面法兰4的充气孔在柱体2内充满丙酮气和惰性气体的混合气体。使用时，要在探测器的柱体2中充有两种比例分配的气体，即首先充入适量丙酮气体，待气压稳定后，再充入惰性气体到指定压力，两种气体压力都可以用同一个薄膜绝对压力变送器（未图示）监测。气体混合完毕一段时间，例如两小时后，可以在通过信号读出计数装置105在阳极丝14加1100V左右的高压，准备进行信号探测。光源102可以提供能量在10.78eV～7.29eV范围内的高通量的光子。

从光源102发出的多色光经过光栅101的单色化后，光子会进入单晶窗口1，透过单晶窗口1的光子接下来会穿过氟化镁窗口7。同时，从双面法兰4的冷却气体的进气口冲入冷却气体，冷却气体从冷却管6内部流过，通过围绕冷却环9的环状部分10，对冷却环9冷却，进而冷却单晶窗口1。透过单晶窗口1的光子可以接近100%的穿过氟化镁窗口7。光子在透过两个窗口之后便进入到由柱体2构成的阴极以及阳极丝14组成的电场中。光子经丙酮气电离后，形成脉冲信号，通过信号读出计数装置105获取在阳极丝14脉冲信号，并由示波器106显示信号脉冲波形以用来进行分析。

图8所示为阳极丝获取脉冲信号波形图，如图8所示，是获得的单光子信号，其时间宽度约25微秒，脉冲高度约0.3mv。图9所示为单晶窗口在不同截止边时，光子探测器的计数结果曲线图，如图9所示，通过调整光栅101，得到不同的单色光，可以获得了如图9所示的四条近高斯分布形状的曲线。图9出示的是通过改变单晶窗口的温度，从而改变整个光子探测器分辨率的情况。取温度在300K、270K、250K、230K四个温度点，可以看出随着温度的下降，光子探测器的计数率在升高，而伴随而来的是分辨率的降低。如图9所示，在250K处，分辨率为100meV，计数大约为1300个每秒，可以认为是探测器最为理想的性能点。测试实验取得了预期的实验结果。

综上所述，本发明的光子探测器通过改变单晶窗口的温度调整光子探测器的分辨率，并且分辨率较高，且成本较低。解决了现有的光子探测器低成本探测器往往分辨率较低，且相对固定。而分辨率较高且可变的光子探测器，又往往价格昂贵的矛盾。

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本发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在所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所附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种光子探测器，其特征在于，包括：

一柱体，该柱体两端贯通，该柱体的材料为导体，且该柱体接地；

一氟化镁窗口，安装在该柱体的第一端，并遮盖该第一端的通孔；

一单晶窗口，安装在氟化镁窗口背向该柱体的一侧；

一结构件，安装在该柱体的第二端，该结构件与该柱体的该第二端紧密结合，结构件具有一通孔与该柱体的内腔相通；

阳极端，设置在该柱体的内腔中，并通过该结构件的通孔与外部连接；以及

冷却管，安装在该柱体的外侧，以用于冷却该单晶窗口；

其中，当该光子探测器处于工作状态，该柱体的内腔为密封状态。

2.如权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，该结构件包括：

一双面法兰，安装在该柱体的该第二端上，该双面法兰的第一法兰面正对该柱体的该第二端，该双面法兰具有反应气体入口以及反应气体出口；

一刀口法兰，与该双面法兰密封固定，该刀口法兰的法兰面和该双面法兰的与该第一法兰面相对的第二法兰面紧密贴合，该刀口法兰的中心具有一穿心孔，一中心接柱密封设置在该穿心孔内，该中心接柱为绝缘材料，该阳极端穿过该中心接柱引入该柱体内。

3.如权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，该单晶窗口具有常温下9.69eV的截止边。

4.如权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，还包括：

一绝热支架，该绝热支架成环状，并与该柱体的该第一端固定；

一冷却环，设置在该绝热支架上，该绝热支架将该冷却环与该柱体热隔离，该单晶窗口安装在该冷却环上，该冷却管的部分管体环绕该单晶窗口，该冷却管的两端分别连接该结构件，该结构件具有冷却气体循环的输入和输出口。

5.如权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，该阳极端为钨丝。

6.如权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，还包括：传感器，安装在该冷却环上，以测定该冷却环的温度。

7.如权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，还包括：该单晶窗口的材料为氟化锶，该柱体内冲入丙酮气以及惰性气体。

8.如权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，该光子探测器工作在真空腔体内。

9.一种光子探测系统，包括光栅，光源，电源，信号读出计数装置，示波器以及权利要求1-8任一权利要求所述的光子探测器；

该电源电性耦接该光源、该示波器和该信号读出计数装置；该信号读出计数装置连接该光子探测器和该示波器；

其中，光栅用于对光源发出的光进行单色化处理，该光子探测器接受单色化后的光子；该信号读出计数装置能够对该光子探测器的阳极端施加高压，并通过该阳极端对信号进行提取，以及对提取的信号进行读出计数。

10.如权利要求9所述的光子探测系统，其特征在于，还包括：一冷却管控制器，用于改变该冷却管的冷却温度进而改变该单晶窗口的截止边。