CN104749415B - 一种基于电子倍增器的探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及探测技术领域，提供一种基于电子倍增器的探测器，包括探测单元及其浮置直流电源U1、热阴极及其浮置电源U2、信号放大单元，所述探测单元与热阴极相连，所述信号放大单元由加速场阴极板、电子倍增器、电荷收集极、分压器电源U3、分压器电阻R1~R3、电容C3~C5组成，所述浮置直流电源U1不断地将探测单元阳极的电子抽运到热阴极，由热阴极生成的自由电子经加速电场进入电子倍增器，倍增后的信号电流到达电荷收集极后输出。本发明探测器能有效放大弱电流信号，环境适应能力强。
Description
技术领域
本发明涉及探测技术领域，具体涉及一种基于电子倍增器的探测器。
背景技术
在微电流信号检测中，当电流微弱至不能直接测量时，就需要使用放大器将信号放大。传统的方法是：利用运放芯片结合阻值较大的反馈电阻，将微弱的电流信号转换成可供直接测量的电压信号。由于负反馈部分是阻值极高的电阻，有时可能超过1012Ω，其两端存在杂散电容，这会限制放大器的响应速度。此外，当探测器所处环境比较恶劣如高温、强辐射等时，须将探测器中不适应环境条件的放大电路远离信号源，而弱电流信号通常在远距离传输过程中易受干扰，对屏蔽要求较苛刻。
发明内容
为了有效解决上述现有工程技术中的问题，本发明提供了一种基于电子倍增器的探测器，其能有效放大弱电流信号，环境适应能力强。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种基于电子倍增器的探测器，包括探测单元及其浮置直流电源U1、热阴极及其浮置电源U2、信号放大单元，所述探测单元与热阴极相连，浮置直流电源U1并联滤波电容C1，浮置电源U2并联滤波电容C2，所述信号放大单元由加速场阴极板、电子倍增器、电荷收集极、分压器电源U3、分压器电阻R1~R3、电容C3~C5组成，所述浮置直流电源U1不断地将探测单元阳极的电子抽运到热阴极，由热阴极生成的自由电子经加速电场进入电子倍增器，倍增后的信号电流到达电荷收集极后输出。
在上述技术方案中，所述探测单元是电离室、GM计数管、或3He计数管。
在上述技术方案中，所述浮置电源U2的传输线外包裹耐高温高绝缘材料，所述材料为聚酰亚胺。
在上述技术方案中，所述热阴极是由负电子亲和势冷阴极、或复合稀土氧化物-钨等材料制成的电热丝。
在上述技术方案中，所述加速场阴极板的形状是平板型、球面、椭球面、或井型，在加速电场阴极板外覆盖一层耐高压、耐高温绝缘外壳。
在上述技术方案中，所述电子倍增器是微通道板、微球板、或离散打拿级式电子倍增器。
在上述技术方案中，所述信号放大单元外设有采用具有良好导热性质的电绝缘材料制成的壳体，壳体内部抽成高真空。
本发明所述的探测器通过加热热阴极使原始的信号电荷转换成自由电子；自由电子在加速电场的作用下进入电子倍增器；所述电子倍增器将弱电流信号转换成较强的电子信号；放大后的电子信号在电场作用下向电荷收集极移动；电荷收集极输出放大后的电子信号。
本发明与现有技术相比，其优点在于：利用加热热阴极的方法产生自由电子，在理想绝缘条件下，热阴极发射出的自由电子数与探测器阳极收集到的电荷完全相等，用耐高压、高绝缘材料包裹加速电场阴极板，使热阴极产生的自由电子进入电子倍增器，电子倍增器将弱电流信号转换成较强的电子信号，放大后的电子信号在电场作用下向电荷收集极移动；电荷收集极输出放大后的电子信号，最后输送至放大电路。本发明探测器对其中使用的电容、电阻性能要求不高，如：允许探头端电源滤波电容存在一定程度的漏电流；在分压器中，在不同温度情况下，保证各电阻阻值、电容等效直流电阻的比例不变的情况下，允许阻值存在一定程度的变化，在当今市场上，很容易获得工作温度范围远大于半导体芯片的电子倍增部件、电阻、电容以及绝缘密封材料。因此，很大程度地提高了探测器信号的信噪比、远距离传输能力、抗干扰能力以及环境适应能力。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图2为实施例一提供的一种基于电子倍增器的探测器接线示意图。
图3为实施例二提供的一种基于电子倍增器的探测器接线示意图。
图4 为本发明中浮置直流电源U1的电源配置处理示意图。
图5 为本发明中分压器电源U3的电源配置处理示意图。
图6 为本发明中浮置电源U2的电源配置处理示意图。
图7为采用交流耦合方式获取本发明中输出信号的示意图。
图8为采用直流耦合方式获取本发明中输出信号的示意图。
其中：1.浮置直流电源U1、2.电容C1、3.浮置电源U2、4.电容C2、5.分压器电源U3、6.电容C3、7.电阻R1、8.电容C4、9.电阻R2、10.电容C5、11.电阻R3、12.电子倍增器、13.绝缘外壳、14.加速电场阴极板、15.热阴极、16.电荷收集极、17.信号放大单元外壳、18.探测单元、19.探测器外壳、20. 电缆屏蔽层、21.信号线屏蔽层、22. 绝缘材料、23. 浮置直流电源U1变压器、24. 分压器电源U3变压器、25. 浮置电源U2变压器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。
实施例一
如图1、2所示，本实施例提供一种基于电子倍增器的探测器，包括探测单元18及其浮置直流电源U1、热阴极15及其浮置电源U2、信号放大单元，所述探测单元18与热阴极15相连，浮置直流电源U1并联滤波电容C1，浮置电源U2并联滤波电容C2，所述信号放大单元由加速场阴极板14、电子倍增器12、电荷收集极16、分压器电源U3、分压器电阻R1~R3、电容C3~C5组成，所述浮置直流电源U1不断地将探测单元阳极的电子抽运到热阴极，此处热阴极即为阴极，由热阴极生成的自由电子经加速电场进入电子倍增器，倍增后的信号电流到达电荷收集极后输出。
对本实施例探测器的热阴极15进行加热时，其表面的电子有一定的几率穿透势垒成为自由电子，势垒的高度主要跟阴极材料的性质、阴极电势、加速电场电势分布以及加速电场对阴极的极化相关，当阴极材料性质、加速电场不变时，势垒宽度主要与阴极电势相关，当阴极的电子一直未得到补充时，阴极电子的发射几率会快速趋近于零，阴极的对地电势也会趋于稳定，它相当于一个电压源，其电压跟阴极材料的性质、材料的工作温度、加速电场电势分布以及加速电场对阴极的极化相关，为了保证探测单元18两极间的电压稳定，阴极的对地电势差应远小于浮置直流电源U1两极间的电压。阴极的工作温度应尽可能低，阴极使用的电子发射材料的寿命应尽可能长，阴极在工作温度下的饱和发射电流应远高于探测器所能产生的最大信号电流，权衡以上两个因素后，阴极的电子发射材料可以是：负电子亲和势冷阴极如: GaAs、GaAsP、GaP、GaAlP等、或复合稀土氧化物-钨，如: W-(Y2O3+La2O3+CeO2) 。
为了维持阴极电势，阴极失去的电子需要得到补充，浮置直流电源U1的作用是不断地将探测单元18阳极的电子抽运到热阴极15，由阴极生成的自由电子经加速电场进入电子倍增器12，经倍增后的信号电流到达电荷收集极16。电子倍增器12的极限工作温度尽量高，电子倍增器12的类型可以是：微通道板（MCP-Microchannel Plate）、微球板（MSP-Microsphere plate）、离散打拿级式电子倍增器。
在上述实施例中，加速电场阴极板14不局限于平板型，为提高电子收集效率，可以将其设计为其他形状，如球面、椭球面、井型等。在加速电场阴极板14外覆盖一层耐高压、耐高温的绝缘外壳13，可防止阴极板的热激发电子对信号电流造成干扰。为了提高加速场的效果还可以在信号放大单元中增设聚焦极，加速电场阴极板14结合聚焦极使热阴极产生的自由电子进入电子倍增器12。
在上述实施例中，信号放大单元外壳17采用具有良好导热性质的电绝缘材料如：石英玻璃。信号放大单元内部抽成高真空。
在上述实施例中，分压器电阻R1~R3、电容C3~C5应满足的条件:耐高温、耐高压、使用寿命长、电阻值的相互比例在工作温度范围内应保持不变。当电子倍增器12采用离散打拿极式的倍增系统时，C4、C5、R2、R3可拆分为多级。
在上述实施例中，整个探测器组件外设有一金属外壳19。探测器外壳19采用高强度、密封性能好、耐辐照、耐高温、抗腐蚀的导电合金材料制作。探测器内部既可以充满干燥的绝缘气体如：SF6、CCl2F2等，也可抽成真空。探测器外壳19、电缆屏蔽层20、信号线屏蔽层21、地线之间良好导通，用交联聚乙烯作为电缆的绝缘保护。
在上述实施例中，特别地，要加强浮置电源U2的传输线即图2中通向V2+、V2-的线，跟其他传输线之间的绝缘性，具体措施是：在两根线外包裹足够厚度的耐高温高绝缘材料22如：聚酰亚胺。
在上述实施例中，探头端的电源线上并联滤波电容C1、滤波电容C2，以消除干扰信号的影响。在不显著影响电容使用寿命的前提下，允许电容在高温工作时存在一定的漏电流。
特别地，自始至终，都应用绝缘材料严密覆盖浮置电源U2、浮置直流电源U1以及它们与探测单元之间的传输线，如图4~6所示，加强电源变压器的初级与次级之间绝缘程度，其绝缘材料选择参考：聚醚醚酮（PEEK）、聚酰亚胺（PI）、交联聚乙烯（XLPE）等。
在上述实施例中，探测单元18可以是：电离室、GM计数管、3He计数管等。
如图7、8所示，本发明探测器可采用两种方式获取信号：交流耦合、直流耦合。当探测单元工作温度较高而又未超过工作温度上限时，电子倍增器存在较高暗电流，可采用隔直电容取交流信号。
实施例二：
在实施例一中，将探测器的探测单元即灵敏部分与信号放大单元分离。这样就可以加强对较脆弱的信号放大部分实施保护。比如：在探测强γ射线时，可在信号放大部分外围覆盖铅屏蔽体；在探测高通量中子时，可在信号放大部分外围覆盖中子慢化吸收材料。
附图中的实施例旨在对本发明的优选实施方式进行示例性说明，而不应理解为对本发明的限制，对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明精神的前提下对它所做的任何改动都视作对本发明型专利的侵犯，将应当承担相应的法律责任。
Claims (5)
1.一种基于电子倍增器的探测器，其特征在于：包括探测单元及其浮置直流电源U1、热阴极及其浮置电源U2、信号放大单元，所述探测单元与热阴极相连，浮置直流电源U1并联滤波电容C1，浮置电源U2并联滤波电容C2，所述信号放大单元由加速场阴极板、电子倍增器、电荷收集极、分压器电源U3、分压器电阻R1~R3、电容C3~C5组成，所述浮置直流电源U1不断地将探测单元阳极的电子抽运到热阴极，由热阴极生成的自由电子经加速电场进入电子倍增器，倍增后的信号电流到达电荷收集极后输出；所述浮置电源U2的传输线外包裹耐高温高绝缘材料，所述耐高温高绝缘材料为聚酰亚胺；所述热阴极材料是负电子亲和势冷阴极、或复合稀土氧化物-钨。
2.根据权利要求1所述的基于电子倍增器的探测器，其特征在于：所述探测单元是电离室、GM计数管、或3He计数管。
3.根据权利要求1所述的基于电子倍增器的探测器，其特征在于：所述加速场阴极板的形状是平板型、球面、椭球面、或井型，在加速电场阴极板外覆盖一层耐高压、耐高温绝缘外壳。
4.根据权利要求1所述的基于电子倍增器的探测器，其特征在于：所述电子倍增器是微通道板、微球板、或离散打拿级式电子倍增器。
5.根据权利要求1所述的基于电子倍增器的探测器，其特征在于：所述信号放大单元外设有采用具有良好导热性质的电绝缘材料制成的壳体，壳体内部抽成高真空。
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