CN113299536B - 一种倍增簇集式光电倍增管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种倍增簇集式光电倍增管，解决目前提高光电倍增管动态范围方案存在探测死区大、个体性能差异产生测量误差、动态范围难以准确调节的问题。倍增管包括真空容器、光学输入窗、光电阴极、电子倍增系统、阳极系统和供电极，电子倍增系统与光电阴极中心共轴，电子倍增系统包括拼接的多个电子倍增极，每个电子倍增极形成一个电子倍增区，所有电子倍增区电子增益不同；所有电子倍增区所覆盖区域≤光电阴极有效探测区域；阳极系统包括多个阳极，阳极数量与电子倍增极数量相同且位置一一对应；供电极给光电阴极、电子倍增极、阳极供电；供电极通过电极引线与真空容器外部供电系统相连；每个阳极的信号引出线通过金属线与外部电路连接。

Description

一种倍增簇集式光电倍增管

技术领域

本发明涉及一种光电探测器件，具体涉及一种在器件内设置不同电子增益区域而实现大动态范围探测的倍增簇集式光电倍增管。

背景技术

宇宙射线自发现以来一直引领着基本粒子物理的发展，人们在宇宙射线中发现了一大批基本粒子以及复合粒子，比如正电子、μ轻子、π介子、K介子和其他奇异粒子，它们对于建立起微观世界及其相互作用的基本图景至关重要。由于目前宇宙射线的观测覆盖了10⁹eV到10²⁰eV的宽广范围，探测器响应差异很大，因此针对不同能段的宇宙射线也采用直接探测和间接探测两大类探测技术。

间接探测技术中，一般利用光电探测器捕捉伽马射线以及宇宙射线空气簇射次级产物在水中产生的切伦科夫光，通过对光电探测器输出信息的数据分析，可以重建出原初伽马射线或宇宙射线的方向以及能量等参数，从而实现对伽马射线源或宇宙射线的观测。

光电倍增管具有探测光谱范围宽、动态范围大、电子增益高、暗噪声低以及响应速度快等特点，是宇宙线间接探测试验中的首选光电探测器。由于次级粒子种类存在差异，且粒子入射至探测器的入射方向、入射点不同，使得光电倍增管接收到的光子数也有较大差异，为了满足对宇宙中伽马射线源进行全面探测的需求，光电倍增管必须具备动态范围大于4000的特性。

为了扩大光电倍增管动态范围，目前基本使用两种类型的解决方案:(1)使用不同增益的光电倍增管覆盖不同的动态范围；(2)使用阳极与光电倍增管电子倍增极同时读出以扩大光电倍增管的动态范围。

上述扩大光电倍增管动态范围的两种方案存在如下缺点：

首先，采用不同增益光电倍增管覆盖不同动态范围时，由于每只光电倍增管光电阴极以及时间特性存在个体差异，使得最终结果产生一定程度的测量误差，数据衔接性和对比性较差；由于光电倍增管外形尺寸等方面的限制，光电倍增管覆盖不同动态范围时，产生较大的探测死区，影响探测效率；

其次，使用阳极与光电倍增管电子倍增极同时读出时，电子倍增极以及阳极处的时间特性等存在差异，最终将直接影响探测精度；阳极以及电子倍增极产生电子倍增饱和效应时的阈值差异较大，使得选择信号输出的电子倍增级数难度较大，对光电倍增管动态范围难以准确调节。

综上所述，目前提高光电倍增管动态范围方案存在探测死区大、个体性能差异产生测量误差、光电倍增管动态范围难以准确调节等缺点。

发明内容

为了解决目前提高光电倍增管动态范围方案存在探测死区大、个体性能差异产生测量误差、光电倍增管动态范围难以准确调节的技术问题，本发明提供了一种倍增簇集式光电倍增管。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种倍增簇集式光电倍增管，包括真空容器、设置在真空容器上的光学输入窗、设置在光学输入窗内壁的光电阴极，以及设置在真空容器内的电子倍增系统、阳极系统和供电极，其特殊之处在于：

所述电子倍增系统与光电阴极的中心共轴，电子倍增系统包括拼接的多个电子倍增极，每个电子倍增极形成一个电子倍增区，所有电子倍增区的电子增益不同；

所有电子倍增区所覆盖区域小于等于光电阴极有效探测区域；

所述阳极系统包括与多个电子倍增极配合的多个阳极，阳极的数量与电子倍增极的数量相同，且位置一一对应，阳极的面型与其相对应的电子倍增极面型相同；

所述供电极用于给光电阴极、所有电子倍增极、所有阳极供电；

所述真空容器的容器壁上预留有电极引线和金属线，供电极通过电极引线与真空容器外部的供电系统相连；

每个阳极的信号引出线通过金属线与外部电路连接。

进一步地，所述电子倍增系统的电子倍增极为打拿级电子倍增器、微通道板电子倍增器、对电子有倍增作用的半导体器件中的至少一种。

进一步地，所述电子倍增区的排布为环形排布或整列排布或直线型排布或多点排布方式。

进一步地，所述所有电子倍增区所覆盖区域等于光电阴极有效探测区域。

进一步地，所述电子倍增系统的电子倍增极均为打拿级电子倍增器或均为微通道板电子倍增器或均为对电子有倍增作用的半导体器件；

所有电子倍增极与光电阴极阴极面间的距离不相同和/或所有电子倍增极的工作电压不同。

进一步地，所述电子倍增极为N个，2≤N≤6；

所有电子倍增极与光电阴极阴极面间的距离不相同和所有电子倍增极的工作电压不同具体为：

设光学输入窗电压为0V；

电子倍增极与光电阴极阴极面间的距离为5.00mm或4.75mm或4.50mm或4.25mm或4.00mm或3.75mm，电子倍增极相应的输入面电极电压分别为900V或810V或720V或660V或580V或500V。

进一步地，所述光电阴极和光学输入窗的面型相同，且均为圆形；

所述多个电子倍增极为拼接形成整圆且相同结构参数的6个电子倍增极，每个电子倍增极为扇形微通道板电子倍增器；

6个电子倍增极沿圆周方向依次为第一扇形微通道板电子倍增器、第二扇形微通道板电子倍增器、第三扇形微通道板电子倍增器、第四扇形微通道板电子倍增器、第五扇形微通道板电子倍增器、第六扇形微通道板电子倍增器；

第一扇形微通道板电子倍增器、第二扇形微通道板电子倍增器、第三扇形微通道板电子倍增器、第四扇形微通道板电子倍增器、第五扇形微通道板电子倍增器、第六扇形微通道板电子倍增器与光电阴极阴极面间的距离分别为5.00mm、4.75mm、4.50mm、4.25mm、4.00mm、3.75mm；

所述光学输入窗电压为0V；

所述第一扇形微通道板电子倍增器、第二扇形微通道板电子倍增器、第三扇形微通道板电子倍增器、第四扇形微通道板电子倍增器、第五扇形微通道板电子倍增器、第六扇形微通道板电子倍增器的输入面电极电压分别为900V、810V、720V、660V、580V、500V；

所述多个阳极为6个扇形结构阳极，每个扇形结构阳极包括扇形金属电极片和锥形电极引出线。

进一步地，所有阳极分布于同一平面。

进一步地，所述阳极为单阳极或多阳极输出结构或电子轰击探测器件。

进一步地，所述光学输入窗为平面结构或曲面结构；

所述光学输入窗的材料为石英材料或氟化镁材料或硼硅酸盐玻璃。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明通过在光电倍增管内制备不同电子增益或者不同类型电子倍增器所组成的多个电子倍增区，使得在相同输入光信号情况时，不同电子倍增区输出电荷量存在差异，进而使得部分电子倍增区处于低增益工作状态；在光电倍增管强光信号输入情况时，可以处于线性工作区，保障光电倍增管对于强光信号的有效探测；同时处于高增益工作状态的电子倍增区对于微弱光信号具有较好的探测性能，从而使得光电倍增管可有效探测的光强范围较大，扩大了光电倍增管对于探测光强的动态范围，其动态范围数值为现有电子倍增类型组件原来动态范围数值的10倍以上。

2、本发明光电倍增管在真空容器内设置不同电子增益区，可实现大动态范围探测。

附图说明

图1是本发明倍增簇集式光电倍增管的原理示意图；

图2是本发明光电倍增管实施例半剖结构示意图；

图3是本发明光电倍增管实施例中为保证光电阴极发射电子运动至电子倍增区渡越时间相同时，电子倍增区输入面与光电阴极之间电压差和两者之间距离关系曲线；

图4是本发明光电倍增管实施例中各电子倍增区与光电阴极之间时间图3所示电压差时，各个电子倍增区输入面处接收电子束渡越时间统计值与两者之间距离关系曲线；

图5是本发明光电倍增管实施例中各电子倍增区与光电阴极之间时间图3所示电压差时，各个电子倍增区输入面处接收电子束渡越时间弥散值与两者之间距离关系曲线；

图6是本发明光电倍增管实施例中各电子倍增区与光电阴极之间时间图3所示电压差时，各个电子倍增区输入面处接收电子数目占阴极发射电子总数比例与两者之间距离关系曲线；

其中，附图标记如下：

1-真空容器，2-光学输入窗，3-光电阴极，4-电子倍增系统，41-第一扇形微通道板电子倍增器，42-第二扇形微通道板电子倍增器，43-第三扇形微通道板电子倍增器，5-阳极系统，51-第一扇形结构阳极，52-第二扇形结构阳极，53-第三扇形结构阳极。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，本发明倍增簇集式光电倍增管包括由玻璃、陶瓷以及金属材料所构成的密闭真空容器，玻璃材料作为光学输入窗2，陶瓷材料以及金属材料共同构成真空容器1，光学输入窗2密封设置在真空容器1上；在光学输入窗2内表面制备用来接收光子并将其转换为电子的光电阴极3；用于将通过光电阴极3后的光电子进行加速，并实现电子倍增的电子倍增系统4，电子倍增系统4与光电阴极3的中心共轴，电子倍增系统4包括拼接的多个电子倍增极，每个电子倍增极形成一个电子倍增区，即电子倍增系统4包括多个电子倍增区，且每个电子倍增区的电子增益不同；用来收集电子倍增区所产生倍增电子束的阳极系统5，阳极系统5包括与电子倍增极配合的多个阳极，阳极的数量与电子倍增极的数量相同，且位置一一对应，阳极的面型(形状、面积)与其相对应的电子倍增区面型(形状、面积)相同，即每个电子倍增极都有对应的输出阳极；用来供电给光电阴极3、所有电子倍增极、所有阳极的供电极以及支撑光电阴极3、电子倍增极、阳极的支撑柱；电子倍增系统4和阳极系统5均置于真空容器1内；供电极通过真空容器1壁所预留电极引线与外部供电系统相连，供电系统是为实现光电倍增管正常工作对光电倍增管施加一定值工作电压的系统；每个阳极的信号引出线通过真空容器1壁预留的金属线引出至真空容器1外的外部电路，外部电路用于对阳极输出信号采集并处理。

光学输入窗2材料视探测光信号波长特性以及阴极响应波长范围，可以选择石英材料、氟化镁材料或者硼硅酸盐玻璃等材料。在其他实施例中，光学输入窗2形状可以为平面结构，也可以为曲面结构。光学输入窗2与真空容器1之间采用高频封接、高温热封接或者铟封封接等方式。

电子倍增系统4的电子倍增极可以均为传统打拿级电子倍增器或者均为微通道板(MCP)电子倍增器或者均为对电子有倍增作用的半导体器件，或者可以是由上述器件(传统打拿级电子倍增组件、微通道板电子倍增组件、对电子有倍增作用的半导体器件)中的多种器件混合组成，例如，电子倍增系统4的多个电子倍增极分别为电子倍增极Ⅰ、电子倍增极Ⅱ……、电子倍增极n，电子倍增极Ⅰ为打拿级电子倍增器，电子倍增极Ⅱ为微通道板电子倍增器，其余电子倍增极可以任意选择。

本发明每个电子倍增极的电子增益可以通过调整工作电压或者选择不同电子倍增极等方式设置为不同电子增益，使得不同电子倍增区对用相同输入光电信号具有不同的探测增益，进而使得不同电子倍增区对信号电子倍增后输出电荷量不同。

电子倍增系统4的所有电子倍增极的有效探测面积可以相同，也可以存在特定的比例关系，也可以任意设置。单个电子倍增极距离光电阴极3阴极面的距离可以相同，也可以存在特定比例关系，也可以任意设置。

单个电子倍增极与光电阴极3之间的电压差可以相同，也可以根据单个电子倍增极距离光电阴极3阴极面的不同距离而设置不同的电压差。

电子倍增系统4的所有电子倍增极的截面面积之和小于等于光电阴极3的截面面积，即所有电子倍增极所覆盖区域小于等于光电阴极3有效探测区域，使得所有电子倍增极对光电阴极3发射电子的收集效率大于90％。本实施例所有电子倍增极拼接后的面型与光电阴极3的面型相适配，使得所有电子倍增区所覆盖区域等于光电阴极3有效探测区域。电子倍增极的排布可以为环形排布、整列排布、直线型排布以及其他可实现多点排布方式。

阳极形状视所对应电子倍增极的形状而定，阳极实现对应电子倍增极输出电子的100％收集并输出。所有阳极的排布与电子倍增极排布方式相同，且每个阳极与电子倍增极位置一一对应。阳极可以为单阳极、也可以为多阳极输出结构以及电子轰击探测器件等。阳极输出信号可以为电流信号，也可以为电压信号，也可以为电荷量信号等。

电子倍增极与其相对应阳极之间的间距可以设计为相同，也可以设计为不相同。

阳极与电子倍增极之间的电压差可以设计为相同，也可以设计为不同。

本发明光电倍增管中，将电子倍增系统4划分为多个区，每一个区的电子倍增设置增益不同，且相邻区域采用紧凑拼接方式以实现大于95％以上有效探测面积，每个电子倍增区都有独立的且结构等相同的阳极输出电极，以实现对此区域探测信号输出，使得同一个光电倍增管可进行不同电子增益的探测输出，实现光电倍增管具有大动态范围功能。

本发明光电倍增管保证较高有效探测效率基础上，实现不同电子增益情况时的同时探测：当被探测光信号光强度较弱时，所有电子倍增区都可实现无失真探测；当被探测光信号光强度较强时，在不改变光电倍增管工作状态的情况下，高增益电子倍增区将会饱和输出，但是低增益电子倍增区依然处于线性探测状态。此时选用低增益电子倍增区输出信号即可完成无失真探测功能，从而使得此光电倍增管的动态范围为传统微通道板光电倍增管的动态范围十倍以上。

实施例

如图2所示，本实施例光电倍增管由真空容器1、光学输入窗2、电子倍增系统4、光电阴极3、阳极系统5所组成，图中未出真空容器1、光电阴极3。

光学输入窗2为平面光学输入窗2，且为圆形结构。

光电阴极3镀制于平面光学输入窗2内表面(图2中的下表面)。

电子倍增系统4由6片相同结构参数的扇形微通道板(MCP)电子倍增器，分别为第一扇形微通道板电子倍增器41、第二扇形微通道板电子倍增器42、第三扇形微通道板电子倍增器43、第四扇形微通道板电子倍增器、第五扇形微通道板电子倍增器、第六扇形微通道板电子倍增器组成，此6片扇形MCP电子倍增极从同一片完整圆形MCP进行6等分所得。平面光学输入窗2的半径较完整圆形MCP半径长10mm，光电阴极3阴极面距离第一扇形微通道板电子倍增器41、第二扇形微通道板电子倍增器42、第三扇形微通道板电子倍增器43、第四扇形微通道板电子倍增器、第五扇形微通道板电子倍增器、第六扇形微通道板电子倍增器的距离不同，且由大到小依次为5.00mm，4.75mm，4.50mm，4.25mm，4.00mm，3.75mm。

阳极系统5也由6个扇形结构阳极所构成，6个扇形结构阳极分别为第一扇形结构阳极51、第二扇形结构阳极52、第三扇形结构阳极53、……第六扇形结构阳极，每一个扇形结构阳极均有扇形金属电极片以及锥形电极引出线所组成，扇形金属电极片结构阳极的结构参数与扇形MCP电子倍增极一致。每一个扇形MCP电子倍增极图2所示下方位置放置一个扇形结构阳极，所有扇形结构阳极上表面分布于同一平面内。

为了保证各个光电阴极3发射电子运动至电子倍增区具有相近的时间参数(渡越时间、渡越时间弥散等)，在光电阴极3工作电压不变的情况下给不同的扇形MCP电子倍增极施加不同的工作电压，距离阴极较近的扇形MCP电子倍增极施加较低电压值，而距离阴极较远的扇形MCP电子倍增极施加较高电压值。在本实施例中，平面光学输入窗2设置电压为0V，第一扇形微通道板电子倍增器41距离光电阴极3的距离最远为5mm，则第一扇形微通道板电子倍增器41输入面电极施加电压为900V，然后依距离平面光学输入窗2距离的依此减小，则第二扇形微通道板电子倍增器42、第三扇形微通道板电子倍增器43、第四扇形微通道板电子倍增器、第五扇形微通道板电子倍增器、第六扇形微通道板电子倍增器输入面电极电压依次为810V、720V、660V、580V、500V，而所有扇形MCP电子倍增极输出电极电压相同，均为1400V。这样扇形MCP电子倍增极的工作电压依此为500V、590V、680V、740V、820V、900V，由于所有扇形MCP均从一整块MCP分割而制备，阴极增益特性具有较好的一致性，从而不同的工作电压值情况时的增益也会相应的呈现不同数值。不同电子倍增区输入面与阴极之间电压差和两者之间距离关系曲线图如图3所示，图中所示电压差与两者之间的距离基本呈线性关系。

图4为本实施例光电倍增管施加上述稳态工作电压时，平面光学输入窗2下表面处发射电子束后，在不同电子倍增区输入面接收电子束渡越时间统计值与两者之间距离关系曲线。图中可以看出。由于与平面光学输入窗2之间工作电压差不同，距平面光学输入窗2不同位置处的电子倍增区输入面基本同时接收到电子，避免不同位置处的电子倍增区输出信号差异输出信号产生探测误差。

图5为本实施例光电倍增管施加上述稳态工作电压时，平面光学输入窗2下表面处发射电子束后，在不同电子倍增区输入面接收电子束渡越时间弥散计算值与两者之间距离关系曲线。从结果可以看出最大渡越时间的弥散值为13.3ps，最小的渡越时间弥散值为9.4ps，由于MCP器件在高工作电压情况进行电子倍增时的时间弥散接近100ps数值，因此3.9ps的渡越时间弥散的离散值对整个电子倍增过程时间参数影响较小。

图6为实施例光电倍增管第施加上述稳态工作电压时，平面光学输入窗2下表面处发射电子束后，各个电子倍增区输入面处接收电子数目占阴极发射电子总数比例与两者之间距离关系曲线。从结果可以看出虽然各个电子倍增区与平面光学输入窗2的距离不同、工作电压差不同，但是每个电子倍增区所接受到电子数目占比平面光学输入窗2发射电子总数的比例基本相同。

综上所述，本实施例光电倍增管将电子倍增区划分为6个区域，每个区域内的电子增益不同，各个电子倍增区内所体现的时间特性相近，从而保证各个电子倍增区的探测结果具有较好的一致性。因此在使用该光电倍增管进行探测时，被探测光信号都同时被所有的电子倍增区进行电子倍增探测并输出响应的探测结果电信号。当被探测光信号光强度较弱时，所有电子倍增区的探测结果都可采用，而当被探测光信号光强度较强时，高增益电子倍增区将会饱和输出，但是低增益电子倍增区依然处于线性探测输出状态，此时选用低增益电子倍增区输出信号即可完成无失真探测功能，进而使得此器件具有较高的动态范围。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (9)

1.一种倍增簇集式光电倍增管，包括真空容器(1)、设置在真空容器(1)上的光学输入窗(2)、设置在光学输入窗(2)内壁的光电阴极(3)，以及设置在真空容器(1)内的电子倍增系统(4)、阳极系统(5)和供电极，其特征在于：

所述电子倍增系统(4)与光电阴极(3)的中心共轴，电子倍增系统(4)包括拼接的多个电子倍增极，每个电子倍增极形成一个电子倍增区，所有电子倍增区的电子增益不同；

所有电子倍增区所覆盖区域小于等于光电阴极(3)有效探测区域；

所述阳极系统(5)包括与多个电子倍增极配合的多个阳极，阳极的数量与电子倍增极的数量相同，且位置一一对应，阳极的面型与其相对应的电子倍增极面型相同；

所述电子倍增系统(4)的电子倍增极为打拿级电子倍增器、微通道板电子倍增器、对电子有倍增作用的半导体器件中的至少一种；

所有电子倍增极与光电阴极(3)阴极面间的距离不相同以及所有电子倍增极的工作电压不同；

所述供电极用于给光电阴极(3)、所有电子倍增极、所有阳极供电；

所述真空容器(1)的容器壁上预留有电极引线和金属线，供电极通过电极引线与真空容器(1)外部的供电系统相连；

每个阳极的信号引出线通过金属线与外部电路连接。

2.根据权利要求1所述倍增簇集式光电倍增管，其特征在于：

所述电子倍增区的排布为环形排布或整列排布或直线型排布或多点排布方式。

3.根据权利要求2所述倍增簇集式光电倍增管，其特征在于：

所述所有电子倍增区所覆盖区域等于光电阴极(3)有效探测区域。

4.根据权利要求3所述倍增簇集式光电倍增管，其特征在于：

所述电子倍增系统(4)的电子倍增极均为打拿级电子倍增器或均为微通道板电子倍增器或均为对电子有倍增作用的半导体器件。

5.根据权利要求4所述倍增簇集式光电倍增管，其特征在于：

所述电子倍增极为N个，2≤N≤6；

所有电子倍增极与光电阴极(3)阴极面间的距离不相同和所有电子倍增极的工作电压不同具体为：

设光学输入窗(2)电压为0V；

电子倍增极与光电阴极(3)阴极面间的距离为5.00mm或4.75mm或4.50mm或4.25mm或4.00mm或3.75mm，电子倍增极相应的输入面电极电压分别为900V或810V或720V或660V或580V或500V。

6.根据权利要求3所述倍增簇集式光电倍增管，其特征在于：

所述光电阴极(3)和光学输入窗(2)的面型相同，且均为圆形；

所述多个电子倍增极为拼接形成整圆且相同结构参数的6个电子倍增极，每个电子倍增极为扇形微通道板电子倍增器；

6个电子倍增极沿圆周方向依次为第一扇形微通道板电子倍增器(41)、第二扇形微通道板电子倍增器(42)、第三扇形微通道板电子倍增器(43)、第四扇形微通道板电子倍增器、第五扇形微通道板电子倍增器、第六扇形微通道板电子倍增器；

第一扇形微通道板电子倍增器(41)、第二扇形微通道板电子倍增器(42)、第三扇形微通道板电子倍增器(43)、第四扇形微通道板电子倍增器、第五扇形微通道板电子倍增器、第六扇形微通道板电子倍增器与光电阴极(3)阴极面间的距离分别为5.00mm、4.75mm、4.50mm、4.25mm、4.00mm、3.75mm；

所述光学输入窗(2)电压为0V；

所述第一扇形微通道板电子倍增器(41)、第二扇形微通道板电子倍增器(42)、第三扇形微通道板电子倍增器(43)、第四扇形微通道板电子倍增器、第五扇形微通道板电子倍增器、第六扇形微通道板电子倍增器的输入面电极电压分别为900V、810V、720V、660V、580V、500V；

所述多个阳极为6个扇形结构阳极，每个扇形结构阳极包括扇形金属电极片和锥形电极引出线。

7.根据权利要求1至6任一所述倍增簇集式光电倍增管，其特征在于：

所有阳极分布于同一平面。

8.根据权利要求7所述倍增簇集式光电倍增管，其特征在于：

所述阳极为单阳极或多阳极输出结构或电子轰击探测器件。

9.根据权利要求8所述倍增簇集式光电倍增管，其特征在于：

所述光学输入窗(2)为平面结构或曲面结构；

所述光学输入窗(2)的材料为石英材料或氟化镁材料或硼硅酸盐玻璃。

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