CN109166783A - 用于光电倍增管的自动扩张聚焦极及光电倍增管 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于光电倍增管的自动扩张聚焦极及光电倍增管，该自动扩张聚焦极包括扩张支杆、金属布、固定机构、转轴以及触动弹片。扩张支杆、转轴以及触动弹片一一对应，并围绕固定机构设置；多个扩张支杆，沿着所述固定机构的边缘并且可绕所述转轴转动地安装；金属布以褶皱收拢的初始状态围绕固定机构的中心轴线而设置，每个扩张支杆与金属布的褶皱边缘位置固定连接，使得金属布可随着扩张支杆的运动而展开，进入扩张状态。本发明的自动扩张聚焦极，可实现自动扩张聚焦极的扩张动作，实现聚焦极径向尺寸的扩大。

Description

用于光电倍增管的自动扩张聚焦极及光电倍增管

技术领域

本发明涉及微通道板型光电倍增管技术领域，具体而言涉及一种用于光电倍增管的自动扩张聚焦极及光电倍增管。

背景技术

光电倍增管是一种光探测器，可以将微弱的光信号转换成电信号输出。从倍增器类别上可以分为打拿极光电倍增管和微通道板型光电倍增管。各类型的光电倍增管广泛应用在基础物理学领域研究、高能伽马射线探测、地面宇宙射线望远镜观测、双beta衰变实验、质子衰变实验、暗物质探测、中微子探测实验等领域。

目前光电倍增管尤其是大尺寸的光电倍增管采用的技术方案以打拿极型居多，整管结构复杂，时间特性相对较弱，而微通道板型光电倍增管时间特性较好，配合扩张型聚焦极结构可以进一步改进TTS等参数，但受到各方面的技术条件限制尤其是聚焦极的尺寸限制而难以获得较大的收集效率。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于光电倍增管的可靠性较高的和时间特性优越的自动扩张聚焦极及具有该聚焦极的光电倍增管。

为达成上述目的，本发明提出一种用于光电倍增管的自动扩张聚焦极，包括扩张支杆、金属布、固定机构、转轴以及触动弹片，其中：

扩张支杆、转轴以及触动弹片一一对应，并围绕固定机构设置；

转轴设置在固定机构上；

多个扩张支杆，沿着所述固定机构的边缘并且可绕所述转轴转动地安装；多个扩张支杆在初始状态下垂直固定在固定机构的正上方，依靠重力呈收拢状态；

金属布以褶皱收拢的初始状态围绕固定机构的中心轴线而设置，每个扩张支杆与金属布的褶皱边缘位置固定连接，使得金属布可随着扩张支杆的运动而展开；

每个触动弹片的一端与对应的扩张支杆固定，并且触动弹片在自动扩张聚焦极铟封到光电倍增管的玻璃球壳过程中带动扩张支杆旋转，使得扩张支杆朝向径向尺寸扩张展开，因而带动金属布展开，进入扩张状态。

进一步的，所述扩张支杆具有固定部以及延伸部，其中固定部被设置用于与金属布固定连接，延伸部通过转轴可转动的连接到固定机构上，并且朝向远离金属布的方向延伸。

进一步的，所述延伸部的延伸部分具有偏离固定机构的边缘的趋势，形成偏离部，该偏离部的端部与触动弹片固定连接，并压紧触动弹片，在初始状态下，使得触动弹片具有保持朝向径向向外张开的趋势。

进一步的，所述触动弹片位于临近固定机构边缘的位置并朝向外伸出，该触动弹片被设置成在自动扩张聚焦极铟封至光电倍增管的密封壳体内时受到密封壳体的过渡封接部分边缘的阻挡约束而触发，使得触动弹片向外张开的状态被约束而朝向固定机构的中心轴线方向收缩，因而带动扩张支杆沿着偏离固定机构的中心轴线的方向翻转转动，并使得金属布的褶皱收拢状态得到解除，随着扩张支杆转动得以展开，并随着铟封到位而定位，进入扩张状态。

根据本发明，还提出一种具有自动扩张聚焦极的光电倍增管，包括密封壳体、光电阴极、自动扩张聚焦极、电子倍增系统以及引线系统，其中：

密封壳体，由球状部分和过渡封接部分构成；

自动扩张聚焦极，位于所述密封壳体内部，置于光电阴极和电子倍增系统之间，用于收集由光电阴极产生的光电子，该自动扩张聚焦极在其被铟封至过渡封接部分时自动触动并朝向径向尺寸自动扩张，该自动扩张聚焦极具有可被触动而展开的多个扩张支杆以及与支杆固定并随着支杆展开而同步展开的金属布，所述多个扩张支杆具有依靠重力形成环状分布的收拢状态以及朝向聚焦极径向尺寸展开的扩张状态，在所述扩张状态下，所述多个扩张支杆被设置成通过触动弹片弹力定位，所述金属布具有褶皱收拢的初始状态，每个扩张支杆在收拢状态下与金属布的褶皱边缘位置固定连接，使得金属布可随着扩张支杆的运动而展开；

光电阴极，置于所述密封壳体内部并位于上表面；

电子倍增系统，置于所述自动扩张聚焦极下方并将其收集到的光电子进行倍增；

引线系统，置于所述电子倍增系统下方且穿过所述密封壳体的过渡封接部分将电信号引出。

由以上的技术方案，本发明的自扩张聚焦极以及光电倍增管，与现有技术相比，具有显著的有益效果：

1)采用自动扩张聚焦极作为光电倍增管的电子收集极，可以有效地提高电子收集极的径向尺寸，从而明显提高光电倍增管的时间特性，尤其是渡越时间弥散(TTS)；

2)采用自动扩张聚焦极作为光电倍增管的电子收集极可以有效提高电子收集极对高量子效率光电阴极产生的电子的收集能力，从而提高样管的探测效率；

3)电子倍增极配合自动扩张聚焦极，将其收集的电子进行倍增，采用微通道板作为核心倍增器件，可以实现超高增益，同时大大简化了结构的复杂性，降低了引线和电压加载系统的成本；

4)基于自动扩张聚焦极的光电倍增管采用无缝的设计方案，具有良好的各项均匀性，包括阴极均匀性、阳极均匀性。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是根据本发明的基于自动扩张聚焦极的光电倍增管的结构图。

图2A～2B是根据本发明的自动扩张聚焦极的运动状态示意图，图2A为收拢状态示意图，图2B为扩张状态示意图。

图3A-3B是自动扩张聚焦极的结构示意图，其中3A是立体视图，3B是从底部方向的视图。

图4是根据本发明的电子倍增系统与自动扩张聚焦极的连接关系示意图。

图5是根据本发明的电子倍增系统与连接及引线系统的连接关系示意图。

图6是根据本发明的铟封工艺的封接的过程示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1，一种具有自动扩张聚焦极的光电倍增管，包括密封壳体101、自动扩张聚焦极102、光电阴极103、电子倍增系统104以及引线系统(含连接结构)105。

高真空密封壳体101优选高真空密封壳体(如玻璃球壳)，保持光电倍增管内部为超高真空状态，同时作为光电阴极103的附着基底。

光电阴极103，优选为高量子效率光电阴极，采用蒸镀方式在其内表面指定区域(如上部)蒸镀高量子效率光电阴极。当外部光子入射至内部镀有高量子光电阴极的玻壳表面时，光电阴极将光子转换成电子。

自动扩张聚焦极102作为光电倍增管的收集极，用于将高量子效率光电阴极产生的电子收集至电子倍增系统进行倍增。

自动扩张聚焦极102，在初始状态(即扩张前为收拢状态)，即在进行最后封接安装到密封壳体101内部之前时，处于收拢状态，在安装到位后自动扩张聚焦极102由密封壳体101(即玻璃球壳)触发，在玻璃球壳内扩张，实现聚焦极径向尺寸的扩张，从而提高聚焦极对电子的收集能力和时间性能。

电子倍增系统104与聚焦极102底部连接，将自动扩张聚焦极102收集到的电子进行倍增并输出。

优选的例子中，电子倍增系统104采用至少两片微通道板串联的倍增机构。

引线系统105作为自动扩张聚焦极和电子倍增系统的支撑部件，同时将电子倍增系统倍增后的电子引出。

结合图1以及图2A和2B所示的示例中，光电阴极103、自动扩张聚焦极102和电子倍增器104均置于玻璃真空容器即高真空密封壳体101中。

密封壳体101，采用高透过率低反射率的耐高温绝缘材料制备而成玻璃球壳(真空)，其形状为球状结构、多段圆弧平滑过渡的椭球状结构或圆柱形结构中的一种。本实施例以椭球形的玻璃真空容器101来详细说明本发明的实施。

玻璃球壳为超高真空状态，由球状部分和位于球状部分下方的过渡封接部分(即颈部)构成。

高量子效率光电阴极103，优选是涂覆在高真空密封壳体内表面的可将光子转化成电子的半导体薄膜，可以采用蒸镀的方式涂覆。

自动扩张聚焦极102，电子倍增器104和引线系统105连接成为一个整体，然后通过铟封工艺封接到玻璃真空容器101中，封接完成后自动扩张聚焦极102位于玻璃真空容器101的中心轴上且位于椭球球心的正下方，电子倍增器104位于自动扩张聚焦极102的正下方，通过焊接的方式连在一起，引线系统105贯穿电子倍增器104将所需要加载电压的各个电极引出到玻璃真空容器101外部，方便电压的加载。

电子倍增系统104采用微通道板作为其倍增器件，具有两片的微通道板串联叠加并分别加载工作电压。

结合图1所示，整个光电倍增管的在工作时根据使用要求对光电倍增管加载电压，当微弱的光子照射到高量子效率光电阴极103上时，光电阴极将光子转换成电子，此时自动扩张聚焦极102将转换的电子收集到电子倍增器104上，电子倍增器104对电子进行倍增，倍增后的电子经过连接及引线系统105引出到光电倍增管外部，对该信号进行读取和处理可以实现对微弱光子的探测。

结合图1、图2A和2B，作为优选的例子，自动扩张聚焦极102，用于收集由高量子效率光电阴极产生的光电子，其置于高真空密封壳体内部。

自动扩张聚焦极102在其被铟封至过渡封接部分时自动触发和朝向径向尺寸自动扩张。自动扩张聚焦极102具有可被触发而展开的多个扩张支杆201和金属布202，多个扩张支杆201具有被压紧形成环状分布的收拢状态以及朝向聚焦极径向尺寸展开的扩张状态，在扩张状态下，多个扩张支杆被设置成通过触发弹片205张紧定位。

结合图2A、2B、3A、3B，自动扩张聚焦极102包括扩张支杆201、金属布202、固定机构203、转轴204以及触动弹片205。

固定机构203优选为环形固定机构，尤其是片状圆环。

扩张支杆201、转轴204以及触动弹片205一一对应，并且围绕固定机构203设置。

结合图3A、3B，金属布202以褶皱收拢的初始状态围绕固定机构203(即圆环固定机构)的中心轴线而设置，每个扩张支杆201与金属布202的褶皱边缘位置固定连接，使得金属布202可随着扩张支杆201的运动而展开。

优选地，扩张支杆201围绕固定机构203(圆环)排列，尤其是均匀地排列形成圆环形分布。

结合图2A、2B所述，扩张支杆201具有固定部201A以及延伸部201B，其中固定部201A被设置用于与金属布202固定连接。延伸部201B通过转轴204可转动的连接到固定机构204的边缘，并且朝向远离金属布202的方向延伸，其延伸部分具有偏离固定机构204的边缘的趋势，形成偏离部。

结合图示，转轴204均匀地分布在固定机构204上，尤其是边缘位置。扩张支杆201套接在转轴204上，并可绕转轴204转动。

扩张支杆201的延伸部201B，其偏离部的端部与触动弹片205固定连接，并压紧触动弹片205。在初始状态下，使得触动弹片205具有保持朝向径向向外张开的趋势。每个触动弹片205的一端与对应的扩张支杆201固定，并且触动弹片205可以带动扩张支杆201围绕转轴204旋转使得扩张支杆朝向聚焦极的径向尺寸扩张展开。

每个扩张支杆201在初始状态下，其固定部201A垂直固定在圆环的正上方，依靠重力构成环状收拢分布，呈收拢状态。

结合图2A和2B、3A-3B，触动弹片205位于临近固定机构边缘的位置并朝向外伸出，该触动弹片205被设置成在自动扩张聚焦极202铟封至密封壳体101(即玻璃球壳)内时受到玻璃球壳的过渡封接部分边缘(即内壁面)的阻挡约束触发，使得触动弹片205向外张开的状态被约束而呈现朝内运动(即朝向固定机构203的中心轴线方向收缩)，因而带动扩张支杆201的固定部201A沿着固定机构的边缘的转轴204旋转和定位，此时固定部201A围绕转轴204并沿着偏离固定机构203的中心轴线的方向翻转转动，使得金属布202的褶皱收拢状态得到解除，随着扩张支杆201转动得以展开，并随着铟封到位而定位，进入扩张状态。

优选地，扩张支杆在初始状态下呈收拢状态时，所述聚焦极的外径小于90mm。

优选地，扩张支杆201在释放后呈扩张状态时，所述聚焦极的外径大于200mm。

结合图2A和2B、3A-3B所示，所述自动扩张聚焦极102的扩展过程为：

自动扩张聚焦极102分为两个状态：收拢状态(图2A所示)和扩张状态(图2B所示)。收拢状态下扩张支杆201依靠重力垂直固定在固定机构203正上方，此状态下自动扩张聚焦极102的外径小于90mm。当光电倍增管进行铟封工艺封接时，自动扩张聚焦极102上升并通过玻璃真空容器101的颈部，此时玻璃真空容器101的底端会触碰到触动弹片205，并使触动弹片205在玻璃真空容器101的颈部内移动，触动弹片205会带动扩张支杆201沿着固定机构的边缘的转轴204旋转，扩张支杆201的转动使其收拢状态得到释放，并带动金属布202同步释放张开，自动扩张聚焦极102进入扩张状态。在扩张状态下自动扩张聚焦极102的外径大于200mm。

图4是根据本发明的电子倍增系统4与自动扩张聚焦极2的连接关系示意图，如图所示，电子倍增系统104主要由倍增元件和电子收集部分组成，本实施例以两片微通道板叠加作为倍增元件来详细说明本发明的实现，但并不限制本发明的实施。其中微通道板1301位于自动扩张聚焦极102的下方中心位置，微通道板2302位于微通道板1301的正下方，两片微通道板叠加使用实现1×107以上的增益。电子经过两片微通道板的放大后汇聚到阳极片303上，方便后续信号的引出、读取和处理。

如图4所示，电子倍增系统104位于自动扩张聚焦极102的正下方，二者通过点焊的方式连接到一起，此时倍增元件位于自动扩张聚焦极102的中心偏下位置，方便收集到的电子统一汇聚到其上表面进行倍增。

图5是根据本发明的电子倍增系统4与引线系统5的连接关系示意图。如图所示，引线系统105主要作用是引出电子倍增系统104和自动扩张聚焦极102的相关电压加载电极，同时将阳极片303上的信号进行引出。

其中及引线系统105主要包含：微通道板1的输入极401，微通道板1的输出极402，微通道板2的输入极407，微通道板2的输出极408，阳极输出极403，扩张聚焦极输出极406、过渡紧固件404以及铟封下可伐盘405。各个引出电极均可以分别加载电压。这些输入极和输出极可以采用现有的一些方式来实现，在此不再赘述。

图6是根据本发明的铟封工艺的封接的过程示意图。铟封工艺是指通过铟锡合金502作为封接的焊料，将铟封上可伐盘501和铟封下可伐盘405进行密封，从而保证玻璃真空容器101内部为高真空的状态。

其中本发明的光电倍增管整个铟封工艺是在超高真空的设备腔体内部自动完成的。封接之前自动扩张聚焦极102，电子倍增器104和引线系统105连接成为一个整体且位于玻璃真空容器101的正下方，此时自动扩张聚焦极102为收拢状态。自动扩张聚焦极102、电子倍增系统104和引线系统105作为一个整体，称之为管芯组件。铟封工艺开始后管芯组件开始上升，当自动扩张聚焦极102碰触到玻璃真空容器101底部后触发扩张，此后继续上升，直至铟封上可伐盘501和铟封下可伐盘405相互接触压紧。整个铟封工艺过程中铟锡合金502始终处于熔融状态。

同时，结合图2A和2B所示，管芯组件和高真空密封壳体101在真空设备中通过全自动的方式封装在一起，在封装的过程中会触发自动扩张聚焦极102的触发机构，从而实现自动扩张聚焦极102的扩张动作，实现聚焦极径向尺寸的扩大。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (13)

1.一种用于光电倍增管的自动扩张聚焦极，其特征在于，包括扩张支杆、金属布、固定机构、转轴以及触动弹片，其中：

扩张支杆、转轴以及触动弹片一一对应，并围绕固定机构设置；

转轴设置在固定机构上；

多个扩张支杆，沿着所述固定机构的边缘并且可绕所述转轴转动地安装；多个扩张支杆在初始状态下垂直固定在固定机构的正上方，依靠重力呈收拢状态；

金属布以褶皱收拢的初始状态围绕固定机构的中心轴线而设置，每个扩张支杆与金属布的褶皱边缘位置固定连接，使得金属布可随着扩张支杆的运动而展开；

每个触动弹片的一端与对应的扩张支杆固定，并且触动弹片在自动扩张聚焦极铟封到光电倍增管的玻璃球壳过程中带动扩张支杆旋转，使得扩张支杆朝向径向尺寸扩张展开，因而带动金属布展开，进入扩张状态。

2.根据权利要求1所述的用于光电倍增管的自动扩张聚焦极，其特征在于，所述固定机构构造为片状圆环。

3.根据权利要求1所述的用于光电倍增管的自动扩张聚焦极，其特征在于，所述扩张支杆围绕固定机构均匀地排列形成圆环形分布。

4.根据权利要求1所述的用于光电倍增管的自动扩张聚焦极，其特征在于，所述扩张支杆在初始状态下呈收拢状态时，所述聚焦极的外径小于90mm。

5.根据权利要求1所述的用于光电倍增管的自动扩张聚焦极，其特征在于，所述扩张支杆在释放后呈扩张状态时，所述聚焦极的外径大于200mm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于光电倍增管的自动扩张聚焦极，其特征在于，所述扩张支杆具有固定部以及延伸部，其中固定部被设置用于与金属布固定连接，延伸部通过转轴可转动的连接到固定机构上，并且朝向远离金属布的方向延伸。

7.根据权利要求6所述的用于光电倍增管的自动扩张聚焦极，其特征在于，所述延伸部的延伸部分具有偏离固定机构的边缘的趋势，形成偏离部，该偏离部的端部与触动弹片固定连接，并压紧触动弹片，在初始状态下，使得触动弹片具有保持朝向径向向外张开的趋势。

8.根据权利要求1所述的用于光电倍增管的自动扩张聚焦极，其特征在于，所述触动弹片位于临近固定机构边缘的位置并朝向外伸出，该触动弹片被设置成在自动扩张聚焦极铟封至光电倍增管的密封壳体内时受到密封壳体的过渡封接部分边缘的阻挡约束而触发，使得触动弹片向外张开的状态被约束而朝向固定机构的中心轴线方向收缩，因而带动扩张支杆沿着偏离固定机构的中心轴线的方向翻转转动，并使得金属布的褶皱收拢状态得到解除，随着扩张支杆转动得以展开，并随着铟封到位而定位，进入扩张状态。

9.一种具有自动扩张聚焦极的光电倍增管，其特征在于，包括密封壳体、光电阴极、自动扩张聚焦极、电子倍增系统以及引线系统，其中：

密封壳体，由球状部分和过渡封接部分构成；

自动扩张聚焦极，位于所述密封壳体内部，置于光电阴极和电子倍增系统之间，用于收集由光电阴极产生的光电子，该自动扩张聚焦极在其被铟封至过渡封接部分时自动触动并朝向径向尺寸自动扩张，该自动扩张聚焦极具有可被触动而展开的多个扩张支杆以及与支杆固定并随着支杆展开而同步展开的金属布，所述多个扩张支杆具有依靠重力形成环状分布的收拢状态以及朝向聚焦极径向尺寸展开的扩张状态，在所述扩张状态下，所述多个扩张支杆被设置成通过触动弹片弹力定位，所述金属布具有褶皱收拢的初始状态，每个扩张支杆在收拢状态下与金属布的褶皱边缘位置固定连接，使得金属布可随着扩张支杆的运动而展开；

光电阴极，置于所述密封壳体内部并位于上表面；

电子倍增系统，置于所述自动扩张聚焦极下方并将其收集到的光电子进行倍增；

引线系统，置于所述电子倍增系统下方且穿过所述密封壳体的过渡封接部分将电信号引出。

10.根据权利要求9所述的具有自动扩张聚焦极的光电倍增管，其特征在于，所述自动扩张聚焦极还包括固定机构、触动弹片以及转轴，其中：

扩张支杆、转轴以及触动弹片一一对应，并围绕固定机构设置；

转轴设置在固定机构上；

多个扩张支杆，沿着所述固定机构的边缘并且可绕所述转轴转动地安装；

每个触动弹片的一端与对应的扩张支杆固定，并且触动弹片在自动扩张聚焦极铟封到光电倍增管的玻璃球壳过程中带动扩张支杆旋转，使得扩张支杆朝向径向尺寸扩张展开并带动金属布展开，进入扩张状态。

11.根据权利要求10所述的具有自动扩张聚焦极的光电倍增管，其特征在于，所述固定机构构造为片状圆环。

12.根据权利要求10所述的具有自动扩张聚焦极的光电倍增管，其特征在于，所述扩张支杆具有固定部以及延伸部，其中固定部被设置用于与金属布固定连接，延伸部通过转轴可转动的连接到固定机构上，并且朝向远离金属布的方向延伸。

13.根据权利要求11所述的具有自动扩张聚焦极的光电倍增管，其特征在于，所述延伸部的延伸部分具有偏离固定机构的边缘的趋势，形成偏离部，该偏离部的端部与触动弹片固定连接，并压紧触动弹片，在初始状态下，使得触动弹片具有保持朝向径向向外张开的趋势。