CN110416056A - 一种基于微通道板的高增益混合型光电倍增管 - Google Patents

一种基于微通道板的高增益混合型光电倍增管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于微通道板的高增益混合型光电倍增管，在有光阴极后面放有的微通道板MCP，对光阴极产生的光电子进行放大，经过放大后的电子在外加电压下进行加速，并且运动轨迹受到聚焦极约束以保证高能电子能够轰击在宽禁带半导体探测器上。光阴极上能够加载6000V‑20000V负高压，光阴极、MCP、聚焦极上的电压可以根据需要利用分压电路中三个分压电阻之间的比值实现灵活调整，从而实现增益、时间特性的调整。本发明的混合型光电倍增管的增益不仅仅局限于高增益，还可以通过MCP的有无或者多级MCP、外加电压值和宽禁带半导体探测器结构，实现宽增益范围(102‑106)内的调整，能够满足不同增益需求。

Description

一种基于微通道板的高增益混合型光电倍增管
技术领域
本发明属于核辐射探测领域，涉及一种基于微通道板的高增益混合型光电倍增管，能够用于脉冲辐射测量和单粒子探测等研究。
背景技术
基于闪烁体的探测方法在辐射探测、光谱学研究等领域得到广泛应用，做出过卓越贡献。这完全依赖于光电倍增管能够将闪烁体受射线激发产生的微弱的脉冲闪光信号转化和放大为可以测量的电信号。虽然目前也有半导体二极管用于闪烁体的发光测量，但光电倍增管仍然是应用最广泛的器件。因传统光电倍增管的脉冲输出幅度的统计分布较宽，使得利用闪烁体与传统的光电倍增管组合测量的脉冲幅度谱通常能量分辨率较差。而且在极微弱光的条件下，无法实现区分单光电子事件和多光电子事件，这就意味着无法有效区分信号和暗噪声。而且传统光电倍增管的渡越时间弥散较大，无法满足时间定时精度高的实验研究。
为了克服以上不足，利用半导体器件代替传统光电倍增管后端多级打拿级的混合型光电倍增管被设计出来。混合型光电倍增管是将光阴极产生的电子经外加电场加速后变成高能电子，轰击后端的半导体器件，在半导体器件中沉积能量，产生大量的电子空穴对后实现电子信号的放大通常能够达到几千倍放大。目前这种混合型光电倍增管多是基于硅半导体探测器的。为了进一步提高混合型光电倍增管的放大倍数一种就是无限增大外加电压值，这显然不切实际；另一种就是改变后端半导体器件结构，如利用雪崩二极管进一步对电子个数进行放大，但由于雪崩二极管多是基于硅材料制成，通常暗噪声大、耐辐照性能差，长时间使用性能会变差，不利于混合型光电倍增管优异性能的保持。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于微通道板的高增益混合型光电倍增管，利用MCP对光阴极发射的光电子先进性一次放大后，再进行加速，这样能够提高混合型光电倍增管的增益，并且提出利用耐辐照性能更好的宽禁带半导体探测器代替传统硅半导体探测器，以提高混合型光电倍增管的稳定性和耐辐照性能。能够在保证原有混合型光电倍增管的优异性能前提之下，实现较高的增益、较灵活的增益调节和较好的稳定性和耐辐照性能。
技术方案
一种基于微通道板的高增益混合型光电倍增管，其特征在于包括外壳3和底座6构成的真空腔室、宽禁带半导体探测器5、光阴极1、微通道板2、聚焦极4和调节分压比的三个分压电阻：第一电阻7、第二电阻8和第三电阻9；外壳3的前端设有入射窗，光阴极1覆于外壳入射窗内侧，光阴极1的下端设有微通道板2，微通道板2的下端设有带有缺口的V型的聚焦极4，缺口的下端设有宽禁带半导体探测器5，并置于底座6上；光阴极1与底座6之间施加电源，底座6为地，光阴极1为-HV；第一电阻7、第二电阻8和第三电阻9串联于-HV与地之间，且第二电阻8并联于微通道板2的两端；探测器的信号和电压引线通过底座引出壳体之外。
所述真空腔室的真空度为10-3Pa量级。
所述外壳采用石英玻璃制成，底座采用放气率低的陶瓷材料。
所述宽禁带半导体探测器5采用肖特基极二极管或PIN二极管结构，工作在反偏状态；探测器的入射面厚度控制在百纳米以下，灵敏层厚度控制在10μm～100μm之间，灵敏区直径在5mm-30mm之间。
所述宽禁带半导体探测器5采用CVD、CZT、GaO或SiC。
所述微通道板2采用BeO、MgO、Cs3Sb或负电子亲和材料。
所述负电子亲和材料为GaP(Cs)、GaP(ZnO)。
所述光阴极采用双碱、多碱或砷化镓光敏材料。
有益效果
本发明提出的一种基于微通道板的高增益混合型光电倍增管，在有光阴极后面放有的微通道板MCP，对光阴极产生的光电子进行放大，经过放大后的电子在外加电压下进行加速，并且运动轨迹受到聚焦极约束以保证高能电子能够轰击在宽禁带半导体探测器上。光阴极上能够加载6000V-20000V负高压，光阴极、MCP、聚焦极上的电压可以根据需要利用分压电路中三个分压电阻之间的比值实现灵活调整，从而实现增益、时间特性的调整。本发明的混合型光电倍增管的增益不仅仅局限于高增益，还可以通过MCP的有无或者多级MCP、外加电压值和宽禁带半导体探测器结构，实现宽增益范围102-106内的调整，能够满足不同增益需求。
本发明的优点：
1本发明利用耐辐照性能好的宽禁带半导体探测器代替了传统的硅半导体器件，使得混合型光电倍增管的性能稳定性得到提高，变得可靠。
2本发明可以降低混合型光电倍增管对超高外加电压的要求。在光阴极后端增加微通道板MCP，先对产生的光电子先进行一级放大，再由静电电场对电子进行加速，最后由宽禁带半导体进行探测。这样混合型光电倍增管的增益提高可以不用仅仅依靠提高外加电压的方法实现。
3本发明的增益可以进行调节，并且可实现较宽量程102倍至106倍范围内的调节。通过调节分压电阻之间的比例关系、外加电压值、MCP的级数或有无和宽禁带半导体探测器结构，便可实现增益的灵活调整。
4本发明具有时间响应快、定时精度高的特点。通过调节宽禁带半导体的尺寸大小、灵敏度层厚度等参数，可以实现亚纳秒时间响应。MCP型光电倍增管和低增益混合型光电倍增管的定时精度都较传统最快的光电倍增管的定时精度高2-3个量级。虽然两种结构进行结合后的时间性能会受到一定影响，但还是会较传统光电倍增管的1-2个量级。
5本发明的脉冲幅度输出统计性较较传统光电倍增管的好。虽然光阴极产生的电子经过MCP进行了放大，影响信号幅度的统计性，但由于最后一级的放大是由半导体探测器实现，而半导体探测器的能量分辨率通常较高，因此本发明的能量分辨率还是会较传统光电倍增管的能量分辨率高。
附图说明
图1：基于MCP的高增益混合型光电倍增管结构示意图
图2：MCP电子放大过程示意图
图3：基于MCP的高增益混合型光电倍增管工作示意图
附图标记如下：1-光阴极，2-微通道板MCP，3-外壳，4-聚焦极，5-宽禁带半导体，6-底座，7-第一分压电阻，8-第二分压电阻，9-第三分压电阻。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明提出基于MCP+宽禁带半导体探测器的混合型光电倍增管，该光电倍增管具有增益可调范围广、快时间响应、耐辐照、输出脉冲幅度统计性好等特点，能够满足不同实验研究需要。
从图1可以看出，本发明光电探测器主要包括由外壳及底座构成的真空腔体和位于底座中心位置的宽禁带半导体探测器，与探测器相对的外壳上为入射窗，入射窗内侧即与探测器相对的一侧覆盖有光电阴极，在光阴极后端依次放置MCP和金属聚焦极，光阴极、MCP和聚焦极之间通过分压电路进行连接。与宽禁带半导体探测器的入射面和出射面相连的电极从真空腔室中引出，分别与信号记录系统和偏置电压源连接。具体实施例中宽禁带半导体可以选择基于CVD、CZT、GaO、SiC等材料制作而成，结构可以基于肖特基极二极管或者PIN二极管，工作在反偏状态。这种无雪崩放大结构的半导体探测器的暗电流较小，性能稳定可靠。为减少电子进入半导体灵敏层之前损失的能量，半导体的入射层厚度控制在百纳米以下，半导体灵敏层厚度在10μm～100μm之间，灵敏区直径在5mm-30mm之间，光阴极采用双碱、多碱或砷化镓等光敏材料，MCP采用BeO、MgO、Cs3Sb和负电子亲和材料如GaPCs、GaPZnO等等高次级电子发射率材料以提高电子放大倍数。为了保证真空腔室的真空度，外壳和底座需要选择放气少的材料，因此分别选择石英玻璃和陶瓷制作外壳和底座。
图2为本发明的工作过程示意图，闪烁体或其它光源发光经入射窗与光阴极作用产生光电子，光电子经光阴极与MCP之间的电场加速进入MCP中，经过如图3所示的电子倍增过程后形成更多的倍增电子，这些倍增电子经过MCP与宽禁带半导体探测器之间的电场即加速电场加速以及聚焦极的汇聚作用后与宽禁带半导体探测器作用，沉积能量，在半导体内部产生大量的电子空穴对，电子空穴对在半导体探测器偏置电压作用下向两极扩散，形成电流脉冲信号输出。
加速电场通常在几千至几万伏，由MCP倍增后的电子可以获得几keV至几十keV的能量，这些电子与宽禁带半导体探测器作用，在探测器内形成大量的电子空穴对，根据射线子在宽禁带半导体材料中产生一对电子空穴对所需平均能量，可以推算出通过宽禁带半导体探测器后可以将信号放大约几百倍至一千倍左右，而前端通过一级或多级MCP实现千倍的放大是很容易便可实现的，因此通过调节MCP的有无和级数，便可以实现百倍增益至106倍增益之间的调节。
本发明的时间响应速度主要取决于光电子MCP电子倍增过程导致的时间弥散、倍增电子加速、聚焦过程中的飞行时间弥散以及宽禁带半导体探测器的时间响应。为保证器件较快的时间响应，需要减小光电子加速、聚焦过程中得时间弥散，采用快响应的半导体探测器。一般来讲，减小光阴极面积，加强外加电场，对于减小电子飞行时间弥散是有利的。

Claims (8)

1.一种基于微通道板的高增益混合型光电倍增管，其特征在于包括外壳(3)和底座(6)构成的真空腔室、宽禁带半导体探测器(5)、光阴极(1)、微通道板(2)、聚焦极(4)和调节分压比的三个分压电阻：第一电阻(7)、第二电阻(8)和第三电阻(9)；外壳(3)的前端设有入射窗，光阴极(1)覆于外壳入射窗内侧，光阴极(1)的下端设有微通道板(2)，微通道板(2)的下端设有带有缺口的V型的聚焦极(4)，缺口的下端设有宽禁带半导体探测器(5)，并置于底座(6)上；光阴极(1)与底座(6)之间施加电源，底座(6)为地，光阴极(1)为-HV；第一电阻(7)、第二电阻(8)和第三电阻(9)串联于-HV与地之间，且第二电阻(8)并联于微通道板(2)的两端；探测器的信号和电压引线通过底座引出壳体之外。
2.根据权利要求1所述基于微通道板的高增益混合型光电倍增管，其特征在于：所述真空腔室的真空度为10-3Pa量级。
3.根据权利要求1所述基于微通道板的高增益混合型光电倍增管，其特征在于：所述外壳采用石英玻璃制成，底座采用放气率低的陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述基于微通道板的高增益混合型光电倍增管，其特征在于：所述宽禁带半导体探测器(5)采用肖特基极二极管或PIN二极管结构，工作在反偏状态；探测器的入射面厚度控制在百纳米以下，灵敏层厚度控制在10μm～100μm之间，灵敏区直径在5mm-30mm之间。
5.根据权利要求1或4所述基于微通道板的高增益混合型光电倍增管，其特征在于：所述宽禁带半导体探测器(5)采用CVD、CZT、GaO或SiC。
6.根据权利要求1或4所述基于微通道板的高增益混合型光电倍增管，其特征在于：所述微通道板(2)采用BeO、MgO、Cs3Sb或负电子亲和材料。
7.根据权利要求6所述基于微通道板的高增益混合型光电倍增管，其特征在于：所述负电子亲和材料为GaP(Cs)、GaP(ZnO)。
8.根据权利要求1或4所述基于微通道板的高增益混合型光电倍增管，其特征在于：所述光阴极采用双碱、多碱或砷化镓光敏材料。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111596335A (zh) * 2020-05-26 2020-08-28 上海仁机仪器仪表有限公司 一种机载吊舱辐射环境监测装置
CN112484849A (zh) * 2020-11-23 2021-03-12 北京卫星环境工程研究所 集成化空间远紫外辐射探测器及其量子效率测试系统
CN114093743A (zh) * 2021-11-25 2022-02-25 上海集成电路研发中心有限公司 一种光敏传感器及其制备方法
WO2022060881A1 (en) * 2020-09-16 2022-03-24 Amir Massoud Dabiran A multi-purpose high-energy particle sensor array and method of making the same for high-resolution imaging
WO2023092819A1 (zh) * 2021-11-25 2023-06-01 上海集成电路研发中心有限公司 鳍式半导体器件及其制备方法
WO2024119804A1 (zh) * 2022-12-08 2024-06-13 广西大学 一种微结构气体探测器的气体电子倍增微通道板

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5374826A (en) * 1992-12-17 1994-12-20 Intevac, Inc. Hybrid photomultiplier tube with high sensitivity
US5475227A (en) * 1992-12-17 1995-12-12 Intevac, Inc. Hybrid photomultiplier tube with ion deflector
CN1809742A (zh) * 2003-06-25 2006-07-26 浜松光子学株式会社 时间分解测定装置及位置检测型电子倍增管
CN101393053A (zh) * 2008-10-29 2009-03-25 西安理工大学 基于三代近贴式像增强器在常温下局部选通的微光探测器
CN108195405A (zh) * 2018-03-06 2018-06-22 中国科学技术大学 微通道板离子探测电路
CN108428761A (zh) * 2018-03-19 2018-08-21 西北核技术研究所 基于SiC宽禁带半导体探测器的大电流百倍增益光电探测器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5374826A (en) * 1992-12-17 1994-12-20 Intevac, Inc. Hybrid photomultiplier tube with high sensitivity
US5475227A (en) * 1992-12-17 1995-12-12 Intevac, Inc. Hybrid photomultiplier tube with ion deflector
CN1809742A (zh) * 2003-06-25 2006-07-26 浜松光子学株式会社 时间分解测定装置及位置检测型电子倍增管
CN101393053A (zh) * 2008-10-29 2009-03-25 西安理工大学 基于三代近贴式像增强器在常温下局部选通的微光探测器
CN108195405A (zh) * 2018-03-06 2018-06-22 中国科学技术大学 微通道板离子探测电路
CN108428761A (zh) * 2018-03-19 2018-08-21 西北核技术研究所 基于SiC宽禁带半导体探测器的大电流百倍增益光电探测器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
陈亮,阮金陆等: ""精确测量质子束流强度的同轴法拉第探测器"", 《第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111596335A (zh) * 2020-05-26 2020-08-28 上海仁机仪器仪表有限公司 一种机载吊舱辐射环境监测装置
WO2022060881A1 (en) * 2020-09-16 2022-03-24 Amir Massoud Dabiran A multi-purpose high-energy particle sensor array and method of making the same for high-resolution imaging
US11747493B2 (en) 2020-09-16 2023-09-05 Amir Massoud Dabiran Multi-purpose high-energy particle sensor array and method of making the same for high-resolution imaging
CN112484849A (zh) * 2020-11-23 2021-03-12 北京卫星环境工程研究所 集成化空间远紫外辐射探测器及其量子效率测试系统
CN114093743A (zh) * 2021-11-25 2022-02-25 上海集成电路研发中心有限公司 一种光敏传感器及其制备方法
WO2023092819A1 (zh) * 2021-11-25 2023-06-01 上海集成电路研发中心有限公司 鳍式半导体器件及其制备方法
CN114093743B (zh) * 2021-11-25 2024-01-16 上海集成电路研发中心有限公司 一种光敏传感器及其制备方法
WO2024119804A1 (zh) * 2022-12-08 2024-06-13 广西大学 一种微结构气体探测器的气体电子倍增微通道板

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