CN114999885A - 一种具有高时间分辨率的大面积微通道板光电倍增管 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有高时间分辨率的大面积微通道板光电倍增管，属于真空光电探测器技术领域，包括：真空玻璃容器、光阴极、电子聚焦系统、电子倍增系统、阳极以及供电极，光阴极、电子聚焦系统、电子倍增系统以及阳极置于真空玻璃容器内，阳极通过信号引线穿过真空玻璃容器与外部电路相连，供电极通过电源线穿过真空玻璃容器与外部供电电路相连，真空玻璃容器为顶部呈曲面的圆柱桶，光阴极覆盖在曲面内表面上；电子聚焦系统包括圆柱形聚焦桶和锥形或球形聚焦桶，置于锥形聚焦桶内上端开口处。本发明兼具高时间分辨率和高光电子收集效率的优点，亦可提升光阴极覆盖率。

Description

一种具有高时间分辨率的大面积微通道板光电倍增管

技术领域

本发明属于真空光电探测器技术领域，具体涉及一种具有高时间分辨率的 大面积微通道板光电倍增管。

背景技术

光电倍增管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。大面积光电倍增管属于光电倍增管的一种类型，由于其光阴极覆盖面积 大，具备光子计数能力，广泛应用于大规模中微子及宇宙射线等高能物理探测 实验中。

传统的大面积光电倍增管为打拿极型，如图1所示，真空玻璃容器1采用 椭球形或近球形玻璃壳，光阴极2覆盖球壳内表面不到一半的部分区域，中心 沉底处放置打拿极电子倍增系统3，打拿极的个数一般为8～16个不等，打拿极 末端设置阳极4。当光照射真空玻璃容器1时，入射光子5会在光阴极2处发生 外光电效应产生光电子6，光电子6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4收集，并作为信号输出。 文献：Hirota S,Nishimura Y,Suda Y,et al.New large aperture,hybrid photo-detector and photo multiplier tube for a gigantic waterCherenkov ring imaging detector[J]. Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research Section A:Accelerators, Spectrometers,Detectors andAssociated Equipment,2014,766:152-155中涉及一 款典型的传统大面积打拿极型光电倍增管，性能优异：收集效率达90％，渡越 时间弥散(时间分辨率)为2.7ns。遗憾的是其外形为椭球体，光阴极2仅覆盖 上半球的部分区域，如将其置于探测器中构成阵列，受椭球体长径的限制，光 阴极2覆盖率不到80％，造成探测空间的浪费。

申请号为200910147915.4以及申请号为201410104388.X的中国专利申请公 开了一种新型大面积微通道板型光电倍增管，如图2所示，该发明公开的光电 倍增管，拥有球形真空玻璃外壳1；采用2组4片微通道板组件7代替传统的电 子倍增系统，左右分布竖直放置于容器中心；利用透射阴极与反射阴极相结合 的技术，实现了光阴极2的全球面覆盖，有效扩大了光阴极2的覆盖率。但该 管型实施难度较大，未形成量产，也没有相关样管研制报告。目前研制比较成 功、形成量产的大面积微通道板型光电倍增管，如图3所示，拥有椭球形真空 玻璃外壳1，微通道板组件7及阳极4水平沉底式放置于玻璃柄口处。对比上述 同尺寸的打拿极型光电增管，这种大面积微通道板型光电倍增管虽然在收集效 率提升到了100％，但渡越时间弥散较大，达15ns(NNVT,Photomultipliertubes, http://www.nvt.com.cn/art/2020/3/23/art_1235_25349.html)，此外，该管型长径为 508mm，光阴极2直径为460mm，也存在光阴极2覆盖率不高的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有高时间分辨率，同 时兼具高光电子收集效率和高光阴极覆盖率的大面积微通道板型光电倍增管。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种具有高时间分辨率的大面积微通道板光电倍增管，包括：真空玻璃容 器、用来接收光照并产生光电子的光阴极、用来加速聚焦从光阴极发射出来的 光电子的电子聚焦系统、用来收集电子聚焦系统加速聚焦后的光电子并产生倍 增电子的电子倍增系统、用来收集电子倍增系统输出的倍增电子的阳极以及用 来供电给所述光阴极、电子聚焦系统、电子倍增系统以及阳极的供电极，所述 光阴极、电子聚焦系统、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，所述真空 玻璃容器为顶部呈曲面的圆柱桶，光阴极均匀覆盖在所述曲面内表面；所述聚 焦系统与光阴极中心同轴，置于其正下方，包括1～3级圆柱形聚焦桶和置于其 内部的1级锥形或球形聚焦桶，所有聚焦桶均上下开口；所述倍增系统为单片 或多片微通道板组件，与光阴极中心同轴，置于所述锥形聚焦桶靠近上端开口 处；所述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。

为了达到提升光阴极覆盖率的目的，所述真空玻璃容器为顶部呈曲面的圆 柱桶，桶直径与光阴极直径相等，将其置于探测器中构成阵列后，光阴极覆盖 率可得到一定程度的提升。

为了获得高收集效率，所述聚焦系统置于光阴极正下方，与光阴极同轴， 包括1～3级圆柱形聚焦桶及1级锥形或球形聚焦桶，所有聚焦桶均上下开口， 微通道板置于锥形或球形聚焦桶内靠近顶部开口处，所加电压逐级增加。柱形 聚焦桶和锥形或球形聚焦桶的相互配合，可以实现光电子在有效聚焦后被微通 道板收集。

为了提升时间分辨率，所述微通道板与光阴极各纬度直线距离基本一致， 锥形或球形聚焦桶锥度或曲度应配合光阴极曲度而定，使光阴极各个位置产生 的光电子到达微通道板的路径距离差别不大，所经过的电场分布基本相同，从 而保证渡越时间弥散最小。

本发明的进一步改进，所述真空玻璃容器的顶部曲面可以为球面或椭球面。

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，与光阴极中心共轴，微通道板的输入电极(低电势面)面向所述真空玻 璃容器内部，输出电极(高电势面)面向所述阳极。

本发明的进一步改进，所述电子聚焦系统中，1～3级圆柱形聚焦桶，直径、 高度均一致，且直径等于或略小于光阴极。

本发明的进一步改进，所述电子聚焦系统中锥形或球形聚焦桶上窄下宽， 上端开口直径等于或略小于微通道板组件，下端开口直径大于微通道板组件， 且小于圆柱形聚焦桶，所述锥形或球形聚焦桶的高度不低于微通道板组件及阳 极厚度。

本发明的进一步改进，所述锥形或球形聚焦桶放置高度要求其上边缘不超 过首级圆柱形聚焦桶上边缘，不低于末级圆柱形聚焦桶下边缘。

本发明的进一步改进，所述聚焦系统、微通道板电子倍增系统以及阳极均 与光阴极中心同轴。

本发明的有益效果：

本发明通过利用顶部呈曲面的圆柱体外形设计，提升了光阴极覆盖率；通 过1～3级圆柱形聚焦桶及1级锥形或球形聚焦桶设计，保证了高电子收集效率； 通过合理设置的微通道板组件与光阴极距离、锥形或球形聚焦桶的锥度或曲度， 实现了光阴极各位置产生的光电子到达微通道板组件的路径及沿路电场的分布 基本相同，实现了高时间分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领 域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。

图1是传统技术中大面积打拿极光电倍增管的结构示意图；

图2是大面积微通道板光电倍增管结构示意图(微通道板竖直放置)；

图3是大面积微通道板光电倍增管结构示意图(微通道板水平放置)；

图4是本发明的光电倍增管的一个实施例的结构示意图；

图5是本发明的光电倍增管的电场模拟结果示意图。

图中标号说明：

1、真空玻璃容器；2、光阴极；3、打拿极电子倍增系统；4、阳极；5、入 射光子；6、光电子；7、微通道板组件；8、电子聚焦系统；81、首级圆柱形聚 焦桶；82、次级圆柱形聚焦桶；83、锥形聚焦桶；9、供电极及信号引出线；10、 绝缘杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚 度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系， 仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必 须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限 制。

一种具有高时间分辨率的大面积微通道板光电倍增管，如图4所示，主要 包括均匀覆盖在真空玻璃容器1顶部曲面上的光阴极2，及置于真空玻璃容器1 中的电子倍增系统、电子聚焦系统8、微通道板组件7、阳极4、供电极及信号 引出线9以及绝缘杆10。真空玻璃容器1为顶部呈曲面的圆柱体，该曲面可以 为球面或椭球面，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 以顶部为椭球面的圆柱形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。圆柱桶真空玻璃容器1直径与顶部光阴极2直径相等，将此外形 的光电倍增管置于探测器中构成阵列，相邻管的光阴极2间距更紧密，光阴极2 覆盖率可得到一定程度的提升；电子聚焦系统8置于光阴极2正下方，与之同 轴，包括1～3级圆柱形聚焦桶、锥形或球形聚焦桶，本实施例中采用首级圆柱 形聚焦桶81、次级圆柱形聚焦桶82及锥形聚焦桶83，所有聚焦桶均上下开口， 微通道板组件7置于锥形聚焦桶83的顶部开口处，该电子聚焦系统8设计可以 在光电倍增管内部形成聚焦电场，将光电子有效聚焦到微通道板组件7上，实 现高光电子收集效率；微通道板组件7到光阴极2各纬度直线距离基本一致， 锥形聚焦桶83锥度配合光阴极2曲度设计，使光阴极2各个位置产生的光电子 到达微通道板组件7的路径距离差别不大，所经过的电场分布基本相同，从而 保证渡越时间弥散最小。微通道板组件7作为电子倍增器用来收集并倍增聚焦 后的光电子，倍增后的光电子被阳极4收集并通过供电极及信号引出线9输出， 在图4中供电极及信号引出线9用一条直线表示，一方面作为信号引出线可以 输出阳极4收集到的电子流信号；另一方面，作为供电极，通过电源线与外部 供电电路相连，为光阴极2、电子聚焦系统8、微通道板组件7以及阳极4供电， 使他们之间依次形成电势差，保证光电倍增管的正常工作。

上述光阴极2采用适当的光阴极材料，厚度一致地涂镀在真空玻璃容器1 顶部曲面上，其中光阴极2材料可以为双碱或多碱金属材料，在涂镀的过程中 其厚度和结构依据具体使用需要而定。本实施例中，光阴极2及真空玻璃容器1 直径均为460mm，光阴极2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三聚焦极的电子聚焦系统8，该系统包括首级圆柱形 聚焦桶81、次级圆柱形聚焦桶82及锥形聚焦桶83。首级圆柱形聚焦桶81、次 级圆柱形聚焦桶82与光阴极2中心同轴，二者的直径及高度均相等，直径不能 过小，应等于或略小于光阴极2直径，桶高度及摆放高度和间距需结合工程实 际对聚焦效果和时间响应的需求而定，首级圆柱形聚焦桶81电势应高于光阴极 2电势，为10V～300V可调，次级圆柱形聚焦桶81电势应高于首级圆柱形聚焦桶 82，为200V～1000V可调；锥形聚焦桶83的设计有两方面作用：一方面，配合 上述首级圆柱形聚焦桶81和次级圆柱形聚焦桶82实现电子的聚焦，并获得高 时间分辨率；另一方面起屏蔽作用，将微通道板组件7及阳极4组件产生的电 场屏蔽在桶内，防止因该电场外溢造成光电倍增管性能下降。锥形聚焦桶83与 光阴极2中心同轴，上窄下宽，有上下两个开口，为保证高收集效率，上端开 口不大于微通道板组件7直径，下端开口不超过首级圆柱形聚焦桶81和次级圆 柱形聚焦桶82的直径。锥形聚焦桶83高度需要将微通道板组件7及阳极4全 部覆盖，具体高度值、锥度及摆放位置需结合收集效率及时间特性而定，锥形 聚焦桶83的电势应高于次级圆柱形聚焦桶82电势，为1000V～2000V可调。

微通道板组件7的个数视工程实际中对增益的要求而定，可以是单个微通 道板，也可以多个“V”型级联，本实施例中采用两片微通道板级联方式，每片 微通道板的输入电极面向锥形聚焦桶83上端开口处，输出电极面向阳极4。第 一片微通道板输入电极的电势应高于锥形聚焦桶83电势，二者电势差为 100～1000V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，微通道板组件7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4为倍增电子的收集极，接收来自微通道板组件7的电子流。阳 极4可以采用铜片或者其他金属材料，面积应大于或等于微通道板组件7的面 积，以便更好地收集来自微通道板组件7的电子流，阳极4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50～500V可调。

上述微通道板电子倍增系统和阳极4，由绝缘杆10支撑，通常为陶瓷架。 光阴极2、电子聚焦系统8、电子倍增系统和阳极4所需要的供电极及信号引出 线9置于绝缘杆10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。

这样，当光阴极2、电子聚焦系统8、电子倍增系统以及阳极4都加上工作 电压之后，光阴极2、电子聚焦系统8及电子倍增系统之间形成加速聚焦电场， 电子倍增系统与阳极4形成收集电场，光真空玻璃容器1进照射光阴极2产生 光电子，在聚焦电场的加速聚焦下被电子倍增系统收集，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4，收集之后的电流信号作为最终信号输 出。

根据以上实施例，利用有限积分法对该大面积微通道板光电倍增管进行了 结构性能模拟，如图5所示，电场分布结果表明：1.电场表现出明显的聚焦性， 从阴极面发射的电子将沿着电场线的方向，向微通道板运动。2.从阴极到微通 道板之间的电场分布一致性较高，意味着光电子从阴极运动到微通道板所经过 的路径，沿路电场分布近似，使得电子渡越时间弥散较小。3.除锥形聚焦电极 上端开口处，微通道板和阳极的产生的电场均得到有效的屏蔽。模拟结果显示， 这种结构的光电倍增管全阴极面光电子的收集效率达100％；全阴极面电子渡越 时间弥散可达1.2ns，该结果比上述量产的大面积微通道板光电倍增管提高了 10余倍，比性能优异的大面积打拿极型光电倍增管提升了1倍多。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描 述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发 明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一 定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点 可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业 的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明 还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种具有高时间分辨率的大面积微通道板光电倍增管，包括：真空玻璃容器(1)、用来接收光照并产生光电子的光阴极(2)、用来加速聚焦从光阴极(2)发射出来的光电子的电子聚焦系统(8)、用来收集电子聚焦系统(8)加速聚焦后的光电子并产生倍增电子的电子倍增系统、用来收集电子倍增系统输出的倍增电子的阳极(4)以及用来给所述光阴极(2)、电子聚焦系统(8)、电子倍增系统以及阳极(4)供电的供电极，所述光阴极(2)、电子聚焦系统(8)、电子倍增系统以及阳极(4)置于所述真空玻璃容器内(1)，所述阳极(4)通过信号引线穿过所述真空玻璃容器(1)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(1)与外部供电电路相连，其特征在于，所述真空玻璃容器(1)为顶部呈曲面的圆柱桶，光阴极(2)均匀覆盖在所述曲面内表面；所述电子聚焦系统(8)与光阴极(2)中心同轴，置于其正下方，包括1～3级圆柱形聚焦桶和置于其内部的1级锥形或球形聚焦桶，所有聚焦桶均上下开口；所述电子倍增系统为单片或多片微通道板组件(7)，与光阴极(2)中心同轴，置于所述1级锥形或球形聚焦桶靠近上端开口处；所述阳极(4)平行放置于所述微通道板组件(7)输出电极正后方，面积大于或等于微通道板。

2.根据权利要求1所述的一种具有高时间分辨率的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于，所述真空玻璃容器(1)的顶部曲面可以为球面或椭球面。

3.根据权利要求1所述的一种具有高时间分辨率的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于，所述电子聚焦系统(8)中，1～3级圆柱形聚焦桶，直径、高度均一致，且直径等于或略小于光阴极(2)。

4.根据权利要求1所述的一种具有高时间分辨率的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于，所述电子聚焦系统(8)中锥形或球形聚焦桶上窄下宽，上端开口直径等于或略小于微通道板组件(7)，下端开口直径大于微通道板组件(7)，且小于1～3级圆柱形聚焦桶，所述锥形或球形聚焦桶的高度不低于微通道板组件(7)及阳极(4)厚度。

5.根据权利要求1所述的一种具有高时间分辨率的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于，所述锥形或球形聚焦桶放置高度要求其上边缘不超过首级圆柱形聚焦桶上边缘，不低于末级圆柱形聚焦桶下边缘。

6.根据权利要求1所述的一种具有高时间分辨率的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于，所述电子聚焦系统(8)、微通道板电子倍增系统以及阳极(4)均与光阴极(2)中心同轴。

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