CN108257844A - 选通聚焦型光电倍增管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电探测器件技术领域，具体涉及一种选通聚焦型光电倍增管。其结构包括真空容器，真空容器的一端设置输入窗，输入窗的内表面设置阴极，真空容器的另一端设置阳极；所述阴极与阳极之间依次设置有选通电极、聚焦电极和电子倍增器。本发明解决了现有的光电探测器件有效探测面积受限的技术问题。本发明为一种既具备选通功能又具备电子聚焦功能的光电倍增管。放大倍率聚焦功能使得大面积光电阴极所发射电子可以入射至小尺寸电子倍增器电子收集面，从而提升光电倍增管的探测面积。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器件技术领域，具体涉及一种选通聚焦型光电倍增管。
背景技术
光电倍增管(简称PMT)，是一种电真空光电探测器件，其主要功能是将微弱光学信号转换为电信号，并对电信号进行放大输出。光电倍增管具有探测光谱范围宽、动态范围大、电子增益高、暗噪声低以及响应速度快等特点，被广泛应用于医疗、检测、科研以及军事等各个领域。
光电倍增管的一个主要应用领域就是激光雷达，目前机载激光测距雷达、舰载水下探测激光雷达以及高空大气探测激光雷达等都将光电倍增管作为核心探测器件。由于激光雷达具备分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强、定位准确等优点，使得激光雷达可以精准探测目标的位置、运动形态以及姿态等参数，所以在军事领域、环境科学领域以及生物学领域等有着广泛的应用。
但是，由于激光雷达以探测光信号为探测依据，因此在工作时受探测环境影响较大。使用传统光电倍增管进行目标光信息进行探测时，当探测光穿越大气以及水介质时大量的反射光以及散射光同样被光电倍增管所探测，将导致光电倍增管的信噪比降低、电子增益容易饱等效应，导致探测雷达性能降低。
选通型光电倍增管通过引入选通功能来控制光电倍增管的工作状态，使其在被探测光信号达到探测器时才实现探测器的探测功能，其余时间探测器处于“关闭”状态，没有实施信号功能。因而可以避开探测光穿越各种介质时的强反射以及向后漫散射背景信号等噪声信号，从而可以从强背景光中选出所需的信号，大大提高激光雷达探测精度，同时消除强激光对探测器可能造成的损害，延长设备的使用寿命。
目前，国外主要由日本滨松光子株式会社生产以及销售选通型光电倍增管，如R5916U-50以及R2024等。其主要通过在阴极与电子倍增器电子收集面之间制作门控电极并实践低伏值门控信号来实现光电倍增管的选通功能，此光电倍增管有效探测面尺寸最大为φ18mm。国内主要由中国电子科技集团第五十五研究所生产以及销售，其功能实现与日本滨松光子株式会社相同，其生产的选通型光电倍增管有效探测面尺寸最大约为φ45mm。
发明内容
本发明目的是提供一种选通聚焦型光电倍增管，解决了现有的光电探测器件有效探测面积受限的技术问题。
本发明的技术解决方案是：一种选通聚焦型光电倍增管，其特殊之处在于：包括真空容器，真空容器的一端设置输入窗，输入窗的内表面设置阴极，真空容器的另一端设置阳极；所述阴极与阳极之间依次设置有选通电极、聚焦电极和电子倍增器。
进一步地，上述选通电极包括位于中心的圆形的网状结构区。
进一步地，上述网状结构区由六边形网格构成，所述网状结构区的开口面积大于80％。
进一步地，上述网状结构区的直径与阴极的直径相同。
优选地，上述电子倍增器是由一片或者多片微通道板组成的微通道板电子倍增组件。
进一步地，上述电子倍增器在靠近阴极的一侧设置有输入面电极，在靠近阳极的一侧设置有输出面电极。
进一步地，上述输入窗与真空容器采用铟封封接方式。
进一步地，上述输入窗为石英玻璃窗、氟化镁玻璃窗或者硼硅酸盐玻璃窗。
进一步地，上述阳极为金属板单阳极、位敏阳极、微带线阳极或者多阳极结构。
进一步地，上述阴极的直径为70-90mm，所述电子倍增器的直径为40-60mm。
本发明的有益效果在于：本发明为一种既具备选通功能又具备电子聚焦功能的光电倍增管。放大倍率聚焦功能使得大面积光电阴极所发射电子可以入射至小尺寸电子倍增器电子收集面，从而提升光电倍增管的探测面积。
附图说明
图1为本发明选通聚焦型光电倍增管的较佳实施例整体结构示意图。
图2为本发明选通聚焦型光电倍增管的选通电极结构示意图。
图3为本发明选通聚焦型光电倍增管处于截止状态时电子轨迹图。
图4为本发明选通聚焦型光电倍增管处于选通状态时部分特征电子轨迹图。
图5为本发明选通聚焦型光电倍增管阴极发射电子束在微通道板电子收集面处的电子束分布图。
图6为本发明选通聚焦型光电倍增管阴极发射电子束在微通道板电子收集面处的电子束渡越时间统计表。
其中，附图标记为：1-输入窗，2-铟封槽，4-选通电极，5-梯形环状陶瓷部件，6-聚焦电极，7-输入面电极，9-输出面电极，10-微通道板电子倍增器，12-金属板阳极，13-真空封接部件，3、8、11-圆环形薄陶瓷环。
具体实施方式
本发明为一种选通聚焦型光电倍增管，其较佳实施例的结构包括真空容器，真空容器的一端设置输入窗，输入窗的内表面设置阴极，真空容器的另一端设置阳极；阴极与阳极之间依次设置有选通电极、聚焦电极和电子倍增器。
真空容器由玻璃、陶瓷以及金属材料构成，其中玻璃材料作为光学输入窗，陶瓷材料以及金属材料共同构成真空容器壁。阴极用来接收光子并将其转换为电子，电子倍增器用来接收从阴极发射出来的光电子并产生倍增电子，聚焦电极用来将光电子聚焦使其落在电子倍增器有效区域上，选通电极用来控制阴极所发射电子是否进入聚焦电极所产生的聚焦区域，阳极用来收集电子倍增器所产生的倍增电子。另外，真空容器上还设置用来供电给光阴极、选通电极、聚焦电极、电子倍增器以及阳极的供电极以及支撑它们的支撑柱。供电极的引线通过真空容器壁所预留金属材料与外部电路相连；阳极信号引出线通过陶瓷金属线引出至真空容器外与外部电路连接；聚焦电极、选通电极、电子倍增器和阳极的中心共轴，并与供电极以及支撑它们的支撑柱连接成一体。
光学输入窗与真空容器之间利用铟封槽进行铟封封接。光学输入窗视阴极响应波长范围的不同可以选用石英玻璃窗、氟化镁玻璃窗或者硼硅酸盐玻璃窗。
选通电极包括位于中心的圆形的网状结构区。网状结构区由六边形网格构成，其开口面积大于80％，使其在保证可靠机械强度的情况下提升光电倍增管光电阴极所产生电子运动至此电极时的通过率，提升整个器件的有效探测效率。网状结构区的直径与光电阴极的直径相同。
通过调节选通电极的工作电压以及选通电极与阴极之间的间距，改变阴极与选通电极之间的电场，当此电场对于阴极发射电子为加速场时，阴极发射电子可以通过选通电极进入电子倍增器内，使光电倍增管处于选通模式，此时光电倍增管可以正常输出探测信号；而当阴极与选通电极之间的电场对于阴极发射电子为减速场时，电子未能通过选通电极进入电子倍增组件内，从而光电倍增管处于截止模式，此时光电倍增管并不能正常输出探测信号。
电子倍增器可以为传统打拿级电子倍增组件，也可以选用由一片或者多片微通道板组成的微通道板电子倍增组件。在电子出射、加速以及聚焦区域结构以及电气参数相同的条件下，微通道板电子倍增组件的时间特性要优于打拿级电子倍增组件。多片微通道板(例如两片或者三片微通道板)的供电方式可以是组合供电方式也可以是单片微通道板独立供电的方式。
为了使光电阴极发射电子通过选通电极后汇聚于电子倍增器入射面，在选通电极以及电子倍增器之间制备聚焦电极(环形电极)，聚焦电极与阴极同轴线，聚焦电极的尺寸视阴极与电子倍增器的尺寸以及空间相对位置而定。根据阴极面的尺寸以及电子倍增器电子收集面尺寸来确定聚焦电极所产生聚焦场的放大倍率。
当电子倍增器为微通道板电子倍增组件时，针对不同光电倍增管的用途，光电倍增管信号输出电极阳极可以选择为金属板单阳极、位敏阳极、多阳极结构或者微带线阳极等结构。
下面结合附图对本实施例选通聚焦型光电倍增管的构成及相关参数设置进行详细说明。
参见图1，本实施例选通聚焦型光电倍增管主要由圆形平板玻璃光学输入窗1、铟封槽2、选通电极4、聚焦电极6、微通道板电子倍增器10、金属板阳极12以及真空封接部件13等结构所组成。其中铟封槽2与选通电极4之间采用圆环形薄陶瓷环3进行固定连接，选通电极4与输入面电极7之间使用梯形环状陶瓷部件5进行固定连接，输入面电极7与输出面电极9之间采用圆环形薄陶瓷环8进行固定连接，输出面电极9与真空封接部件13之间采用圆环形薄陶瓷环11进行固定连接，从而形成一个完整的真空容器。
选通电极4的材料可以选用不锈钢，材料厚度最小可以达到0.05mm。选通电极结构如图2所示，采用中心区域为网状结构，周边为金属实体的结构，中心网状圆形结构直径与光学输入窗阴极有效尺寸相同。其中中心网状结构采用正六边形结构，正六边形的边长范围可以为0.26-0.5mm，六边形相邻间距为0.05mm，此时选通电极的有效占空比的范围为81％～89％。
本实施例选通聚焦型光电倍增管的主要尺寸为：阴极有效直径为φ80mm，阴极距离选通电极的距离为0.3mm，聚焦电极与选通电极距离为5mm，聚焦电极与微通道板输入面处的距离为5mm，微通道板有效直径为φ50mm，微通道板输入面与阳极片之间的距离为1mm。
为了验证本实施例选通聚焦型光电倍增管的电选通与聚焦功能，采用专用电子光学设计软件对此光电倍增管进行模拟仿真，在建立模型时由于只考虑选通与聚焦功能，因此参考图1中光电倍增管结构示意图建立了由光学输入窗1(由于内表面镀制光电阴极，在此模型中整体作为光电阴极)、选通电极4、聚焦电极6以及金属板阳极12所组成的光电倍增管选通与聚焦区域。
在进行仿真过程中，阴极与微通道板之间的电压差为固定值1000V，调整选通电极与阴极之间的电压差来转换光电倍增管的选通与截止状态，在光电倍增管处于选通状态时调整聚焦电极电压来实现光电倍增管的聚焦功能。
图3为光电倍增管处于截止状态时阴极发射电子的电子轨迹图，此时选通电极工作电压与光电阴极电压压差数值为-5V，此时所有阴极出射电子在阴极与选通电极所形成减速场的作用下返回至光电阴极，无电子通过选通电极，所以此时光电倍增管完全处于截止状态。
图4为光电倍增管处于选通状态时阴极发射特征电子的电子轨迹图，此特征电子包括7个区域，包括了阴极中心5mm直径区域，距离阴极中心15mm处直径为3mm对称区域，距离阴极中心25mm处直径为5mm对称区域，阴极边缘直径为10mm对称区域。此时选通电极工作电压与光电阴极电压压差数值为5V，此时所有阴极出射电子在阴极与选通电极所形成加速场的作用下通过选通电极而运动至微通道板输入面处，所以此时光电倍增管完全处于选通状态。电子束在经过选通电极时，由于选通电极网状结构的占空比为85％左右，因此约有15％的电子被选通电极所捕获。
图4同时显现此光电倍增管的聚焦特性，此时光电倍增管选通电极所加电压使得光电倍增管处于选通状态，聚焦电极的工作电压与选通工作电压之差为10V。经过聚焦后的电子束在微通道板输入面处的落点统计图如图5，此时电子束斑的最大直径为48.16mm，对应于阴极面有效直径为80mm时聚焦系统对于电子束的放大倍率为0.602。
在光电倍增管处于选通以及聚焦状态时，阴极发射电子束运动至微通道板输入面处的渡越时间统计表如图6，图中可以看出在0.2ns至0.7ns的时间范围内约有90％的电子运动至微通道板输入面处，也就是说此光电倍增管电子渡越时间弥散小于0.5ns。
Claims (10)
1.一种选通聚焦型光电倍增管，其特征在于：包括真空容器，真空容器的一端设置输入窗，输入窗的内表面设置阴极，真空容器的另一端设置阳极；所述阴极与阳极之间依次设置有选通电极、聚焦电极和电子倍增器。
2.根据权利要求1所述的选通聚焦型光电倍增管，其特征在于：所述选通电极包括位于中心的圆形的网状结构区。
3.根据权利要求2所述的选通聚焦型光电倍增管，其特征在于：所述网状结构区由六边形网格构成，所述网状结构区的开口面积大于80％。
4.根据权利要求3所述的选通聚焦型光电倍增管，其特征在于：所述网状结构区的直径与阴极的直径相同。
5.根据权利要求1-4中任一所述的选通聚焦型光电倍增管，其特征在于：所述电子倍增器是由一片或者多片微通道板组成的微通道板电子倍增组件。
6.根据权利要求5所述的选通聚焦型光电倍增管，其特征在于：所述电子倍增器在靠近阴极的一侧设置有输入面电极，在靠近阳极的一侧设置有输出面电极。
7.根据权利要求5所述的选通聚焦型光电倍增管，其特征在于：所述输入窗与真空容器采用铟封封接方式。
8.根据权利要求7所述的选通聚焦型光电倍增管，其特征在于：所述输入窗为石英玻璃窗、氟化镁玻璃窗或者硼硅酸盐玻璃窗。
9.根据权利要求5所述的选通聚焦型光电倍增管，其特征在于：所述阳极为金属板单阳极、位敏阳极、微带线阳极或者多阳极结构。
10.根据权利要求5所述的选通聚焦型光电倍增管，其特征在于：所述阴极的直径为70-90mm，所述电子倍增器的直径为40-60mm。
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