CN111261490B - 用于光电倍增管的球形倍增器及光电倍增管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于光电倍增管的球形倍增器及光电倍增管，包括陶瓷基板、一对椭球面形打拿极瓦片以及一对锥形倍增瓦片；一对锥形倍增瓦片被设置成旋转对称分布，并且被包围在呈旋转对称的一对椭球面形打拿极瓦片的中央位置；一对椭球面形打拿极瓦片和一对锥形倍增瓦片均为金属瓦片，每个金属瓦片均配置有一电连接件，穿过陶瓷基板进行延伸，与光电倍增管的引线系统电连接。本发明通过将打拿极瓦片设计成旋转对称的椭球形，配合旋转对称的锥形的第一倍增极，有效地改善第一电子倍增极的形状，显著提高收集效率及增益性能。

Description

用于光电倍增管的球形倍增器及光电倍增管

技术领域

本发明涉及打拿极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球形倍增器及光电倍增管。

背景技术

光电倍增管是一种光探测器件，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型光电倍增管和微通道板型光电倍增管。

目前打拿型光电倍增管的倍增极采用的技术方案通常是单边倾斜的瓦片或盒子作为第一倍增极，当电子正对第一倍增极倾斜方向打入时收集效率较高，背对第一倍增极倾斜方向打入时收集效率较低，同时现有的打拿极瓦片为半圆弧筒状，圆筒两侧无法实现电子倍增，电子倍增过程会有损失，因此传统打拿型光电倍增管光阴极表面不同经度的收集效率差异大，对增益性能的不良影响较大。

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增益特性优的球形倍增器及具有该结构的光电倍增管。

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球形倍增器，包括陶瓷基板、一对椭球面形打拿极瓦片以及一对锥形倍增瓦片；

所示陶瓷基板作为绝缘基板，提供椭球面形打拿极瓦片、锥形倍增瓦片的安装与固定，并保持它们之间的相互绝缘；

其中，所述一对锥形倍增瓦片被设置成旋转对称分布，并且被包围在呈旋转对称的一对椭球面形打拿极瓦片的中央位置；

所述的一对椭球面形打拿极瓦片和一对锥形倍增瓦片均被构造为金属瓦片，并且每个金属瓦片均配置有一电连接件，每个电连接件穿过所述陶瓷基板进行延伸，与光电倍增管的引线系统电连接。

优选地，所述一对锥形倍增瓦片中，包括第一锥形倍增瓦片和第二锥形倍增瓦片，两个金属瓦片的瓦片高度相等。

优选地，所述一对椭球面形打拿极瓦片中，包括第一椭球面形打拿极瓦片和第二椭球面形打拿极瓦片，其中临近光电倍增管的聚集极的第一椭球面形打拿极瓦片的瓦片高度小于第二椭球面形打拿极瓦片的瓦片高度。

优选地，所述一对椭球面形打拿极瓦片中，椭球结构的长轴与短轴比为4:3。

优选地，所述陶瓷基板包括环形外圈、内圈以及设置在环形外圈与内圈之间的梁，其中内圈经由梁与环形外圈固定。

优选地，所述一对椭球面形打拿极瓦片旋转对称地分别插在陶瓷基板的环形外圈上，所述的一对锥形倍增瓦片旋转对称地分别固定到内圈的两个底面上，并且一对锥形倍增瓦片关于内圈形成对称分布。

优选地，所述环形外圈的内圆设置有一环形凸台。

优选地，所述内圈和/或梁被设置成扁平状结构，所述梁与内圈的厚度相同。

优选地，所述电连接件被设置成贴近在梁的表面，沿着梁的表面延伸，穿过陶瓷基板的环形外圈。

根据本发明，还提出一种打拿型的光电倍增管，包括密封壳体、光电阴极、聚焦极、球形倍增器以及引线系统。其中，所述一对椭球面形打拿极瓦片包括第一椭球面形打拿极瓦片和第二椭球面形打拿极瓦片，一对锥形倍增瓦片包括第一锥形倍增瓦片和第二锥形倍增瓦片，其中临近聚焦极的第一锥形倍增瓦片构成第一倍增级，第一椭球面形打拿极瓦片、第二椭球面形打拿极瓦片、第二锥形倍增瓦片依次构成第二、第三和第四倍增极。

与现有技术相比，本发明提出的球形电子倍增极的结构，将打拿极瓦片设计成旋转对称的椭球形，配合旋转对称的锥形的第一倍增极，有效地改善第一电子倍增极的形状，显著提高收集效率及增益性能。

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是根据本发明实施例的具有球形倍增器的光电倍增管的结构图。

图2A～2B是根据本发明的球形倍增器的结构示意图，图2A为四片金属瓦片的位置示意图，图2B为金属瓦片固定陶瓷基板上的结构示意图。

图3是根据本发明的球形倍增器的立体结构示意图。

图4A～4B为不同打拿极结构的探测效率测试模拟结果的对比图，图4A是现有技术中普通打拿型光电倍增管的探测效率及增益模拟图，图4B是本发明采用球形倍增器结构的光电倍增管的探测效率及增益模拟图。

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。

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球形倍增器的光电倍增管，通过两个球形金属瓦片以及两个锥形金属瓦片的配合，有效地改善第一电子倍增极的形状，从而明显提高光电倍增管的收集效率，同时提高电子倍增极对高量子效率光电阴极产生的电子的倍增能力，实现探测效率的提升和增益的提升。

结合图示的具有球形倍增器的光电倍增管，构造为一种打拿型光电倍增管，主要包括密封壳体101、光电阴极102、聚焦极103、球形倍增器104以及引线系统(含连接结构)105。

密封壳体101，用于提供光电倍增管内部的高真空状态，同时作为光电阴极102的附着基底。

本发明的实施例中，高真空的密封壳体101，优选采用高透过率、低反射率的耐高温绝缘玻璃材料制备，尤其是低本底玻璃壳体，其形状可为球状、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为例进行实施，其包括球状部分和过渡封接部分构成。玻璃真空容器内部为超高真空状态，内部真空度可达到2e-5Pa。

结合图1，光电阴极102、聚焦极103和球形倍增器104均置于高真空的玻璃真空容器，即封壳体101内。

光电阴极102，在可选的实施例中，以蒸镀等制备方式在密封壳体1的内表面指定区域(如上部)形成光电阴极，如此，对应的密封壳体的玻璃球体上的位置形成光窗，当外部的光子透过光窗入射至光电阴极时，光电阴极将光子转换成电子。

优选地，光电阴极102可采用高量子效率的阴极，例如钾铯锑双碱光电阴极。在可选的例子中，高量子效率的光电阴极可选用CN110854001、CN107622930中的一种或者其他类型的光电阴极，以提高光子转换率。

聚焦极103，作为光电倍增管的收集极，用于将光电阴极发射出的电子进行收集，以在倍增器(如本发明的球形倍增器104)进行倍增。

聚焦极103，尤其优选高收集效率的聚焦极。例如，采用扩张结构或者两级扩张结构的聚焦极等方式，以提高对真空环境下电子的收集效率。

球形倍增器104，通过加载电压，将聚焦极103收集到的电子进行倍增并输出。

在本发明优选的实施例中，球形倍增器104包括旋转对称的一对椭球面形打拿极瓦片(203、206)以及旋转对称的一对锥形倍增瓦片(204、205)，均为金属瓦片结构，其中的一对锥形倍增瓦片(204、205)被包围在旋转对称的椭球面形打拿极瓦片的中央位置，并相互绝缘配置。一对椭球面形打拿极瓦片(203、206)以及一对锥形倍增瓦片(204、205)分别电连接到引线系统105，被配置成分别加载工作电压以对聚焦极103收集到的电子进行倍增，通过阳极208输出。

引线系统105，具有多个引线，实现球形倍增器104的工作电压的施加，以及经由阳极208将倍增后的电信号进行输出。

结合图1所示，整个光电倍增管在工作时，根据使用要求可对光电倍增管加载电压，当微弱的光子照射到光电阴极102上时，光电阴极将光子转换成电子，通过聚焦极103进行电子的收集，将转换的电子收集到球形倍增器104上，球形倍增器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2A、2B以及图3所示，本发明的实施例中，球形倍增器104包括一陶瓷基板202、一对椭球面形打拿极瓦片(203、206)、衣柜锥形倍增瓦片(204、205)以及示例性表示的电连接件201。

陶瓷基板202作为绝缘基板，提供椭球面形打拿极瓦片(203、206)、锥形倍增瓦片(204、205)的安装与固定，同时保持它们之间的相互绝缘。

结合图示的示例，陶瓷基板202包括环形外圈202a、内圈202b以及设置在环形外圈202a与内圈202b之间的梁202c，其中内圈202b经由梁202c与环形外圈202a固定。

在一些实施例中，环形外圈202a、内圈202b以及梁202c一体成型。

结合图示，一对椭球面形打拿极瓦片(203、206)，构造为第一椭球面形打拿极瓦片203、第二椭球面形打拿极瓦片206，分别插在陶瓷基板202的环形外圈202a上。

如图所示，在优选的实施例中，环形外圈202a的内圆设置有一环形凸台202d，以利于两个椭球面形打拿极瓦片的安装并且相互之间形成绝缘。尤其优选的是，在环形凸台202d与环形外圈202a的内圆的结合部形成一槽，前述的第一椭球面形打拿极瓦片203、第二椭球面形打拿极瓦片206分别插在上下两个槽内，并且第一椭球面形打拿极瓦片203(即临近聚焦极103)的瓦片高度小于第二椭球面形打拿极瓦片206的瓦片高度。

优选地，内圈202b呈扁平状，例如圆台或者圆柱。如前述的，一对旋转对称的锥形倍增瓦片(204、205)，即第一锥形倍增瓦片204、第二锥形倍增瓦片205，分别固定到内圈202b的两个底面上。

如图2，第一锥形倍增瓦片204、第二锥形倍增瓦片205的锥形底部与内圈202b的底面的圆周边缘固定在一起，使得第一锥形倍增瓦片204、第二锥形倍增瓦片205关于内圈形成对称分布，其中两个锥形倍增瓦片的瓦片高度相同。

结合图示，第一锥形倍增瓦片204、第二锥形倍增瓦片205各自分别配置有电连接件201，以将两个锥形倍增瓦片引出，从而电连接到光电倍增管的引线系统，以利于通过引线系统施加工作电压。

尤其优选的，本发明的各个实施例中，电连接件以线型连接件或者片型连接件为优选设计。在本发明的图示示例中，以片型连接件，即电连接片为例进行说明。

结合图示的优选实施例中，第一锥形倍增瓦片204、第二锥形倍增瓦片205配置的电连接件201，被设置成穿过前述的绝缘的陶瓷基板202的环形外圈202a，并向外延伸，以将两个锥形倍增瓦片(金属瓦片)引出，从而有利于电连接到光电倍增管的引线系统。

优选地，前述的梁202c构造成扁平状结构，尤其是具有与内圈202c同样厚度的扁平状结构。

其中，前述的第一锥形倍增瓦片204、第二锥形倍增瓦片205配置的电连接件201，尤其优选的是贴紧在梁202c的表面，并沿着梁的表面延伸，穿过环形外圈202a。

应当理解，前述的电连接件的设置，旨在对各个金属瓦片进行电性引出，从而实现利于电性连接到引线系统105。在可选的实施例中，电连接件还可以以其他利于实现的方式进行引出。

图示中未表示出的，本发明的各个实施例中，前述的第一椭球面形打拿极瓦片203、第二椭球面形打拿极瓦片206还设置有电连接件，并穿过环形外圈202a，以利于将两个椭球面形打拿极瓦片引出，从而有利于电连接到光电倍增管的引线系统。

由此，可通过外部施加的电压，并经由引线系统105分别向四个金属瓦片施加工作电压，实现对收集到的光电子的倍增和输出。

如此，结合图示的球面倍增器104中，前述第一锥形倍增瓦片204构成第一倍增级，第一椭球面形打拿极瓦片203、第二椭球面形打拿极瓦片206、第二锥形倍增瓦片205依次构成第二、第三和第四倍增极。

倍增输出的光电子通过阳极208进行输出。如图所示，可选地，阳极208设置在球形倍增器104的底部，并与引线系统105电连接，通过引线系统从而输出信号到光电倍增管外部。

作为可选的实施例，第一椭球面形打拿极瓦片203、第二椭球面形打拿极瓦片206的示例性结构中，椭球的长轴与短轴比为4:3。

在可选的示例中，第一椭球面形打拿极瓦片203的高度为10mm，第二椭球面形打拿极瓦片206的高度为15mm。

作为可选的实施例，第一锥形倍增瓦片204、第二锥形倍增瓦片205的示例性结构中，锥形的金属瓦片锥度为38°。

图示的示例表示了传统的打拿极型光电倍增管与本发明的采用球型倍增器的光电倍增管的探测效率和增益模拟效果图，图示中可见，本发明提出的增强电子收集效率的具有椭球形倍增器的光电倍增管，通过两个椭球形金属瓦片以及两个锥形金属瓦片的配合，有效地改善第一电子倍增极的形状，从而明显提高光电倍增管的收集效率，同时提高电子倍增极对高量子效率光电阴极产生的电子的倍增能力，实现探测效率的提升和增益的提升。

Claims (11)

1.一种用于光电倍增管的球形倍增器，其特征在于，包括陶瓷基板、一对椭球面形打拿极瓦片以及一对锥形倍增瓦片；

所述陶瓷基板作为绝缘基板，所述陶瓷基板包括环形外圈、内圈以及设置在环形外圈与内圈之间的梁，其中内圈经由梁与环形外圈固定，所述陶瓷基板用于安装与固定所述的一对椭球面形打拿极瓦片和一对锥形倍增瓦片，并保持它们之间的相互绝缘；

所述的一对椭球面形打拿极瓦片和一对锥形倍增瓦片均被构造为金属瓦片，并且每个金属瓦片均配置有一电连接件，每个电连接件穿过所述陶瓷基板进行延伸，与光电倍增管的引线系统电连接；

其中，所述一对锥形倍增瓦片被设置成旋转对称分布，并且被包围在呈旋转对称的一对椭球面形打拿极瓦片的中央位置；

所述一对锥形倍增瓦片包括第一锥形倍增瓦片和第二锥形倍增瓦片，第一锥形倍增瓦片和第二锥形倍增瓦片的高度相等，并且第一锥形倍增瓦片的底面和第二锥形倍增瓦片的底面分别安装于陶瓷基板的内圈的两个表面并关于所述内圈对称分布，第一锥形倍增瓦片和第二锥形倍增瓦片之间通过所述内圈绝缘；

所述一对椭球面形打拿极瓦片中，包括第一椭球面形打拿极瓦片和第二椭球面形打拿极瓦片，第一椭球面形打拿极瓦片和第二椭球面形打拿极瓦片均为平底的碗状结构，碗状结构以较小的碗口作为顶面，较大的碗口作为底面，其中临近光电倍增管的聚集极的第一椭球面形打拿极瓦片的瓦片高度小于第二椭球面形打拿极瓦片的瓦片高度；并且第一椭球面形打拿极瓦片的底面和第二椭球面形打拿极瓦片的底面分别安装于陶瓷基板的外圈并通过所述外圈实现绝缘；

其中，临近聚焦极的第一锥形倍增瓦片构成第一倍增级，第一椭球面形打拿极瓦片、第二椭球面形打拿极瓦片、第二锥形倍增瓦片依次构成第二、第三和第四倍增极。

2.根据权利要求1所述的用于光电倍增管的球形倍增器，其特征在于，所述电连接件为线型连接件或者片型连接件中的一种。

3.根据权利要求1所述的用于光电倍增管的球形倍增器，其特征在于，所述一对椭球面形打拿极瓦片中，椭球结构的长轴与短轴比为4:3。

4.根据权利要求1所述的用于光电倍增管的球形倍增器，其特征在于，所述环形外圈、内圈以及梁一体成型。

5.根据权利要求1所述的用于光电倍增管的球形倍增器，其特征在于，所述环形外圈的内圆设置有一环形凸台。

6.根据权利要求5所述的用于光电倍增管的球形倍增器，其特征在于，在环形凸台与环形外圈的内圆的结合部形成一槽，所述一对椭球面形打拿极瓦片分别插在上下两个槽内。

7.根据权利要求1所述的用于光电倍增管的球形倍增器，其特征在于，所述内圈被设置成扁平状结构。

8.根据权利要求1所述的用于光电倍增管的球形倍增器，其特征在于，所述梁被设置成扁平状结构。

9.根据权利要求7或8所述的用于光电倍增管的球形倍增器，其特征在于，所述梁与内圈的厚度相同。

10.根据权利要求9所述的用于光电倍增管的球形倍增器，其特征在于，所述电连接件被设置成贴近在梁的表面，沿着梁的表面延伸，穿过陶瓷基板的环形外圈。

11.一种光电倍增管，其特征在于，包括密封壳体、光电阴极、聚焦极、球形倍增器以及引线系统；

其中，所述的球形倍增器采用权利要求1-10中任意一项所述的用于光电倍增管的球形倍增器。

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