CN114551211A - 光电探测阵列阳极和多阳极光电倍增管 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种光电探测阳极和多阳极光电倍增管，涉及光电探测技术领域。该光电探测阳极包括位置探测层和时间探测层，其中：所述位置探测层包括多个金属条，所述多个金属条并列布置，所述多个金属条中各个金属条的端部分别连接第一信号读出装置，用于通过采集的电荷获取位置信息；所述时间探测层包括多根金属丝，所述多根金属丝并列布置，所述多根金属丝中各个金属丝的端部分别连接第二信号读出装置，用于通过采集的信号的波形来获取时间信息。本公开实现了可同时独立读出光电倍增管位置探测层的位置信息和时间探测层的时间信息。

Description

光电探测阵列阳极和多阳极光电倍增管

技术领域

本公开涉及光电探测技术领域，具体而言，涉及一种光电探测阵列阳极和多阳极光电倍增管。

背景技术

光电倍增管是一种将极微弱的光信号转换为电信号的真空探测器件。微通道板光电倍增管(Micro-Channel Plate Photo-Multiplier Tube,MCP-PMT)是指以微通道板为电子倍增系统的光电倍增管，与传统的静电聚焦打拿极结构的光电倍增管相比，首先在结构上使得电子从光电阴极到阳极的运动距离大大缩短，再加上微通道板的电子倍增特性，决定了这种结构的光电倍增管具有许多特定的性能，尤其是可以实现很高精度的位置分辨和时间分辨。

相关技术中光电倍增管的数据读出一般采用专用电子学或复合电子学进行信号读出。其中，专用电子学针对某一路模拟信号，可以直接使用电荷测试设备或者仪器测试电荷，例如电荷数字转换器(Q to Digital Converter，QDC)也可以使用时间测试设备或者仪器测试时间，例如时间数字转换器(Time to Digital Converter，TDC)，但电荷、时间这两个参数的测试是先后分别进行，不能同时测试；也可以使用波形获取设备或仪器获取信号波形，例如闪烁模数转换器(Flash Anolog to Digital Converter，FADC)通过分析信号波形，同时获得信号的电荷信息和时间信息。但以上都只能测试一次，是专用的。复合电子学采用有源或者无源的扇入扇出单元，把某一路信号平均分为多路，实现电荷和时间信息的同时同步测试。但这样测试存在风险，即对几十皮秒(ps)的快速信号，一旦进行扇入扇出处理，其时间信息马上变得很慢，丢失了原有信号所承载的快速时间特性，也就是非常快速的扇入扇出电子学很难获取或者研制，成本较高。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种光电探测阵列阳极和多阳极光电倍增管，在实现可同时读出位置信息和时间信息的情况下，一定程度上节约电子学通道和成本。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开的一方面，提供一种光电探测阳极，包括位置探测层和时间探测层，其中：所述位置探测层包括至少一个金属条，所述金属条的端部连接第一信号读出装置，用于通过采集的信号的电荷来获取位置信息；所述时间探测层包括至少一根金属丝，所述金属丝的端部连接第二信号读出装置，用于通过采集信号的波形数据来获取时间信息。

根据本公开的一实施例，所述位置探测层包括多个所述金属条，多个所述金属条并列布置，多个所述金属条中各个金属条的端部分别连接所述第一信号读出装置。

根据本公开的一实施例，多个所述金属条为两层方向交错布置的二维金属条。

根据本公开的一实施例，所述二维金属条呈网状结构布置。

根据本公开的一实施例，多个所述金属条中各个金属条的两端分别连接所述第一信号读出装置。

根据本公开的一实施例，多个所述金属条包括多个第一金属条和多个第二金属条，所述第一金属条的宽度大于所述第二金属条的宽度，多个所述第一金属条与多个所述第二金属条间隔布置。

根据本公开的一实施例，所述金属条与所述金属丝同方向布置；或所述金属条与所述金属丝呈方向交错布置。

根据本公开的一实施例，所述时间探测层包括多根所述金属丝，多根所述金属丝中各根金属丝的一端分别连接所述第二信号读出装置。

根据本公开的一实施例，所述光电探测阳极还包括控制装置，用于仅控制所述第一信号读出装置通过采集信号的电荷来获取位置信息，或仅控制所述第二信号读出装置通过采集信号的波形数据来获取时间信息，或同时控制所述第一信号读出装置和所述第二信号读出装置分别通过采集信号的电荷来获取位置信息以及通过采集信号的波形数据来获取时间信息。

根据本公开的一方面，提供一种多阳极光电倍增管，包括入射窗，用于透过待探测的光子；光阴极，用于将通过所述入射窗入射的光子通过光电效应转换为光电子并射出；微通道结构，用于将所述光阴极出射的光电子进行倍增，射出放大的电子流；如上所述的光电探测阳极，用于探测所述微通道结构出射的电子流；以及容纳所述光阴极、所述微通道结构以及所述光电探测阳极的真空容器，所述入射窗设置在所述真空容器上。

根据本公开的一实施例，所述时间探测层的位置与所述微通道结构之间的距离小于所述位置探测层的位置与所述微通道结构之间的距离。

本公开的实施例提供的多阳极光电倍增管，通过设置包括连接第一信号读出装置的金属条的位置探测层和端部连接第二信号读出装置的金属丝的时间探测层，通过将金属条端部分别以专用电子学连接，将金属丝端部分别以复合电子学连接，从而实现同时独立读出位置信息和时间信息，可节约电子学。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。

图1根据一示例性实施例示出的一种多阳极光电倍增管的阳极结构示意图。

图2根据一示例性实施例示出的另一种多阳极光电倍增管的阳极结构示意图。

图3根据一示例性实施例示出的再一种多阳极光电倍增管的阳极结构示意图。

图4根据一示例性实施例示出的又一种多阳极光电倍增管的阳极结构示意图。

图5根据一示例性实施例示出的又一种多阳极光电倍增管的阳极结构示意图。

图6根据一示例性实施例示出的另一种多阳极光电倍增管的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。符号“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

本公开提供的多阳极光电倍增管可以为一种多阳极快定时近贴聚焦微通道板光电倍增管(ultra-Fast time response microchannel plate PhotoMultiplier Tube，FPMT)，可在高能物理、医学器械、激光技术、航天航空、天文、大地测量学与轨道动力学等领域使用。FPMT是一种真空光电探测器件，由入射窗、光阴极面、微通道板(MicroChannelPlate，MCP)及阳极构成。光子入射后从光阴极面发射出光电子，光电子再入射到MCP细管内，碰撞其内壁，反复倍增后经阳极输出信号。

微通道板光电倍增管(MCP-PMT)是指以微通道板为电子倍增系统的光电倍增管，与传统的静电聚焦打拿极结构的光电倍增管相比，首先在结构上使得电子从光电阴极到阳极的运动距离大大缩短，再加上微通道板的电子倍增特性，决定了这种结构的光电倍增管具有许多特定的性能，尤其是可以实现很高精度的位置分辨，或者高精度时间分辨。

基于微通道板的光电倍增管可以分为两款：小面积的近贴聚焦型(一般为平板型FPMT)和大面积的静电聚焦型(一般为球型或者椭球型，英文为Large microchannel platePMT，简称为LPMT)。

由于大面积静电聚焦型MCP-PMT(LPMT)更倾向于高收集效率和高探测效率，所以在其结构设计、分压比例等方面进行了专门的调整，造成其时间性能并不突出，渡越时间分布(TTS)约为几十ns，不适用于快速时间响应、高时间分辨率的情况。

而小面积的近贴聚焦型的FPMT具有时间响应快、抗干扰能力强、体积小、重量轻等特点，特别适用于快速且极微弱光信号的探测，其时间特性TTS可以达到几十皮秒量级。

目前，世界上只有少数几家公司和研究所研制出此产品，典型的有日本Hamamatsu公司、法国的Photonis公司、英国的Photek公司、俄罗斯核物理研究所和美国的阿冈国家实验室。然而，由于FPMT在时间特性的优势，各领域对其的应用也在不断提升，其中包括高能物理、医学器械、激光技术、航天航空、天文、大地测量学与轨道动力学等领域。国内有几家研究所对此做过相关研究，但技术落后，产品性能较差，没有成熟的产品跟国际竞争。

目前近贴聚焦型光电倍增管大都采用阳极外接信号线缆或是其它阳极结构直接输出的形式，当一个光子透过窗口玻璃入射到光阴极上，通过光电效应转换为单光电子(存在转换效率)，转化的光电子通过聚焦电场加速飞行到微通道板上，(由于近贴结构，光电子飞行的路径短，从而使得光电子从光阴极到微通道板的飞行路径差异不大，也进一步说明了信号时间抖动较小的原因。)由于微通道板的每个通道都镀有二次电子发射材料，因此，光电子在微通道中进行多次二次电子发射，从而实现倍增放大，放大后的电子流打在阳极上，从而在阳极上出现一个电荷脉冲。为了研制位置灵敏的FPMT，需重新设计FPMT的阵列阳极结构，使阵列阳极中某一个阳极输出的信号，能够反映经过MCP倍增后的电子，在静电场的作用下被阳极收集的具体位置，进而得到对应的位置信息。

不同的阳极结构其信号的上升时间不同，上升时间反应了光电倍增管的时间响应，而上升时间跟信号带宽成反比关系，上升时间越小，其带宽越大，如下公式所示：

式中BW表示带宽，单位为GHz，RT表示上升时间，单位为纳秒(ns)。

图1是根据一示例性实施例示出的一种多阳极光电倍增管的阳极结构示意图。如图1所示，光电探测阳极可以包括位置探测层102和时间探测层104，其中，位置探测层102包括至少一个金属条1022，例如可以为一整块金属板，也可以为多个金属条1022，多个金属条1022可以并列布置，多个金属条1022中各个金属条1022的端部10222分别连接第一信号读出装置(图中未示出)，用于通过采集的电荷获取位置信息；时间探测层104包括至少一根金属丝1042，例如可以为一根金属丝，也可以为多根金属丝1042，多根金属丝1042可以并列布置，多根金属丝1042中各个金属丝1042的端部10422分别连接第二信号读出装置(图中未示出)，用于通过采集信号的波形来获取时间信息。

在一些实施例中，图1所示的金属条1022可以为微条，多根金属丝1042可以为几根细金属丝，利用微条读取电荷获取位置信息，通过细金属丝采集的信号用于获取对应的时间信息。

在一些实施例中，位置探测层102和时间探测层104为具有相对位置的两层，时间探测层104的位置与微通道结构606之间的距离可以小于位置探测层102的位置与微通道结构606之间的距离。例如，参照图6中多阳极光电倍增管的摆放，时间探测层104可以为顶层，位置探测层102可以为底层。本公开以此为例进行说明，但并不以此为限，例如若多阳极光电倍增管横置，位置探测层102的位置与时间探测层104的位置为左右关系。

在一些实施例中，底层位置探测层102可以为一维金属条1022读出结构，例如包括多个条状、并行排列的金属条，每根金属条1022两端10222分别以专用电子学连接第一信号读出装置，用于通过采集的电子获取位置信息。

在一些实施例中，顶层时间探测层104可以布置多根金属丝1042，为并行排列的金属丝线，每根金属丝1042的一端10422分别以复合电子学连接第二信号读出装置，用于通过采集到的电子获取时间信息。在实现时间读出的同时，提高位置分辨的精度，可以控制时间读出成本。在一些实施例中，金属条1022双端读出的接口106可以都采用MCX接口、或LEMO、SMA等各种标准或者异型接口读出，节约电子学通道和成本，并且可以将FPMT做的比较薄，实现双层FPMT的叠加放置，减少死区。

在一些实施例中，多根金属丝1042的一端10422读出的接口108也可以都采用MCX接口、或LEMO、SMA等各种标准或者异型接口读出。

在一些实施例中，参照图1，多个金属条1022可以与多根金属丝1042呈方向交错布置。

在另一些实施例中，多个金属条可以与多根金属丝同方向布置，具体实施方式可参照图2。

在一些实施例中，可以按照实际需要设计金属条1022的数量和宽度例如，可设计为8路宽条读出，宽条的两端分别设置一排整齐排列的接口；也可以设计为32路窄条读出，窄条的两端分别设置多排整齐排列的接口。

在一些实施例中，多个金属条包括多个第一金属条和多个第二金属条。第一金属条和第二金属条可以为两类金属条，第一金属条的宽度大于第二金属条的宽度，多个第一金属条与多个第二金属条间隔布置，不同宽度的金属条可以连接相同的读出接口，具体实施方式可参照图3。

在一些实施例中，第一信号读出装置可以为位置信息处理装置，例如上述的电荷测试设备或者仪器；第二信号读出装置可以为时间信息处理装置，例如上述的时间测试设备或者仪器。

在另一些实施例中，第一信号读出装置和第二信号读出装置也可以为同一集成了位置信息处理功能与时间信息处理功能的设备或者仪器。

在一些实施例中，光电探测阳极还可以包括控制装置(图中未示出)，用于仅控制所述第一信号读出装置通过采集信号的电荷来获取位置信息，或仅控制所述第二信号读出装置通过采集信号的波形数据来获取时间信息，或同时控制所述第一信号读出装置和所述第二信号读出装置分别通过采集信号的电荷来获取位置信息以及通过采集信号的波形数据来获取时间信息。即可以选择仅读出位置信息、或仅读出时间信息、或同时读出位置信息和时间信息。

根据本公开的实施例提供的光电探测阵列阳极，通过设置包括多个并列布置的、端部分别连接第一信号读出装置的金属条的位置探测层和包括多根并列布置的、端部分别连接第二信号读出装置的金属丝的时间探测层，通过将各个金属条端部分别以专用电子学连接，将各根金属丝端部分别以复合电子学连接，从而实现同时读出位置信息和时间信息，提高位置分辨的精度，可以控制时间读出成本，节约电子学通道和成本。

图2是根据一示例性实施例示出的另一种多阳极光电倍增管的阳极结构示意图。图2与图1类似，图2所示的光电探测阳极也可以包括位置探测层102和时间探测层204，位置探测层102包括多个金属条1022，时间探测层204包括多根金属丝2042。

参照图2，图2与图1的区别在于，多个金属条1022与多根金属丝2042同方向布置，多根金属丝2042可以设置于每两个相邻的金属条1022的空隙的上方。类似地，多个金属条1022中各个金属条1022的端部10222通过接口106分别连接第一信号读出装置(图中未示出)，多根金属丝2042中各个金属丝2042的端部20422通过接口208分别连接第二信号读出装置(图中未示出)，具体实施方式可参照图1，此处不再赘述。

图3是根据一示例性实施例示出的再一种多阳极光电倍增管的阳极结构示意图。图3与图1类似，图3所示的光电探测阳极也可以包括位置探测层302和时间探测层104，时间探测层104包括多根金属丝1042。

参照图3，图3与图1的区别在于，位置探测层302包括多个多个第一金属条3022和多个第二金属条3024，第一金属条3022的宽度大于第二金属条3024的宽度，多个第一金属条3022与多个第二金属条3024间隔布置。多个第一金属条3022的端部30222通过第一接口3062分别连接第一信号读出装置(图中未示出)，多个第二金属条3024的端部30242也通过第一接口3062分别连接第一信号读出装置。金属丝1042接口的具体实施方式可参照图1，此处不再赘述。

图4是根据一示例性实施例示出的又一种多阳极光电倍增管的阵列阳极结构示意图。如图4所示，类似图2，图4所示的光电探测阳极也可以包括位置探测层402和时间探测层204，时间探测层204包括多根金属丝2042。

参照图2，图4与图2的区别在于，多个金属条402包括两层方向交错布置的二维金属条4022。采用二维金属条402读出与金属丝2042时间读出，该结构可以包括两层，其中底层为二维金属条402读出结构，例如可以包括两层呈网状布置的金属条，每根金属条402两端40222分别以专用电子学连接，用于通过采集的电子获取位置信息。在位置信息读数的网状结构上，顶层布置多条金属丝2042为并行排列的金属丝线，这些金属丝线为单端读出的阳极丝(silk)来获取时间信息。在提高位置分辨的精度的同时，可以控制获取时间信息的电子学的成本。

在一些实施例中，二维金属条402呈网状布置，不将这些strip密排，可使两层交错的金属条402都能收集电子，通过微条宽度的调整可提高收集效率。

根据本公开实施例提供的光电探测阵列阳极，通过网状结构的二维位置条布置，阳极电荷信号读出的电子学读出减少，位置分辨能力提高，两个维度都可以达到um量级，同时也可以通过读取阳极丝的时间信息，同步实现位置和时间信息的同时获取。还可减少探测器厚度，可实现拼接，减少死区。

多阳极FPMT结构设计时，需要计算其特征阻抗，而计算与设计特征阻抗需考虑诸多因素。接口的设计需要考虑合适的尺寸、合理的接头的频率范围，以满足快速上升时间的要求。理论上，接头的频率范围越宽越好，高带宽也意味着快的上升时间(两者成反比关系)，但是，带宽越高，多阳极信号之间的串扰越严重，这直接影响FPMT信号的质量。设计时，综合考量串扰与信号带宽的关系，在保证信号完整性的情况下做到最优化。

图1至图4的阳极的方形整体框架仅为示例。图5是根据一示例性实施例示出的又一种多阳极光电倍增管的阵列阳极结构示意图。如图5所示，图5与图1的区别仅在于，图5的阳极的整体框架为圆形，标记示出的结构所表示的含义均与图1相同。图1至图4的阳极的整体框架的形状可以根据实际需要设计为各种形状，本公开并不以此为限。

图6是根据一示例性实施例示出的一种大面积多阳极光电倍增管的结构示意图。如图6所示，多阳极光电倍增管可以包括入射窗602、光阴极604、微通道结构606、光电探测阳极608和真空容器610。

入射窗602可用于透过待探测的光子；

光阴极604可用于将通过入射窗入射的光子通过光电效应转换为光电子并射出。

微通道结构606可用于将光阴极出射的光电子进行倍增，射出放大的电子流。

光电探测阳极608可用于探测微通道结构出射的电子流。光电探测阳极608可以为图1至图5所示的一种阳极结构。

容纳光阴极604、微通道结构606以及光电探测阳极608的真空容器610，入射窗602设置在真空容器上。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (11)

1.一种光电探测阳极，其特征在于，包括位置探测层和时间探测层，其中：

所述位置探测层包括至少一个金属条，所述金属条的端部连接第一信号读出装置，用于通过采集的信号的电荷来获取位置信息；

所述时间探测层包括至少一根金属丝，所述金属丝的端部连接第二信号读出装置，用于通过采集信号的波形数据来获取时间信息。

2.根据权利要求1所述的光电探测阳极，其特征在于，所述位置探测层包括多个所述金属条，多个所述金属条并列布置，多个所述金属条中各个金属条的端部分别连接所述第一信号读出装置。

3.根据权利要求2所述的光电探测阳极，其特征在于，多个所述金属条为两层方向交错布置的二维金属条。

4.根据权利要求3所述的光电探测阳极，其特征在于，所述二维金属条呈网状结构布置。

5.根据权利要求2所述的光电探测阳极，其特征在于，多个所述金属条中各个金属条的两端分别连接所述第一信号读出装置。

6.根据权利要求2所述的光电探测阳极，其特征在于，多个所述金属条包括多个第一金属条和多个第二金属条，所述第一金属条的宽度大于所述第二金属条的宽度，多个所述第一金属条与多个所述第二金属条间隔布置。

7.根据权利要求1所述的光电探测阳极，其特征在于，所述金属条与所述金属丝同方向布置；或所述金属条与所述金属丝呈方向交错布置。

8.根据权利要求1所述的光电探测阳极，其特征在于，所述时间探测层包括多根所述金属丝，多根所述金属丝中各根金属丝的一端分别连接所述第二信号读出装置。

9.根据权利要求1所述的光电探测阳极，其特征在于，还包括控制装置，用于仅控制所述第一信号读出装置通过采集信号的电荷来获取位置信息，或仅控制所述第二信号读出装置通过采集信号的波形数据来获取时间信息，或同时控制所述第一信号读出装置和所述第二信号读出装置分别通过采集信号的电荷来获取位置信息以及通过采集信号的波形数据来获取时间信息。

10.一种多阳极光电倍增管，其特征在于，包括：

入射窗，用于透过待探测的光子；

光阴极，用于将通过所述入射窗入射的光子通过光电效应转换为光电子并射出；

微通道结构，用于将所述光阴极出射的光电子进行倍增，射出放大的电子流；

如权利要求1至6中任意一项所述的光电探测阳极，用于探测所述微通道结构出射的电子流；以及

容纳所述光阴极、所述微通道结构以及所述光电探测阳极的真空容器，所述入射窗设置在所述真空容器上。

11.根据权利要求10所述的多阳极光电倍增管，其特征在于，所述时间探测层的位置与所述微通道结构之间的距离小于所述位置探测层的位置与所述微通道结构之间的距离。

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