CN115602520A - 一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管，包括真空玻璃容器及其内容的光阴极、电子倍增系统、阳极，分段施压式支撑系统以及供电极，阳极穿过真空玻璃容器与外部信号处理电路相连，供电极穿过所述真空玻璃容器与外部供电电路相连，真空玻璃容器为球形或近球形；光阴极均匀覆盖在真空玻璃容器上半球内表面；支撑系统置于真空玻璃容器柄口处；电子倍增系统置于分段施压式支撑系统顶部开口处；阳极平行放置于所述电子倍增系统的正后方。本发明光电倍增管具有高时间分辨率、高光电子收集效率、高光阴极覆盖率以及强抗地磁场干扰能力。

Description

一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管

技术领域

本发明属于真空光电探测器技术领域，具体涉及一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管。

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，真空玻璃容器采用椭球形或近球形玻璃壳，光阴极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，打拿极的个数一般为8～16个不等，其末端设置阳极。当光照射真空玻璃容器时，入射光子会在光阴极处发生外光电效应产生光电子，光电子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收集，并作为信号输出。文献：Hirota S,Nishimura Y,Suda Y,et al.New large aperture,hybrid photo-detectorand photo multiplier tube for a gigantic water Cherenkov ring imagingdetector[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated 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，由日本滨松公司生产，性能优异：收集效率达90％，渡越时间弥散(时间分辨率)为2.7ns。遗憾的是其外形呈椭球体，长径为508mm，光阴极直径仅为460mm，光阴极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，光阴极的覆盖率不到80％，造成探测空间的浪费；此外，文献：Liao D H,Liu H B,Zhou Y X,et al.Study of TTS for a 20-inch dynode PMT[J].Chinese Physics C,2017,41(7):076001报道了此光电倍增管产品的抗地磁场干扰能力：未屏蔽(受地磁场干扰)样管的渡越时间弥散可达屏蔽样管的5倍，抗地磁场干扰能力较弱。

新型大面积微通道板型光电倍增管(NNVT,Photomultiplier tubes,http://www.nvt.com.cn/art/2020/3/23/art_1235_25349.html)，由中国兵器集团北方也是技术股份有限公司生产。如图2所示，该光电倍增管拥有椭球形真空玻璃容器；采用2片微通道板组件代替传统的打拿极电子倍增系统，中心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收集效率提升到了100％。缺点是渡越时间弥散较大，达15ns；椭球壳长径为508mm，光阴极直径为460mm，光阴极覆盖率不高；此外，抗地磁场干扰能力也不强。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管，具有高时间分辨率、高光电子收集效率、高光阴极覆盖率以及强抗地磁场干扰能力。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管，包括真空玻璃容器、用来接收光照并产生光电子的光阴极、用来收集从光阴极发射出来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，用来支撑电子倍增系统和阳极并加速聚焦从光阴极发射出来的光电子的分段施压式支撑系统以及用来给所述光阴极、电子倍增系统、阳极以及分段施压式支撑系统供电的供电极；

所述光阴极、电子倍增系统、阳极及分段施压式支撑系统置于所述真空玻璃容器内中；

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，所述真空玻璃容器为球形或近球形；

所述光阴极均匀覆盖在真空玻璃容器上半球内表面，光阴极覆盖直径等于真空玻璃容器直径；

所述支撑系统置于真空玻璃容器柄口处；

所述电子倍增系统置于所述分段施压式支撑系统顶部开口处；

所述阳极平行放置于所述电子倍增系统的正后方，面积大于或等于电子倍增系统输出端口的面积。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的分段施压式支撑系统主体为上窄下宽、上下开口的锥形陶瓷桶。

上述的锥形陶瓷桶表面覆盖多级分段施压式电极，锥度根据光阴极曲度而定，配合分段施压式电极电压，使光阴极各个位置产生的光电子到达电子倍增系统所经路程及沿途的电场分布相同。

上述的分段施压式电极包含两级或两级以上，各级间有一定间距，且可独立施压。

上述的锥形陶瓷桶上端开口直径小于或等于电子倍增系统直径，下端开口直径不超过真空玻璃容器柄口直径，高度不低于电子倍增系统及阳极的总厚度。

上述的锥形陶瓷桶上边缘不低于真空玻璃容器柄口。

上述的电子倍增系统为打拿极电子倍增系统或多片微通道板组件。

上述的分段施压式支撑系统、电子倍增系统及阳极与光阴极中心同轴。

本发明具有以下有益效果：

本发明将光阴极均匀覆盖在真空玻璃容器上半球内表面上，光阴极覆盖直径等于真空玻璃容器直径，将其置于探测器中构成阵列后，有效提升了光阴极覆盖率；

利用分段施压式支撑系统设计，所述支撑系统主体为上窄下宽、上下开口的锥形陶瓷桶，陶瓷桶表面覆盖两级或两级以上的分段式电极，各电极间有一定间距，且可独立施压，电子倍增系统置于支撑系统顶部开口处，在支撑系统与电子倍增系统的适当配压下，可实现光电子到电子倍增系统的有效聚焦及收集；

设计了合理的电子倍增系统与光阴极距离以及支撑系统锥度及电压配置，所述电子倍增系统到光阴极各纬度直线距离基本一致；分段施压式支撑系统的锥度根据光阴极曲度而定，配合适当的分段电极电压，使光阴极各个位置产生的光电子到达电子倍增系统所经路程及沿途的电场分布基本相同，从而保证渡越时间弥散最小，提升了时间分辨率；

通过较高的支撑系统放置位置设计，所述支撑系统的放置高度不宜过低，其上边缘不低于真空玻璃容器柄口，使得光电子从光阴极到电子倍增系统的运动路程较短，所受磁场干扰较小，使这款光电倍增管拥有强抗地磁场干扰能力。

附图说明

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是新型大面积微通道板光电倍增管结构示意图；

图3是本发明的光电倍增管的一个实施例的结构示意图；

图4是本发明的光电倍增管的电场模拟结果示意图。

图1-4中的附图标记为：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、分段施压式支撑系统；81、首级分段式电极；82、次级分段式电极；83、末级分段式电极；9、供电极及信号引出线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

一种基于分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管，如图3所示，主要包括真空玻璃容器1，覆盖在真空玻璃容器1内部的光阴极2，置于真空玻璃容器1中的电子倍增系统、阳极4、分段施压式支撑系统8以及供电极及信号引出线9。

光阴极2用来接收光照并产生光电子光电子6；

电子倍增系统用来收集从光阴极2发射出来的光电子6并产生倍增电子；

分段施压式支撑系统8用来支撑电子倍增系统和阳极4并加速聚焦从光阴极2发射出来的光电子6；阳极4用来收集电子倍增系统输出的倍增电子，所述阳极4平行放置于所述电子倍增系统的正后方，面积大于或等于电子倍增系统输出端口的面积；

供电极用来给所述光阴极2、电子倍增系统、阳极4以及分段施压式支撑系统8供电；

真空玻璃容器1为球形或近球形，具体形状视工程中对光电子6渡越时间弥散的要求而定，这里以椭球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。

光阴极2均与覆盖于椭球形真空玻璃容器1上半球内表面，，光阴极2覆盖直径等于真空玻璃容器1直径，将此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，阴极覆盖率可得到一定程度的提升。

分段施压式支撑系统8与光阴极中心同轴置于光阴极2正下方的玻璃容器柄口处，放置高度不宜过低，本实施例中，分段施压式支撑系统8上边缘高于真空玻璃容器1的柄口，使光电子6从光阴极到电子倍增系统的运动路程较短，所受磁场干扰较小。

分段施压式支撑系统8主体为上窄下宽、上下开口的锥形陶瓷桶，表面覆盖多级分段式电极，，锥度根据光阴极2曲度而定，配合分段施压式电极电压，使光阴极2各个位置产生的光电子6到达电子倍增系统所经路程及沿途的电场分布相同。

本实施例中采用三级分段式电极覆盖于锥形支撑桶表面，分别为首级分段式电极81、次级分段式电极82及末级分段式电极83。

该分段施压式支撑系统8的设计可以在光电倍增管内部形成加速、聚焦电场，将光电子6有效聚焦到电子倍增系统内，获得高时间分辨率及高光电子6收集效率。

电子倍增系统置于分段施压式支撑系统8的顶部，与其中心同轴，可以是打拿极电子倍增系统3或微通道板组件7，本实施例采用2片微通道板组件7，但并不限制本发明的保护范围。

微通道板组件7到光阴极2各纬度直线距离基本一致，分段施压式支撑系统8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6到达微通道板组件7的距离差别不大，所经过的电场分布基本相同，从而保证渡越时间弥散最小。

阳极4置于微通道板后，与其中心同轴，用于收集经微通道板组件7倍增后的光电子6，供电极及信号引出线9输出阳极收集到的电子流信号，图3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、分段施压式支撑系统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内半球面，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直径等于真空玻璃容器1内长径，为500mm，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分段施压式支撑系统8，主体为锥形陶瓷桶，陶瓷桶上窄下款，上端开口直径小于等于电子倍增系统直径，下端开口直径不超过真空玻璃容器柄口直径，直径相当，高度不低于电子倍增系统及阳极4的总厚度。

锥形陶瓷桶表面覆盖三级分段式电极，各级高度均相等，且有一定间距，可独立施压，首级分段式电极81电势等于或略小于末级分段式电极83电势，为10～1000V可调，次级分段式电极82电势高于首级和次级的电势，为200～2000V可调。

该分段施压式支撑系统8的设计有三方面作用：

1.对电子倍增系统和阳极起到支撑作用；

2.配合电子倍增系统实现电子的加速聚焦，获得高时间分辨率及高收集效率；

3.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。

所述电子倍增系统为打拿极电子倍增系统3或多片微通道板组件7，级数视工程实际中对增益的要求而定，根据增益的需要，所述电子倍增系统由8～16级打拿极或2～3片“V”型级联的微通道板组成，所加电压逐级递增。

本实施例中采用两片微通道板“V”型级联方式，每片微通道板的输入电极面向真空球腔，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首级分段式电极81的电势，为100～2000V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。

光阴极2、分段施压式支撑系统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置于分段施压式支撑系统8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、分段施压式支撑系统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、分段施压式支撑系统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6，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，电场分布结果，如图4所示，其表明：

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6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。

统计模拟结果可得，此光电倍增管全阴极面光电子6的收集效率可达100％；

全阴极面电子渡越时间弥散可达3.0ns，该结果比上述量产的大面积微通道板光电倍增管提高了5倍；

当此光电倍增管垂直于地磁场方向放置时，受地磁场的影响最大，此时，收集效率略有降低为94.4％，比屏蔽状态下(理想情况，不受地磁场干扰)的打拿极型光电倍增管的收集效率还要高4.4％；

渡越时间弥散值缩短了0.05ns，相比屏蔽状态，反而性能有所提升，该光电倍增管拥有较强的抗地磁场干扰能力。

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。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管，其特征在于，包括真空玻璃容器(1)、用来接收光照并产生光电子(6)的光阴极(2)、用来收集从光阴极(2)发射出来的光电子(6)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)，用来支撑电子倍增系统和阳极(4)并加速聚焦从光阴极(2)发射出来的光电子(6)的分段施压式支撑系统(8)以及用来给所述光阴极(2)、电子倍增系统、阳极(4)以及分段施压式支撑系统(8)供电的供电极；

所述光阴极(2)、电子倍增系统、阳极(4)及分段施压式支撑系统(8)置于所述真空玻璃容器内(1)中；

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)为球形或近球形；

所述光阴极(2)均匀覆盖在真空玻璃容器(1)上半球内表面，光阴极(2)覆盖直径等于真空玻璃容器(1)直径；

所述支撑系统(8)置于真空玻璃容器(1)柄口处；

所述电子倍增系统置于所述分段施压式支撑系统(8)顶部开口处；

所述阳极(4)平行放置于所述电子倍增系统的正后方。

2.根据权利要求1所述的一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管，其特征在于，所述分段施压式支撑系统(8)主体为上窄下宽、上下开口的锥形陶瓷桶。

3.根据权利要求2所述的一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管，其特征在于，所述锥形陶瓷桶表面覆盖多级分段施压式电极，锥度根据光阴极(2)曲度而定，配合分段施压式电极电压，使光阴极(2)各个位置产生的光电子(6)到达电子倍增系统所经路程及沿途的电场分布相同。

4.根据权利要求3所述的一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管，其特征在于，所述分段施压式电极包含两级或两级以上，各级间有一定间距，且可独立施压。

5.根据权利要求2所述的一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管，其特征在于，所述锥形陶瓷桶上端开口直径小于或等于电子倍增系统直径，下端开口直径不超过真空玻璃容器(1)柄口直径，高度不低于电子倍增系统及阳极(4)的总厚度。

6.根据权利要求2所述的一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管，其特征在于，所述锥形陶瓷桶上边缘不低于真空玻璃容器柄口。

7.根据权利要求1所述的一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管，其特征在于，所述电子倍增系统为打拿极电子倍增系统(3)或多片微通道板组件(7)。

8.根据权利要求7所述的一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管，其特征在于，所述阳极(4)平行放置于所述电子倍增系统的正后方，面积大于或等于电子倍增系统输出端口的面积。

9.根据权利要求1所述的一种拥有分段施压式支撑系统的大面积光电倍增管，其特征在于，所述分段施压式支撑系统(8)、电子倍增系统及阳极(4)与光阴极(2)中心同轴。

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