CN111883412B - 用于微通道板型光电倍增管的聚焦极与光电倍增管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于微通道板型光电倍增管的聚焦极与光电倍增管，适用于收集由光电阴极激发出的光电子，其特征在于，包括固定压紧机构、扩张叶片机构、触发杆、触发部和收紧环。在初始状态下金属叶片和支撑板立在聚焦极底座的上方，底部通过转轴和扭簧提供预紧力，具有向外扩张的趋势，通过收紧环压紧。触发部朝向下翻转一定角度，在进入玻璃球壳的颈部后，通过颈部的压迫将其下压拉动触发杆下移，释放对收紧环的约束，利于扭簧的预紧力使扩张金属叶片散开，实现扩张。本发明采用渐变尺寸的扇形叶片+顶部的矩形结合，一方面在扩张状态下减少相互间的干扰和空隙，另一方面进一步提高聚焦极的径向尺寸，提高光电子收集效率和改善改善时间性能。

Description

用于微通道板型光电倍增管的聚焦极与光电倍增管
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微通道板型光电倍增管的聚焦极。
背景技术
微通道板型光电倍增管(PMT-MCP)是利于微通道板对电子的倍增性能，将微弱的光信号转换成电信号输出，实现微弱信号的探测。随着微通道板技术的不断发展和改进，微通道板型光电倍增管在地球物理、高空探测、暗物质探测等领域得到广泛的应用。
传统的微通道板型光电倍增管主要由玻璃球壳、光电阴极、金属聚焦极、PMT倍增极、引线系统(包括阳极)构成，例如在PMT-MCP结构中，使用双碱光电阴极进行光电转换，激发出光电子，并通过金属聚焦极进行收集后，通过PMT倍增极进行倍增输出。为了提高收集效率，现有技术中探索了采用自扩张型的金属聚焦极的设计来提高收集效率，在装配和铟封过程中实现触发，在聚焦极达到预定的位置时，原本呈现收拢状态的金属叶片展开，形成较大范围的收集形状，提高聚焦极的径向尺寸，改善时间特性，尤其是TTS性能。
在后来的改善示例中，还出现了使用双层金属聚焦极和金属褶皱层扩展后的聚焦极的探索与实施，进一步来提高光电子收集与探测效率，但其结构和电隔离结构制备工艺难度大。
现有技术文献：
专利文献1：CN109166783A用于光电倍增管的自动扩张聚焦极及光电倍增管
专利文献2：CN106449346A用于光电倍增管的自动扩张聚焦集及光电倍增管
专利文献3：CN110211861A用于光电倍增管的双聚焦极及光电倍增管
发明内容
本发明目的在于针对现有技术中自扩张聚焦极的矩形叶片，其展开时存在空隙以及受矩形展开限制的问题，提供一种进一步提高微通道板型光电倍增管的聚焦极径向尺寸以提高其光电子收集效率的改进。
根据实现上述目的的第一方面提出一种用于微通道板型光电倍增管的聚焦极，适用于收集由光电阴极激发出的光电子，包括固定压紧机构、扩张叶片机构、触发杆、触发部以及收紧环，其中：
所述固定压紧机构包括环状的聚焦极底座以及设置在底座上的扭簧与转轴，扭簧套在转轴上；
所述扩张叶片结构环绕聚焦极底座，包括N个金属叶片以及与金属叶片一一对应设置的N个支撑板，所述支撑板贴装在金属叶片的背部，所述金属叶片为扇叶状平面结构，并且具有渐变部和矩形部，所述渐变部的截面尺寸从底部到顶部呈渐变增大的趋势，并在顶部与矩形部形成一体连接；
所述扭簧的一端与扩张叶片机构的支撑板一对一地设置，扭簧的另一端固定在聚焦极底座上，每个扭簧都具有使得金属叶片和支撑板朝向聚焦极底座的径向尺寸展开的趋势并提供预紧力；
所述触发部可转动地套在所述转轴上；所述触发杆为细长杆，其一端固定在所述
所述支撑板，沿着所述聚焦极底座的边缘并且可绕所述转轴转动地安装；所述N个支撑板中的其中一个支撑板被设置为收紧用支撑板，所述收紧用支撑板的一侧设置有压板，另一侧设置有具有孔的两个临近的耳部，所述收紧环的一端由所述压板压紧固定，另一端设置有弯钩部，所述弯钩部放置在两个耳部之间；所述触发杆的另一端穿过耳部以及弯钩部，以通过触发杆保持收紧环在初始状态下呈环抱N个金属叶片的状态；
N个支撑板以及与支撑板贴装在一起的金属叶片在初始状态下垂直固定在聚焦极底座的正上方，被收紧环压紧成环状收拢分布，呈收拢状态；
所述触发部被设置用于在被触发时带动触发杆从所述弯钩部脱离，释放对所述收紧环的约束，使得所述金属叶片和支撑板被收紧环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。
根据本发明的目的的第二方面还提出一种使用前述聚焦极作为光电子收集装置的微通道板型光电倍增管。
与现有技术相比，本发明提出的微通道板型光电倍增管的聚焦极的显著优先在于：
1、在现有技术的扩张叶片使用矩形的缺陷基础上进一步改进，提出采用渐变尺寸的扇形叶片+顶部的矩形的结合，一方面在扩张状态下减少相互之间的干扰和空隙，另一方面进一步提高聚焦极的径向尺寸，较以往的尺寸提升10％以上，从而进一步提高光电子的收集效率和改善改善时间性能；
2、针对大高度金属叶片结构，使用背部支撑板的设计，以防止薄的叶片结构变形、错位以及晃动带来的不稳定，同时在背部使用收紧环进行约束，一方面起到收拢的作用，另一方面进一步支撑，表面叶片结构的结构和位置发生变形和晃动等不稳定情况。
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是本发明示例性实施例的微通道板的示意图。
图2是本发明示例性实施例的聚焦极的示意图，其中聚焦极为收拢状态。
图3是本发明示例性实施例的聚焦极的示意图，其中聚焦极为扩张状态。
图4是本发明示例性实施例的聚焦极的立体示意图。
图5是本发明示例性实施例的聚焦极的金属叶片局部示意图，其中金属叶片为收拢状态(其中未标示出压板)。
图6是本发明示例性实施例的聚焦极的金属叶片局部示意图，其中金属叶片为扩张状态，(其中未标示出压板)。
图7是本发明示例性实施例的聚焦极与PMT倍增极的连接关系示意图。
图8是本发明示例性实施例的聚焦极与铟封工艺的封接的过程示意图。
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。
结合图1所示示例的微通道板型光电倍增管，包括玻璃球壳101、聚焦极102、光电阴极103、MCP倍增系统104以及引线系统105。
玻璃球壳101内部为高真空腔体，同时其内部的上表面构成光电阴极103的附着面，例如可以采用蒸镀的方式蒸镀光电阴极层。
光电阴极103优选高量子效率的双碱或者多碱光电阴极，用于将通过玻璃球壳的光转换成光电子。
聚焦极102为了将光电子进行收集，再通过MCP倍增系统104进行被倍增后输出电子信号，并由引线系统105输出到外部，进行后续的信号分析和处理。
优选的例子中，MCP倍增系统104采用至少两片微通道板串联的倍增机构。
结合图2-6所示，本发明提出的聚焦极102为自扩张型聚焦极，即在正常的初始状态下为收拢状态，具有较小的直径尺寸，方便在封接的过程中，通过玻璃球壳的比较狭窄的颈部而进入到头部的球形空间(尤其是椭球型空间)内，在封接过程中，由颈部触发而释放对聚焦极的约束，使得聚焦极在进入头部较大的球形空间内之后，通过预紧力而释放和扩展，将多个金属叶片展开，形成大面积和尺寸的聚焦极。
聚焦极102、MCP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球壳101中，封接完成后聚焦极102位于玻璃球壳101的中心轴上且位于椭球球心的正下方，MCP倍增系统104位于聚焦极102的正下方，通过焊接的方式连载一起，引线系统105贯穿MCP倍增系统104将所需要加载电压的各个电极引出到玻璃球壳外部，方便电压的加载。
结合图2、3所示的示例的用于微通道板型光电倍增管的聚焦极包括固定压紧机构、扩张叶片机构、触发杆、触发部、收紧环。
结合图2-6，固定压紧机构包括环状的聚焦极底座201以及设置在底座上的扭簧202与转轴203，扭簧202套在转轴203上。扭簧优选为具有较大的扭转力的合金扭簧。
扩张叶片结构环绕聚焦极底座201。扩张叶片结构包括N个金属叶片301以及与金属叶片一一对应设置的N个支撑板302，支撑板302贴装在金属叶片的背部。优选地，支撑板同样为金属支撑板。
结合图示，金属叶片301为扇叶状平面结构，并且具有渐变部301A和矩形部301B，渐变部的截面尺寸从底部到顶部呈渐变增大的趋势，并在顶部与矩形部301B形成一体连接。
扭簧202的一端与扩张叶片机构的支撑板302一对一地设置，扭簧202的另一端固定在聚焦极底座201上。如此，每个扭簧202都具有使得金属叶片301和支撑板302朝向聚焦极底座的径向尺寸展开的趋势并提供预紧力。
触发部400可转动地套在转轴203上；触发杆500为细长杆，其一端固定在触发部上。
N个支撑板302，沿着聚焦极底座201的边缘并且可绕转轴203转动地安装。
N个支撑板302中的其中一个支撑板被设置为收紧用支撑板3031，收紧用支撑板3031的一侧设置有压板3031A，另一侧设置有具有孔的两个临近的耳部3031B。
结合图2、3，收紧环600的一端由压板3031A压紧固定，另一端设置有弯钩部601，弯钩部601放置在两个耳部3031B之间。触发杆500的另一端穿过耳部3031B以及弯钩部601，以通过触发杆保持收紧环在初始状态下呈环抱N个金属叶片的状态。其中，通过耳部3031B对收紧环以及其弯钩部提供一定的支撑。
优选地，耳部3031B垂直于收紧用支撑板，以利于触发杆穿过。
N个支撑板302以及与支撑板贴装在一起的金属叶片301在初始状态下垂直固定在聚焦极底座201的正上方，被收紧环600压紧成环状收拢分布，呈收拢状态。
触发部400被设置用于在被触发时带动触发杆向下运动，从弯钩部601脱离，释放对收紧环600的约束，使得金属叶片301和支撑板302被收紧环600压紧收拢的状态解除，并受到扭簧202提供的预紧力而进入扩张状态。
由此，结合图4-6所示，在初始状态下，金属叶片301和支撑板302立在聚焦极底座201的上方，底部通过转轴和扭簧提供预紧力，使得他们具有向外扩张的趋势，并在外围通过收紧环600压紧，从而约束其金属叶片301和支撑板302的扩展趋势，利于在封接时放入到球壳的颈部空间。而同时，触发杆500伸入到耳部和弯钩部，实现锁止，以约束收紧环的脱离状态。
在本发明的实施例中，转轴可以与对应的扭簧独立地设计，也可以设置统一的环形的转轴。
触发部朝向下翻转一定角度，如此在进入玻璃球壳的颈部后，通过颈部的压迫将其下压，从而拉动触发杆下移，脱离耳部和弯钩部，释放对收紧环500的约束，使其恢复自由状态。具有一定张力并且在扭簧提供的预紧力扩张金属叶片下自由散开。优选地，收紧环选择具有一定张力的金属环，具有一定的强度和弹力，以利于在其脱离约束后，在金属叶片的下方提供一定的支撑。
优选的实施例中，收紧用支撑板3031上位于耳部3031B的下方位置还有支撑环3031C，触发杆穿过支撑环后再穿入耳部与收紧环的弯钩部。由此，当触发杆500从耳部脱离后，触发杆依然支撑在支撑环中，不会脱离或者散落下来。
优选地，触发部400优选为空心翻转架结构，以减轻重量并且利于在铟封时触发。
优选的实施例中，N个支撑板302中的其中一个支撑板被设置为定位用支撑板3032，定位用支撑板3032与收紧用支撑板3031相间隔开地分布，定位用支撑板3032上设置有定位部以及在定位部上设置侧向的通孔，收紧环穿过通孔而支撑定位。由此，收紧环通过耳部、压板和定位部的通孔进行三个点位的定位。
在本发明的各个实施例中，N个金属叶片与支撑板沿着聚焦极底座的圆周向均匀分布，并且其数量N为大于等于6的正整数。尤其是选择为3的整数倍，从而利于设计叶片尺寸和在扩张时实现均匀分布，减小空隙和干扰。
图7和图8示例性地表示了本发明提出的聚焦极与MCP倍增系统104和引线系统105的关系，两个微通道板801进行叠加，设置在聚焦极的下方实现1×107以上的增益。电子经过两片微通道板的放大后汇聚到阳极片802上，方便后续信号的引出、读取和处理。
MCP倍增系统104位于聚焦极102的正下方，二者可以通过电焊的方式连接到一起，此MCP位于聚焦极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是为了引出MCP倍增系统104和聚焦极102的相关电压加载电极，同时将阳极片802的信号进行引出。
下述表1表示了采用本发明的聚焦极结构的MCP-PMT和采用矩形的聚焦极结构的MCP-PMT的收集效率、时间特性的测试结果，采用本发明的扩大聚焦面积和减小间隙后的聚焦极，其收集效率明显提升，渡越时间的离散特性明显的改善。
聚焦极种类 收集效率(％) 渡越时间离散(ns)
采用本发明的聚焦极结构 91.7 4.2
采用传统矩形聚焦极结构 91.1 4.8
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)

1.一种用于微通道板型光电倍增管的聚焦极，适用于收集由光电阴极激发出的光电子，其特征在于，包括固定压紧机构、扩张叶片机构、触发杆、触发部和收紧环，其中：
所述固定压紧机构包括环状的聚焦极底座以及设置在底座上的扭簧与转轴，扭簧套在转轴上；
所述扩张叶片机构环绕聚焦极底座，包括N个金属叶片以及与金属叶片一一对应设置的N个支撑板，所述支撑板贴装在金属叶片的背部，所述金属叶片为扇叶状平面结构，并且具有渐变部和矩形部，所述渐变部的截面尺寸从底部到顶部呈渐变增大的趋势，并在顶部与矩形部形成一体连接；
所述扭簧的一端与扩张叶片机构的支撑板一对一地设置，扭簧的另一端固定在聚焦极底座上，每个扭簧都具有使得金属叶片和支撑板朝向聚焦极底座的径向尺寸展开的趋势并提供预紧力；
所述触发部可转动地套在所述转轴上；所述触发杆为细长杆，其一端固定在所述触发部上；
所述支撑板，沿着所述聚焦极底座的边缘并且可绕所述转轴转动地安装；所述N个支撑板中的其中一个支撑板被设置为收紧用支撑板，所述收紧用支撑板的一侧设置有压板，另一侧设置有具有孔的两个临近的耳部，所述收紧环的一端由所述压板压紧固定，另一端设置有弯钩部，所述弯钩部放置在两个耳部之间；所述触发杆的另一端穿过耳部以及弯钩部，以通过触发杆保持收紧环在初始状态下呈环抱N个金属叶片的状态；
N个支撑板以及与支撑板贴装在一起的金属叶片在初始状态下垂直固定在聚焦极底座的正上方，被收紧环压紧成环状收拢分布，呈收拢状态；
所述触发部被设置用于在被触发时带动触发杆从所述弯钩部脱离，释放对所述收紧环的约束，使得所述金属叶片和支撑板被收紧环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。
2.根据权利要求1所述的用于微通道板型光电倍增管的聚焦极，其特征在于，所述支撑板为金属板。
3.根据权利要求1所述的用于微通道板型光电倍增管的聚焦极，其特征在于，所述耳部垂直于所述收紧用支撑板。
4.根据权利要求1所述的用于微通道板型光电倍增管的聚焦极，其特征在于，所述收紧用支撑板上位于所述耳部的下方位置还有支撑环，所述触发杆穿过所述支撑环后再穿入所述耳部与收紧环的弯钩部。
5.根据权利要求1所述的用于微通道板型光电倍增管的聚焦极，其特征在于，所述N个支撑板中的其中一个支撑板被设置为定位用支撑板，所述定位用支撑板与所述收紧用支撑板相间隔开地分布，定位用支撑板上设置有定位部以及在定位部上设置侧向的通孔，所述收紧环穿过所述通孔而支撑定位。
6.根据权利要求1所述的用于微通道板型光电倍增管的聚焦极，其特征在于，所述N个金属叶片与支撑板沿着聚焦极底座的圆周向均匀分布，并且其数量N为大于等于6的正整数。
7.根据权利要求1所述的用于微通道板型光电倍增管的聚焦极，其特征在于，所述N取值为3的整数倍。
8.根据权利要求1所述的用于微通道板型光电倍增管的聚焦极，其特征在于，在所述初始状态，所述聚焦极的外径小于90mm；在所述扩张状态，所述聚焦极的外径大于235mm。
9.根据权利要求1所述的用于微通道板型光电倍增管的聚焦极，其特征在于，所述收紧环为金属环。
10.一种使用权利要求1-9中任意一项所述的聚焦极作为光电子收集装置的微通道板型光电倍增管。
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