CN110211861A - 用于光电倍增管的双聚焦极及光电倍增管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于光电倍增管的双聚焦极及光电倍增管，双聚焦极包括碗形自动扩张聚焦极和二次聚焦极。碗形自动扩张聚焦极包括环状的底板以及设置在底板上的转轴、弧形叶片、扭簧及触发装置；二次聚焦极为环状金属极，固定到所述环状的底板上，并在二次聚焦极与底板之间设置绝缘组件，用以在二次聚焦极与弧形叶片构成的碗形聚焦极之间形成绝缘，所述二次聚焦极上还连接有一电连接片，穿过所述绝缘组件和底板并延伸至底板下方以将二次聚焦极引出、并电连接至光电倍增管的引线系统。通过本发明的实施，可提高光电子收集与探测效率。

Description

用于光电倍增管的双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双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结构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收集效率较高的和时间特性优越的双聚焦极及具有该聚焦极的光电倍增管。

为达成上述目的，本发明的第一方面提供一种用于光电倍增管的双聚焦极，包括碗形自动扩张聚焦极和二次聚焦极，其中：

所述碗形自动扩张聚焦极包括环状的底板以及设置在底板上的转轴、弧形叶片、扭簧及触发装置；

多个所述弧形叶片，沿着所述底板的边缘安装，并具有绕所述转轴转动的自由度，多个所述弧形叶片在初始状态下垂直固定在底板的正上方，被触发装置压紧构成环状收拢分布，呈收拢状态；

所述扭簧与弧形叶片一对一地设置，每个所述扭簧的一端与扩张叶片固定，另一端固定到底板上，使得扭簧具有使得扩张叶片朝向聚焦集的径向尺寸扩张展开的趋势并提供预紧力；

所述触发装置被设置用于使得多个所述扩张叶片被触发装置压紧收拢的状态解除，并受到所述扭簧提供的预紧力而进入扩张状态；

所述二次聚焦极为环状金属极，固定到所述环状的底板上，并在二次聚焦极与底板之间设置绝缘组件，用以在二次聚焦极与弧形叶片构成的碗形聚焦极之间形成绝缘，所述二次聚焦极上还连接有一电连接片，穿过所述绝缘组件和底板并延伸至底板下方以将二次聚焦极引出、并电连接至光电倍增管的引线系统。

优选地，所述二次聚焦极为带有台阶及翻边的环形金属极结构。台阶高度为20mm，翻边外径为110mm。

优选地，弧形叶片弧度为30mm。

优选地，所述绝缘组件为圆环形绝缘陶瓷，安装在底板与环状金属极之间。

优选地，所述电连接片具有卡位段和延伸段，所述卡位段设置上卡件、下卡件以及位于二者之间的连接段，上卡件卡入二次聚焦极内，下卡件卡在绝缘组件的下方，延伸段与卡位段连接并延伸至与所述引线系统电连接。

本发明的第二方面还提出一种具有双聚焦极的光电倍增管，包括：

密封壳体，壳体内部为超高真空状态，由球状部分和过渡封接部分构成；

光电阴极，位于所述密封壳体内部的球状部分并位于上表面；

双聚焦极，用于收集由光电阴极产生的光电子，其置于所述密封壳体的内部，并且在其被铟封至过渡封接部分时自动触动并向径向尺寸自动扩张，形成碗形结构，并露出二次聚焦极结构；

电子倍增系统，置于所述双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高真空密封壳体的过渡封接部分将电信号引出；

其中，所述双聚焦极包括底板以及设置在底板周向的碗形自动扩张聚焦极以及固定到底板上的环形的二次聚焦极，所述碗形自动扩张聚焦极具有收拢的状态以及使其安装到密封壳体内而触发打开的扩张状态，在所述扩张状态下，所述碗形自动扩张聚焦极和二次聚焦极共同实现对光电子的收集。

优选地，所述二次聚焦极为环形金属极结构，固定到所述环状的底板上。

优选地，所述二次聚焦极与底板之间设置有绝缘组件，用以在二次聚焦极与弧形叶片构成的碗形聚焦极之间形成绝缘。

优选地，所述二次聚焦极上还连接有一电连接片，穿过所述绝缘组件和底板并延伸至底板下方以将二次聚焦极引出、并电连接至光电倍增管的引线系统。

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双聚焦极的光电倍增管的结构图。

图2A～2B是根据本发明的双聚焦极的结构示意图，图2A为收紧状态示意图，图2B为打开状态示意图。

图3是根据本发明的双聚焦极的结构示意图。

图4是根据本发明的双聚焦极的局部结构放大图。

图5是根据本发明的电子倍增系统与双聚焦极的连接关系示意图。

图6是根据本发明的光电倍增管的铟封工艺的封接的过程示意图。

图7A和7B为不同聚焦极的探测效率测试模拟结果的对比图。

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。

结合本发明图示实施例，本发明提出的增强电子收集效率的具有双聚焦极的光电倍增管，通过碗形自动扩张聚焦极以及二次聚焦极的配合，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)性能，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，实现探测效率的提升。

结合图1-图6所示，本发明较佳实施例的具有双聚焦极的光电倍增管，包括高真空的密封壳体101、双聚焦极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。

密封壳体101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。

双聚焦极102作为光电倍增管的收集极，作用是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。

高量子效率的光电阴极103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。

电子倍增系统104与双聚焦极102底部连接，将收集到的电子进行倍增并输出。优选的实施例中，电子倍增系统104采用至少两片微通道板串联的倍增机构，两片的微通道板串联叠加并分别加载工作电压。

双聚焦极102在初始状态即扩张前为收拢状态，在进行最后封接时聚焦极由高真空密封壳体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。

本发明的实施例中，双聚焦极102包括底板以及设置在底板周向的碗形自动扩张聚焦极和固定到底板上的环形的二次聚焦极，碗形自动扩张聚焦极包括多个可翻转的碗形叶片，使得碗形自动扩张聚焦极具有收拢的状态以及使其安装到密封壳体内(铟封封接)而触发打开的扩张状态，在扩张状态下，通过碗形自动扩张聚焦极和二次聚焦极共同实现对光电子的收集。

引线系统105作为双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，具体的实施例中，光电阴极103、双聚焦极102和电子倍增系统104均置于高真空的密封壳体101内。

高真空的密封壳体101，采用高透过率低反射率的耐高温绝缘材料制备，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。壳体内部为超高真空状态，由球状部分和过渡封接部分构成。

光电阴极103尤其是高量子效率的光电阴极，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，采用蒸镀的方式涂覆。

双聚焦极102、电子倍增系统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。封接完成后双聚焦极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，电子倍增系统104位于双聚焦极102的正下方，通过焊接的方式连在一起，引线系统105贯穿电子倍增系统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。

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，此时双聚焦极102将转换的电子收集到电子倍增系统104上，电子倍增系统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以及图3、图5，双聚焦极102在其被铟封至过渡封接部分时自动触发实现自动打开，径向尺寸扩张。

双聚焦极102的碗形自动扩张聚焦极具有可被触发而展开的多个弧形叶片201，被触发装置压紧构成环状收拢分布。这些的多个弧形叶片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。

优选地，本发明的实施例中，弧形叶片的弧度为30mm。

结合图2A和2B以及图3、4所示，双聚焦极102包括多个弧形叶片201、二次聚焦极202、扭簧203、固定杆204、绝缘组件205、底板206以及转轴207。

弧形叶片201，沿着底板的边缘并且可绕所述转轴转动地安装。每个弧形叶片201在初始状态下垂直固定在底板的上方，呈收拢状态。

扭簧203与弧形叶片201一一对应地设置，并可绕转轴207旋转。扭簧203的一连接到弧形叶片，另一端固定到底板上，使得扭簧具有使得扩张叶片朝向聚焦集的径向尺寸扩张展开的趋势并提供预紧力。

本发明的实施例中，碗形自动扩张聚焦极还包括触发装置，被设置用于使得多个扩张叶片被触发装置压紧收拢的状态解除，并受到扭簧203提供的预紧力而进入扩张状态。如图2A和2B所示。

作为可选的方式，触发装置可采用中国专利CN201610855953.5公开的方式，或者CN201810812963.X公开的方式，在此引用全文作为参考，以实现本发明的双聚焦极在铟封到玻璃真空容器101内部时，受到玻璃球壳边缘的阻挡触发使其朝向聚焦极移动方向相反方向运动，使得弧形叶片的预紧力束缚被解除，弧形叶片围绕转轴旋转和定位，自动扩张开，使得聚焦极进入扩张状态。

本发明的实施例中，扩张支杆在初始状态下呈收拢状态时，双聚焦极的外径整体上小于90mm。在释放扩张后，双聚焦极的外径大于200mm。

结合图3、图4，二次聚焦极202为环状金属极，固定到环状的底板206上，并在二次聚焦极与底板之间设置绝缘组件205，用以在二次聚焦极与弧形叶片构成的碗形聚焦极之间形成绝缘。

二次聚焦极202上还连接有一电连接片208，穿过绝缘组件205和底板206并延伸至底板下方以将二次聚焦极引出、并电连接至光电倍增管的引线系统。

优选地，电连接片具有卡位段和延伸段，所述卡位段设置上卡件、下卡件以及位于二者之间的连接段，上卡件卡入二次聚焦极内，下卡件卡在绝缘组件的下方，延伸段与卡位段连接并延伸至与引线系统电连接。

结合图2A和2B所示，所述双聚焦极102的工作过程为：

双聚焦极102分为两个状态：收拢状态(图2A所示)和扩张状态(图2B所示)。收拢状态下弧形叶片201固定在底板正上方，此状态下双聚焦极102的外径小于90mm。当光电倍增管进行铟封工艺封接时，双聚焦极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的底端会触碰到触发装置，使得弧形叶片201沿着底板的边缘并围绕转轴旋转，双聚焦极102进入扩张状态。在扩张状态下双聚焦极102的外径大于200mm。

结合图5所示，电子倍增系统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，通过两片微通道板叠加使用实现1×10⁷以上的增益。

电子倍增系统104和双聚焦极102的示例性位置关系如本图5所示，电子倍增系统104位于双聚焦极102的正下方，二者通过点焊的方式连接到一起，此时电子倍增系统104的倍增元件位于双聚焦极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。

引线系统105主要作用是引出电子倍增系统104和双聚焦极102的相关电压加载电极，同时将阳极片上的信号进行引出。

作为示例，引线系统105主要包含(以两个微通道板为例)：微通道板1的输入极、微通道板1的输出极；微通道板2的输入极、微通道板2的输出极；阳极输出极；聚焦极输出极、过渡紧固件以及铟封下可伐盘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，在本发明不再赘述。

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，可将双聚焦极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，此时双聚焦极102为收拢状态。双聚焦极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，当双聚焦极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，在封装的过程中触发双聚焦极102的触发机构，从而实现双聚焦极102的扩张动作，实现聚焦极径向尺寸的扩大。

图7A和7B为不同聚焦极的探测效率测试模拟结果的对比示意图。图7A为采用现有技术的单独的自动扩张聚焦极的测试结果，图7B为采用本发明实施例的双聚焦极的测试结果。通过采用本发明双聚焦极作为光电倍增管的电子收集极，相较于传统的扩张结构来说，可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)性能，原扩张型聚焦极结构TTS为2.9ns，二次聚焦极结构TTS只有1.3ns。

由此可见，本发明采用的双聚焦极作为光电倍增管的电子收集极可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，原扩张型聚焦极结构收集效率为93.9％，二次聚焦极结构收集效率为99.6％，显著提高探测效率。

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 (10)

1.一种用于光电倍增管的双聚焦极，其特征在于，包括碗形自动扩张聚焦极和二次聚焦极，其中：

所述碗形自动扩张聚焦极包括环状的底板以及设置在底板上的转轴、弧形叶片、扭簧及触发装置；

多个所述弧形叶片，沿着所述底板的边缘安装，并具有绕所述转轴转动的自由度，多个所述弧形叶片在初始状态下垂直固定在底板的上方，成环状收拢状态分布；

所述扭簧与弧形叶片一对一地设置，每个所述扭簧的一端与扩张叶片固定，另一端固定到底板上，使得扭簧具有使得扩张叶片朝向聚焦集的径向尺寸扩张展开的趋势并提供预紧力；

所述触发装置被设置用于使得多个所述扩张叶片被触发装置压紧收拢的状态解除，并受到所述扭簧提供的预紧力而进入扩张状态；

所述二次聚焦极为环状金属极，固定到所述环状的底板上，并在二次聚焦极与底板之间设置绝缘组件，用以在二次聚焦极与弧形叶片构成的碗形聚焦极之间形成绝缘，所述二次聚焦极上还连接有一电连接片，穿过所述绝缘组件和底板并延伸至底板下方以将二次聚焦极引出、并电连接至光电倍增管的引线系统。

2.根据权利要求1所述的用于光电倍增管的双聚焦极，其特征在于，所述二次聚焦极为带有台阶及翻边的环形金属极结构。

3.根据权利要求2所述的用于光电倍增管的双聚焦极，其特征在于，台阶高度为20mm，翻边外径为110mm。

4.根据权利要求2或3所述的用于光电倍增管的双聚焦极，其特征在于，所述弧形叶片弧度为30mm。

5.根据权利要求1所述的用于光电倍增管的双聚焦极，其特征在于，所述绝缘组件为圆环形绝缘陶瓷，安装在底板与环状金属极之间。

6.根据权利要求5所述的用于光电倍增管的双聚焦极，其特征在于，所述电连接片具有卡位段和延伸段，所述卡位段设置上卡件、下卡件以及位于二者之间的连接段，上卡件卡入二次聚焦极内，下卡件卡在绝缘组件的下方，延伸段与卡位段连接并延伸至与所述引线系统电连接。

7.一种具有双聚焦极的光电倍增管，其特征在于，包括：

密封壳体，壳体内部为超高真空状态，由球状部分和过渡封接部分构成；

光电阴极，位于所述密封壳体内部的球状部分并位于上表面；

双聚焦极，用于收集由光电阴极产生的光电子，其置于所述密封壳体的内部，并且在其被铟封至过渡封接部分时自动触动并向径向尺寸自动扩张，形成碗形结构，并露出二次聚焦极结构；

电子倍增系统，置于所述双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高真空密封壳体的过渡封接部分将电信号引出；

其中，所述双聚焦极包括底板以及设置在底板周向的碗形自动扩张聚焦极以及固定到底板上的环形的二次聚焦极，所述碗形自动扩张聚焦极具有收拢的状态以及使其安装到密封壳体内而触发打开的扩张状态，在所述扩张状态下，所述碗形自动扩张聚焦极和二次聚焦极共同实现对光电子的收集。

8.根据权利要求7所述的具有双聚焦极的光电倍增管，其特征在于，所述二次聚焦极为环形金属极结构，固定到所述环状的底板上。

9.根据权利要求7或8所述的具有双聚焦极的光电倍增管，其特征在于，所述二次聚焦极与底板之间设置有绝缘组件，用以在二次聚焦极与弧形叶片构成的碗形聚焦极之间形成绝缘。

10.根据权利要求7或8所述的具有双聚焦极的光电倍增管，其特征在于，所述二次聚焦极上还连接有一电连接片，穿过所述绝缘组件和底板并延伸至底板下方以将二次聚焦极引出、并电连接至光电倍增管的引线系统。