CN110571125B - 一种气体光电倍增管 - Google Patents

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Abstract

一种气体光电倍增管，包括：读出阳极板(1)；微网电极结构(2)，由n层微网电极(21)通过支撑结构(3)级联而成，该支撑结构(3)固定在读出阳极板(1)上，其中，上一层微网电极(21)的微孔与其下一层微网电极(21)的微孔错位，微网电极(21)之间形成气体雪崩放大区；入射窗(4)，其形成于微网电极结构(2)上方，通过外壳(6)与读出阳极板(1)相连，将微网电极结构(2)及支撑结构(3)密封；光电阴极(5)，其形成在微网电极结构(2)上，或形成于入射窗(4)的内表面；其中，密封结构内部填充有用于电子漂移和雪崩倍增的工作气体。该光电倍增管离子反馈率低于0.01％，增益高于105，且易大面积制作、成本低、结构紧凑。

Description

一种气体光电倍增管
技术领域
本发明涉及微结构气体探测器和光电探测技术领域，尤其涉及一种气体光电倍增管。
背景技术
微结构气体探测器(MPGD)，如微网格气体探测器(Micromegas)，因其特有的优势，诸如易于制作成大的灵敏面积，具有良好的位置和时间分辨能力，能够稳定工作在较强的磁场环境下，造价低廉等，得到了非常广泛的关注和研究。其中，一类非常有价值的应用，就是基于MPGD的新型的光电探测器，要求光电子倍增探测器具有＞105的高增益和极低的正离子反馈率(IBFR)。
目前国内外普遍研究的方案，多是采用多种气体探测器混合结构，利用微孔型的气体电子倍增器(GEM或THGEM)作为预放大，Micromegas进行二级放大，从而得到足够高的增益作为光子探测器的读出。但是，多种探测器混合将受限于不同探测器的结构，特征参数，相对结构比较复杂，而且仍未能取得令人满意的低IBFR效果。
对于气体光电倍增管(GPMT)，从单光电子探测和保护光阴极两个方面需求出发，要求探测器具有高于105的增益和低于0.01％的极低离子反馈(保护对可见光灵敏的光阴极)。现有技术中采用多层GEM探测器微网混合的方式制作的GPMT，其IBFR约为1％，不能满足光电探测器中保护光阴极的需求。而采用GEM膜、MHSP膜和F-R-MHSP膜混合的方式构成光电子的雪崩放大区的GPMT，其IBFR最低能实现0.03％。因此，现有的GPMT均不能同时满足高于105的增益和低于0.01％的极低离子反馈的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于上述技术问题，本发明提出一种气体光电倍增管，用于解决现有技术中光电探测器的高增益和低离子反馈率不能同时兼容、结构复杂，稳定性不高等问题。
(二)技术方案
本发明提出一种气体光电倍增管，包括：读出阳极板1；微网电极结构2，由n层微网电极21通过支撑结构3级联而成，上述支撑结构3固定在上述读出阳极板1上，其中，上一层微网电极21的微孔与其下一层微网电极21的微孔错位，微网电极21之间形成气体雪崩放大区，n为大于等于3的整数；入射窗4，其形成于上述微网电极结构2上方，通过外壳6与上述读出阳极板1相连，将上述微网电极结构2及上述支撑结构3密封；光电阴极5，其形成在上述微网电极结构2上，或形成于上述入射窗4的内表面；其中，上述密封结构内部填充有用于电子漂移和雪崩倍增的工作气体。
可选地，上述微网电极21的厚度为10-30微米，上述雪崩放大区的宽度为50-300微米。
可选地，上述微网电极21的光学透过率为30％-70％。
可选地，上述微网电极21表面施加有大于20N/cm的张力。
可选地，远离上述读出阳极板1的雪崩放大区的宽度大于靠近上述读出阳极板1的雪崩放大区的宽度。
可选地，上述微网电极结构2由三层微网电极21级联而成，上层雪崩放大区和中层雪崩放大区的宽度为200-300微米，下层雪崩放大区的宽度为50-150微米。
可选地，上述读出阳极板1镀有锗膜作为阻性阳极，上述阻性阳极的厚度为100-300纳米。
可选地，上述光电阴极5的材料为碘化铯或类金刚石结构碳或碱基半导体。
可选地，上述工作气体为惰性气体与负电性气体的混合气体。
可选地，上述外壳6的材料为气体释放率小于预设值的陶瓷或金属材料，上述入射窗4的材料为氟化镁或石英玻璃或常规玻璃。
(三)有益效果
本发明提出一种气体光电倍增管，有益效果为：
1、该气体光电倍增管采用多层微网电极级联结构作为气体放大区，可大幅度降低正离子的反馈率(低于0.01％)，增加气体光电倍增管的寿命。同时，该多层微网电极级联结构作为气体放大区，也可提升气体光电倍增管的增益(高于105)及稳定性。
2、多层微网电极级联结构具有易大面积制作、成本低、结构紧凑(1毫米量级)高位置分辨等优点，从而大大扩展或取代常规光电倍增管的应用，具有广泛的商业化应用前景。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例透射式气体光电倍增管的结构图。
图2示意性示出了本发明实施例提供的读出阳极板的结构图。
图3示意性示出了本发明实施例反射式气体光电倍增管的结构图。
【附图标记】同一结构采用同一附图标记
1-读出阳极板
11-阻性阳极
12-信号读出板
13-金属电极
14-阳极板
2-微网格电极结构
21-微网电极
3-支撑结构
4-入射窗
5-光电阴极
6-外壳
E-电子漂移区
G-工作气体
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提出一种气体光电倍增管，包括：读出阳极板1；微网电极结构2，由n层微网电极21通过支撑结构3级联而成，该支撑结构3固定在读出阳极板1上，其中，上一层微网电极21的微孔与其下一层微网电极21的微孔错位，微网电极21之间形成气体雪崩放大区，n为大于等于3的整数；入射窗4，其形成于微网电极结构2上方，通过外壳6与读出阳极板1相连，将微网电极结构2及支撑结构3密封；光电阴极5，其形成在微网电极结构2上，或形成于入射窗4的内表面；密封结构内部填充有用于电子漂移和雪崩倍增的工作气体。
其中，当光电阴极5形成于入射窗4的内表面时，气体光电倍增管为透射式气体光电倍增管。当光电阴极5形成在微网电极结构2上时，气体光电倍增管为反射式气体光电倍增管。
图1示意性示出了本发明实施例透射式气体光电倍增管的结构图。如图1所示，该气体光电倍增管(GPMT)包括：
读出阳极板1，其结构示意图如图2所示，包括阻性阳极11、信号读出板12、金属电极13及阳极板14。可以采用陶瓷基板作为阳极板14，镀锗膜作为阻性阳极11，镀膜厚度控制可以为100-300纳米，以保证合适的电阻率。信号读出通过在GPMT外侧耦合金属电极13实现，比如利用条形或像素电极可以实现位置灵敏读出。该种读出阳极板设计非常灵活。
微网电极结构2，由n层微网电极21通过支撑结构3级联而成，该支撑结构3固定在读出阳极板1上，其中，上一层微网电极21的微孔与其下一层微网电极21的微孔错位，微网电极21之间形成气体雪崩放大区，n为大于等于3的整数。
每层微网电极21的厚度可以为10-30微米，光学透过率(或开窗率)可以在30％-70％之间。利用高硬度且低气体释放(低于实际需求的预设值)的陶瓷材料固定高张力微网，微网电极张力保持在25N/cm以上。微网电极21之间构成雪崩放大区的宽度可以为50-300微米。为保证较高的增益，一般情况下，远离读出阳极板1的雪崩放大区的宽度大于靠近读出阳极板1的雪崩放大区的宽度。
在本发明一实施例中，微网电极结构2由三层微网电极21级联而成，上层雪崩放大区和中层雪崩放大区的宽度较宽，为200-300微米，下层雪崩放大区的宽度较窄，为50-150微米。
微网电极21的微孔错位方式可以采用相邻的微网相对选择一定角度或采用不同规格微网两种方式实现。
入射窗4，其形成于微网电极结构2上方，通过外壳6与读出阳极板1相连，将微网电极结构2及支撑结构3真空密封。针对紫外光探测，可以采用透性强的晶体(如MgF2)作为入射窗4，而对可见光波段则可以采用常规玻璃或石英玻璃。外壳6可以采用气体密封型且低气体释放(低于实际需求的预设值)的材料，一般为金属和陶瓷材料，并和入射窗密封封装成一体，实现工作气体密封。
光电阴极5，其形成于入射窗4的内表面。光电阴极5材料对于紫外波段可以采用CsI镀膜或者类金刚石结构碳(DLC)镀膜，对于可见光波段则可以采用碱基或半导体光阴极。
其中，密封结构内部填充有用于电子漂移和雪崩倍增的工作气体F。工作气体F例如可以是惰性气体(氩、氖、氙气等)和负电性气体(如四氟化碳、甲烷等)混合气体。
图3示意性示出了本发明实施例反射式气体光电倍增管的结构图。如图3所示，该GPMT与上述GPMT不同之处在于光电阴极5形成在微网电极结构2最上层的微网电极21上，其它结构与上述GPMT相同，此处不再赘述。
本发明实施例提供的GPMT，由于其采用多层微网电极级联结构作为气体放大区，微网电极微孔错位，可以最大限度地使得雪崩放大区的电场线终结在金属网上，大幅度降低正离子的反馈率(低于0.01％)，从而减缓正离子对光阴极的损伤，增加气体光电倍增管的寿命。同时，该多层微网电极级联结构作为气体放大区，上层放大区采用较宽的气隙，以增加电子的横向分布，降低电子分布密度，下层放大区(T)采用窄间隙，以提高有效增益，从而确保超高的总增益(高于105)及良好的稳定性。并且多层微网电极级联结构具有易大面积制作、成本低、结构紧凑(1毫米量级)等优点，从而大大扩展气体电子倍增管的应用范围，具有广泛的前景。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种气体光电倍增管，包括：
读出阳极板（1）；
微网电极结构（2），由n层微网电极（21）通过支撑结构（3）级联而成，所述支撑结构（3）固定在所述读出阳极板（1）上，其中，上一层微网电极（21）的微孔与其下一层微网电极（21）的微孔错位，微网电极（21）之间形成气体雪崩放大区，n为大于等于3的整数，其中，所述微网电极（21）的厚度为10-30微米，所述雪崩放大区的宽度为50-300微米，远离所述读出阳极板（1）的所述气体雪崩放大区的宽度大于靠近所述读出阳极板（1）的所述气体雪崩放大区的宽度；
入射窗（4），其形成于所述微网电极结构（2）上方，通过外壳（6）与所述读出阳极板（1）相连形成密封结构，将所述微网电极结构（2）及所述支撑结构（3）密封；
光电阴极（5），其形成在所述微网电极结构（2）上，或形成于所述入射窗（4）的内表面；
其中，所述密封结构内部填充有用于电子漂移和雪崩倍增的工作气体。
2.根据权利要求1所述的气体光电倍增管，其中，所述微网电极（21）的光学透过率为30%-70%。
3.根据权利要求1所述的气体光电倍增管，其中，所述微网电极（21）表面施加有大于20N/cm的张力。
4.根据权利要求1所述的气体光电倍增管，所述微网电极结构（2）由三层微网电极（21）级联而成，上层雪崩放大区和中层雪崩放大区的宽度为200-300微米，下层雪崩放大区的宽度为50-150微米。
5.根据权利要求1所述的气体光电倍增管，其中，所述读出阳极板（1）镀有锗膜作为阻性阳极，所述阻性阳极的厚度为100-300纳米。
6.根据权利要求1所述的气体光电倍增管，其中，所述光电阴极（5）的材料为碘化铯或类金刚石结构碳或碱基半导体。
7.根据权利要求1所述的气体光电倍增管，其中，所述工作气体为惰性气体与负电性气体的混合气体。
8.根据权利要求1所述的气体光电倍增管，其中，所述外壳（6）的材料为气体释放率小于预设值的陶瓷或金属材料，所述入射窗（4）的材料为氟化镁或石英玻璃或常规玻璃。
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