CN110828276B - 一种拥有混合电子倍增系统的大面积光电倍增管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拥有混合倍增系统的大面积光电倍增管，包括：真空玻璃容器、光阴极、电子倍增系统、阳极以及供电极。所述光阴极、电子倍增系统以及阳极置于所述真空玻璃容器内，所述阳极通过信号引线穿过所述真空玻璃容器与外部电路相连，所述供电极通过电源线穿过所述真空玻璃容器与外部供电电路相连。所述光阴极覆盖在所述真空玻璃容器除柄口处的全部内表面上；所述倍增系统置于真空玻璃容器内部柄口处，包括第一级球形打拿极和第二级微通道板组件，能够接收所述光阴极产生的各个方向的光电子并产生倍增电子。本发明同时兼具大光阴极覆盖面积和高光电子收集效率的优点。

Description

一种拥有混合电子倍增系统的大面积光电倍增管

技术领域

本发明属于真空光电探测器技术领域，尤其涉及一种拥有混合电子倍增系统的大面积光电倍增管，特别是将近全球面光阴极产生的光电子收集到由球形打拿极与微通道板共同构成的混合电子倍增系统中的光电倍增管。

背景技术

光电倍增管（Photomultiplier Tube简称PMT）是建立在外光电子发射效应、二次电子发射效应和电子光学理论的基础上，能够将微弱光信号转换成光电子并获得倍增效应的真空光电探测器件。光电倍增管种类繁多，根据入射窗不同可分为端窗式、侧窗式以及新兴发展起来的大面积光电倍增管，其中，大面积光电倍增管由于光阴极覆盖面积大，具备光子计数能力，被广泛应用于大规模中微子以及宇宙射线等实验中。

传统的大面积光电倍增管如图4，外壳1采用椭球形或近球形真空玻璃球壳，阴极2覆盖球壳内表面一部分，中心沉底处放置打拿极电子倍增系统3，为了获得理想的电子增益，打拿极的个数一般为8~16个不等，打拿极末端设置传统的大面积光电倍增管阳极收集极4。当光照射球壳时，入射光子5会在光电阴处发生外光电效应产生光电子6，光电子在内部电场的作用下被打拿极收集，并在电场力的作用下逐级倍增，最终倍增后的电子被阳极收集，并作为信号输出。

大面积打拿极型光电倍增管中，打拿极的开口较大，几乎可以收集来自光阴极的全部光电子并倍增，收集效率接近100%。

大面积光电倍增管渡越时间弥散c是一项反映其性能的重要指标，它主要由两部分组成：光电子从光电阴极到第一级打拿极的渡越时间弥散a和电子在多级打拿极中逐级倍增形成的渡越时间弥散b。由于打拿极结构体积较大，级数较多，电子在其中倍增势必会形成较大的渡越时间弥散b。因而打拿极型光电倍增管通常采用椭球形外壳，将第一打拿极置于椭球中心处，以尽量减小光电子从光阴极到打拿极的渡越时间弥散a，从而将总的电子渡越时间弥散c控制在较理想的水平。但这种结构中的打拿极体积大且居于球壳中心，会对下半球面光电子的收集造成遮挡，因此光阴极无法覆盖整个球面，以日本滨松光子株式会社（Hamamatsu）生产的20英寸光电倍增管R1449、R3600、R7250为例，其玻壳外径均为508mm，但光电阴极覆盖范围仅占到上半球面的一小部分，其有效直径分别为460mm、460mm以及430mm。这一缺陷违背了大面积光电倍增管的大阴极面积的设计初衷，不能完全满足当前极限微光探测实验对探测器光阴极覆盖率的要求。

申请号为200910147915.4以及申请号为201410104388.X的中国专利申请公开了一种大面积微通道板型光电倍增管，如图5，该管型包括玻璃外壳7、光电阴极8、聚焦电极9、微通道板电子倍增系统10、收集极阳极11、供电和阳极引线12以及支撑杆13。

该发明公开的光电倍增管，采用球形玻璃外壳，用微通道板代替传统的打拿极电子倍增系统，并将其置于球壳中心，由于微通道板体积小，几乎不会对光电子的收集造成遮挡，可实现除柄口处的近全球面光电子的有效收集。该发明有效扩大了光阴极覆盖面积。

然而将微通道板作为电子倍增系统有一个重大的缺陷：电子收集效率较低。微通道板（如图6）是一个呈蜂窝状结构的小玻璃盘，由几百万个微通道14构成，每个通道都是一个独立的电子倍增器，上下表面镀有金属电极15，当光电子在电场力的作用下运动到微通道板时，一部分会撞击其实体电极部分而损失，只有进入微通道板的通道中的光电子才称之为被有效收集，因而，一般微通道板型光电倍增管的收集效率较低，不会超过其开口面积比（大约70%左右），严重影响了探测效率等性能指标。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种同时兼具大光阴极覆盖面积和高电子收集效率的大面积光电倍增管。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本发明提出的一种拥有混合电子倍增系统的大面积光电倍增管，包括：真空玻璃容器、用来接收光照并产生光电子的光阴极、用来收集从光阴极发射出来的光电子并产生倍增电子的电子倍增系统、用来收集所述电子倍增系统所产生的倍增电子的阳极和用来供电给所述光阴极、电子倍增系统以及阳极的供电极，所述光阴极、电子倍增系统以及阳极置于所述真空玻璃容器内，所述阳极通过信号引线穿过所述真空玻璃容器与外部信号处理电路相连，所述供电极通过电源线穿过所述真空玻璃容器与外部供电电路相连。其中，所述光阴极均匀覆盖在所述真空玻璃容器除柄口处的全部内表面上；其中，所述电子倍增系统为小体积沉底式混合倍增系统，置于所述真空玻璃容器的内部柄口处，包括第一级打拿极和第二级微通道板组件。第一级打拿极为球形打拿极，有两个切割面，形成两个开口，一个开口面向真空玻璃容器主体内部，用于收集所述光阴极产生的各个方向的光电子，另一个开面向微通道板组件，面积小于或等于微通道板，用于向其输送一级倍增电子。第二级微通道板组件中，每组微通道板具有输入电极和输出电极，输入电极面向与之相对的所述球形打拿极一侧开口，输出电极面对所述阳极放置。

为了探测来自各个方向的入射光，提升光阴极覆盖面积，所述倍增系统为小体积沉底式混合倍增系统。一方面，由于倍增系统体积小，可获得较小的渡越时间弥散b；另一方面，倍增系统沉底式设计虽然一定程度上会增大渡越时间弥散a,但由于光电子在真空中电场力的作用下做近直线运动造成的弥散a远小于弥散b，因此，总的电子渡越时间弥散c仍可控制在较的理想的水平。小体积沉底式混合倍增系统的设计不会对下半球面的光电子的收集造成遮挡，极大地提升了光阴极的覆盖面积，所述光阴极等同厚度地涂镀在所述真空玻璃容器除柄口处的全部内表面上，其厚度和结构依据具体使用需要而定，所述光阴极材料可以为双碱或多碱金属材料，电势在整个光电倍增管中最低。

为了提高光电子收集效率，电子倍增系统应包括球形打拿极和微通道板组件两个部分。其中，打拿极为倍增系统的第一级，用于收集光电子并对其进行一级倍增；微通道板组件为倍增系统的第二级，用于对一级倍增电子进行进一步倍增，以达到增益要求。所述一级打拿极置于真空容器内部玻璃柄口处，其电势高于光阴极，微通道板竖直放置于第一打拿极之后，电极电势高于第一级打拿极。光电子收集效率被定义为第一打拿极收集到的光电子和总光电子的百分比，该混合倍增系统中第一级为打拿极，开口较大，可有效提升光电子的收集效率。

由于倍增后的次级电子有一定的发射角度弥散和能量弥散，为了防止一级倍增电子的不定向运动造成的损失，所述打拿极为球形，有两个切割面形成两个朝向的开口。一方面，球形打拿极的实体遮挡，可有效防止电子向各个方向的发散运动；另一方面，球形打拿极的设计可以产生从打拿极全球面垂直指向微通道板的聚焦电场，从而带动一级倍增电子从打拿极向微通道板做定向运动。

本发明的进一步改进，所述真空玻璃容器为球形或椭球形，形状由工程中对光电子渡越时间弥散的具体要求而定。

根据增益的需要，所述微通道板组件由单片或多片“V”型级联的微通道板组成，微通道板的输入电极（低电势面）面向所述球形打拿极，输出电极（高电势面）面向所述阳极。

本发明的进一步改进，阳极放平行放置于所述微通道板输出电极正后方，面积大于或等于微通道板，其电势高于微通道板的输出电极电势，用于接收倍增后的电子流。

本发明的进一步改进，所述电子倍增系统及阳极通过一绝缘杆置于所述真空玻璃容器内部柄口处。

为提升光电子的收集效率，所述倍增系统、阳极以及绝缘杆被屏蔽桶包围。

由上述技术方案可知，本发明利用小体积沉底式混合倍增系统的设计，避免了倍增系统对下半球面光电子收集的遮挡，实现了光阴极的近全球面覆盖；通过球形打拿极和微通道板的混合倍增系统的设计，将打拿极设计为第一倍增系统，利用其较大的开口面积，提高了光电子的收集效率。同时，第二级微通道板组件的存在，保证了较高的电子增益；利用球形打拿极的设计，有效防止了一级倍增电子由于初始发射角度及能量的弥散造成的外溢损失。

附图说明

图1为本发明的光电倍增管的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明的光电倍增管的电子倍增系统的电场模拟结果示意图；

图3为屏蔽桶结构示意图。

图4为传统技术中大面积打拿极光电倍增管的结构示意图；

图5为大面积微通道板光电倍增管结构示意图；

图6为微通道板示意图；

图示说明：

1、外壳；2、阴极；3、打拿极电子倍增系统；4、阳极收集极；5、入射光子；6、光电子；7、玻璃外壳；8、光电阴极；9、聚焦电极；10、微通道板电子倍增系统；11、收集极阳极；12、供电和阳极引线；13、支撑杆；14、微通道；15、金属电极；16、光阴极；17、电子倍增系统；171、打拿极；172、微通道板组件；18、阳极；19、屏蔽桶；20、供电及信号引出线；21、真空玻璃容器；22、绝缘杆。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

图1是本发明一种拥有混合电子倍增系统的大面积光电倍增管的一个实施例的结构示意图。

如图1所示，本发明的一种拥有混合电子倍增系统的大面积光电倍增管主要包括光阴极16，电子倍增系统17，阳极18，屏蔽桶19以及供电及信号引出线20。本发明的光电倍增管的上述组成部分都置于真空玻璃容器21中，所述真空玻璃容器可以为球形或椭球形，具体形状视工程中对光电子渡越时间弥散的要求而定，这里以椭球形的真空透光容器来详细说明本发明，但并不限制本发明的保护范围。为了提升光阴极覆盖面积，所述光阴极覆盖沉积在所述真空容器21的内表面，覆盖范围为除玻璃柄口处的整个真空容器内表面；同时为了提高光电子的收集效率，所述电子倍增系统分为第一级打拿极171和第二级微通道板组件172，打拿极开口较大，利于收集来自各个方向的光电子并产生倍增电子，之后通过阳极18收集并输出被放大之后的电流信号。这里所述的供电和信号引线20为了示意效果在图1中显示为一条线，所述供电线作为所述光阴极16、电子倍增系统17以及阳极18的供电线，以此使他们之间依次形成电势差，所述信号引出线可作为阳极18的信号引线，用来输出放大之后的电流信号。

上述光阴极沉积在真空容器接近全部内表面的设计方法，使得来自各个方向的入射光子在穿透真空容器壁时，在入射处的光阴极中被转换为光电子，最大程度地增大了光阴极的覆盖范围。光阴极可以采用适当的光阴极材料，厚度一致地涂镀在所述真空透光容器的全部内表面上，其中所述光阴极材料可以为双碱或多碱金属材料，并且在涂镀的过程中其厚度和结构依据具体使用需要而定。光阴极电势在整个光电倍增管中最低，一般为0V。

上述光电倍增管采用了混合电子倍增系统，该系统包括第一级打拿极171和第二级微通道板组件172两部分。

倍增系统采用沉底设计，有利于全球面光电子的收集，保证了光阴极的全球面覆盖方案得以实现。

上述混合电子倍增系统中，第一打拿极为球形打拿极171，有两个切割面，切割面的夹角在可行范围内视微通道板的摆放位置而定，本实施例中该球形打拿极的两个切割面相互垂直，形成两个互相垂直的开口，一个开口面向真空玻璃容器主体内部，用来收集来自近全球面的光电子，另一个开口面向微通道板，用来向微通道板输送一级倍增电子。这种设计有两方面的好处：一方面，打拿极开口较大，使得光电子的收集效率较高。利用有限积分法对该大面积混合倍增极型光电倍增管进行了结构性能模拟，结果显示，该结构的光电倍增管全球面光电子的收集效率可达99.6%。；另一方面，由于一次倍增电子具备一定的初始发射角度和能量弥散，球形打拿极的设计除了可以实体阻挡一次倍增电子向周围屏蔽壳运动而造成的电子损失，也可以产生指向微通道板表面的聚焦电场，有利于带动一次倍增电子向微通道板做定向运动。利用有限积分法得到的电场模拟结果如图2，从打拿极的横截面图（左）及侧面图（右）来看，球形打拿极内部电场指向微通道板（黑色曲线为等势线）。为了实现电子的有效收集，球形打拿极的电势一般应高于光阴极，为200~800V可调。

第二级微通道板组件172的个数视具体对增益的工程要求而定，可以是单个微通道板，也可以多个“V”型级联，本实施例中采用两个微通道板级联方式，每个微通道板的输入电极面向打拿极，输出电极面向阳极。为了实现一次倍增电子的高效收集，微通道板的面积应大于或等于与相对的打拿极的开口面积，第一片微通板输入电极的电势应高于打拿极，与打拿极的电势差为200~800V可调。为了得到理想的倍增效果，使光电倍增管在探测弱光或进行单个光子测量计数时能够得到足够的电子放大倍数，微通道板的偏置电压为600~1000V可调，两片微通道板的间隙电压为100~800V可调。

上述阳极18为倍增电子的收集极，接收来自微通道板的电子流。所述阳极与传统光电倍增管的一样，可以采用铜片或者其他金属材料，阳极的面积应大于或等于微通道板的面积，以便更好地收集来自微通道板的电子流，阳极的电势应最高，一般与最后一片微通道板输出电极的电势差为100~500V可调。

上述倍增系统和阳极，由绝缘杆22支撑，通常为陶瓷架。光阴极、电子倍增系统和阳极所需要的供电电源线以及阳极信号引出线20置于绝缘杆中，在金属引线和陶瓷支架之间可以采用熔焊工艺保持真空密封。

为了得到较高的光电子收集效率，上述倍增系统、阳极组合以及绝缘杆被屏蔽桶包围，屏蔽桶与光阴极同电位，图3为其结构示意，由于微通道板及阳极电势均高于球形打拿极电势，为了不影响第一打拿极对光电子的收集，该屏蔽桶顶部设计为半闭合结构，有效遮挡了微通道板组件及阳极，避免其电场外溢。

这样，当光阴极、电子倍增系统以及阳极都加上工作电压之后，所述光阴极与电子倍增系统之间形成聚焦电场，电子倍增系统与阳极形成收集电场，光照从密封容器的外壳进入透光阴极产生光电子，在聚焦电场的加速下被电子倍增器收集，电子经过倍增放大后的电子流在收集电场的加速下进入阳极，收集之后的电流信号作为最终信号输出。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种拥有混合电子倍增系统的大面积光电倍增管，包括：真空玻璃容器、用来接收光照并产生光电子的光阴极、用来收集从光阴极发射出来的光电子并产生倍增电子的电子倍增系统、用来收集所述电子倍增系统所产生的倍增电子的阳极以及用来供电给所述光阴极、电子倍增系统以及阳极的供电极，所述光阴极、电子倍增系统以及阳极置于所述真空玻璃容器内，所述电子倍增系统和阳极周围环绕一层的屏蔽桶，所述阳极通过信号引线穿过所述真空玻璃容器与外部信号处理电路相连，所述供电极通过电源线穿过所述真空玻璃容器与外部供电电路相连，其特征在于，

所述光阴极按照均匀厚度涂镀在所述真空玻璃容器除柄口处的全部内表面上，其厚度和结构依据具体工程需要而定，材料为双碱或多碱金属材料；

所述电子倍增系统为小体积沉底式混合倍增系统，置于所述真空玻璃容器的内部柄口处，所述真空玻璃容器为球形或椭球形结构，包括第一级打拿极和第二级微通道板组件，第一级打拿极为球形打拿极，有两个切割面，形成两个开口，一个开口面向真空玻璃容器主体内部，用于收集所述光阴极产生的各个方向的光电子，另一个开面向微通道板组件，面积小于或等于微通道板，用于向其输送一级倍增电子；第二级微通道板组件中，每组微通道板具有输入电极和输出电极，输入电极面向与之相对的所述球形打拿极一侧开口，输出电极面对所述阳极放置，所述微通道板组件由单片或多片“V”型级联的微通道板组成，阳极平行放置于所述微通道板组件输出电极正后方，面积大于或等于微通道板；

所述电子倍增系统及阳极通过一绝缘杆置于所述真空玻璃容器内部柄口处，光阴极、电子倍增系统以及阳极所需要的供电电源线以及阳极信号引出线置于绝缘杆中，所述绝缘杆为陶瓷绝缘杆，金属引线和陶瓷绝缘杆之间采用熔焊工艺保持真空密封。

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