CN116564785A - 一种拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管，包括：真空玻璃容器和置于其中的光电阴极、球形聚焦电极、电子倍增极以及阳极。真空玻璃容器形状为球体或椭球体，底部有柄；光电阴极均匀覆盖在所述真空玻璃容器上半球内表面上；球形聚焦电极为球壳结构，具有顶部开口和底部开口，置于光电阴极正下方的玻璃容器柄口处；电子倍增极由单片或双片微通道板组件组成，置于聚焦电极球腔内靠近顶部开口处；阳极置于电子倍增极输出端正后方。本发明可实现高收集效率和高的时间分辨率。本发明兼具高收集效率和高时间分辨率的优点。

Description

一种拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管

技术领域

本发明涉及真空光电探测领域，具体涉及一种拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管。

背景技术

光电倍增管(Photomultiplier Tube简称PMT)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，由于其光电阴极覆盖面积大，具备光子计数能力，广泛应用于大规模中微子及宇宙射线探测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，外壳1为椭球形或近球形真空玻璃容器，光电阴极2覆盖球壳内表面上半球的部分区域，打拿极电子倍增极3沉底放置于玻璃柄口处，打拿极末端设置阳极4。当光照射球壳时，入射光子5会在光电阴处发生外光电效应产生光电子6，光电子在内部电场的作用下被打拿极电子倍增极3收集，并在电场力的作用下逐级倍增后被阳极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 fora gigantic water Cherenkov ring imaging detector[J].Nuclear Instruments andMethods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectorsand Associated Equipment,2014,766:152-155中涉及一种典型的大面积打拿极型光电倍增管产品R12860，由日本滨松公司研制，文献报道其收集效率为90％，渡越时间弥散(时间分辨率)较好，达2.7ns。

新型大面积光电倍增管为微通道板型，由中国科学院高能物理研究所、中国兵器集团北方夜视技术股份有限公司联合研发，目前北方夜视技术股份有限公司已实现量产，产品已广泛应用于江门中微子实验、锦屏地下实验以及高海拔宇宙线观测站等大型国际粒子探测实验中。大面积微通道板光电倍增管如图2所示它拥有椭球形玻璃外壳1，两片微通道电子倍增极7及阳极4水平沉底放置于玻璃柄口处。文献：Chen L,Wang X,He J,etal.Large area MCP-PMT design with good time performance[J].Optics Express,2022,30(14):25918-25925报道了一款大面积微通道板型光电倍增管产品P6201，收集效率可达100％，但渡越时间弥散较差，为15ns。

发明内容

本发明的目的是提供一种拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管，兼具高收集效率和高时间分辨率的优点。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管，包括真空玻璃容器和置于其中的光电阴极、球形聚焦电极、电子倍增极以及阳极；真空玻璃容器上部分形状为球体或椭球体，下部分形状为柄体；光电阴极均匀覆盖在所述真空玻璃容器球体或椭球体的上半球内表面上，用来接收光照并产生光电子；球形聚焦电极为球壳结构，具有顶部开口和底部开口，球形聚焦电极置于光电阴极正下方的真空玻璃容器柄体的柄口处，用来加速聚焦从光电阴极发射出来的光电子；电子倍增极由微通道板组成，置于球形聚焦电极的球壳腔内靠近顶部开口处，其输入电极面向球形聚焦电极顶部开口、输出电极面向阳极，电子倍增极用来收集并倍增球形聚焦电极加速聚焦后的光电子；阳极置于电子倍增极输出端正下方，用来收集电子倍增极输出的倍增电子。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

所述球形聚焦电极顶部开口和底部开口均为水平切面开口。

进一步地，所述球形聚焦电极的直径小于光电阴极的直径。

进一步地，所述球形聚焦电极的顶部开口直径等于或大于电子倍增极的直径。

进一步地，球形聚焦电极的顶部开口、底部开口之间的距离大于电子倍增极和阳极的总厚度。

进一步地，电子倍增极由单片或多片微通道板“V”型级联组成。

进一步地，所述的阳极平行放置于电子倍增极后，阳极的面积等于或大于电子倍增极的面积。

进一步地，球形聚焦电极、电子倍增极及阳极均与光电阴极中心同轴。

进一步地，所述球形聚焦电极、电子倍增极以及阳极由绝缘架固定成一体。

作为优选的方案，采用绝缘杆将由绝缘架固定成一体的球形聚焦电极、电子倍增极以及阳极支撑到真空玻璃容器内部，绝缘杆内置供电线及信号引出线，供电线为光电阴极、球形聚焦电极、电子倍增极以及阳极供电，信号引出线用于将阳极收集到的电信号引出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管，光电阴极、球形聚焦电极及电子倍增极相互配合，产生聚焦电场，实现光电子的有效聚焦和收集，保证高收集效率；通过合理设置电子倍增极放置高度、光电阴极曲度以及球形聚焦电极曲度，以保证光电阴极各点产生的光电子到达电子倍增极所经路程和沿途电场分布基本相同，实现高时间分辨率。

附图说明

图1：传统的大面积光电倍增管结构示意图。

图2：现有技术中的大面积微通道板光电倍增管结构示意图。

图3：本发明的拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管的结构示意图。

图4：本发明的拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管的电场模拟结果示意图。

图3中：1-真空玻璃容器；2-光电阴极；4-阳极；7-电子倍增极；8-球形聚焦电极；9-供电线及信号引出线；10-绝缘杆。

具体实施方式

以下通过实施例的形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明提供了一种拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管，如图3所示，包括真空玻璃容器1和置于其中的光电阴极2、球形聚焦电极8、电子倍增极7以及阳极4；真空玻璃容器1上部分形状为球体或椭球体，下部分形状为柄体；光电阴极2均匀覆盖在所述真空玻璃容器1球体或椭球体的上半球内表面上，用来接收光照并产生光电子；球形聚焦电极8为球壳结构，具有顶部开口和底部开口，球形聚焦电极8置于光电阴极2正下方的真空玻璃容器柄体的柄口处，用来加速聚焦从光电阴极2发射出来的光电子；电子倍增极7由微通道板组成，置于球形聚焦电极8的球壳腔内靠近顶部开口处，其输入电极面向球形聚焦电极顶部开口、输出电极面向阳极，电子倍增极7用来收集并倍增球形聚焦电极8加速聚焦后的光电子；阳极4置于电子倍增极输出端正下方，用来收集电子倍增极7输出的倍增电子。

实施例中，球形聚焦电极8的直径小于光电阴极2的直径。

实施例中，球形聚焦电极8的顶部开口和底部开口均为水平切面开口，顶部开口直径等于或略大于电子倍增极7的直径。

球形聚焦电极8的顶部开口、底部开口之间的距离大于电子倍增极7和阳极4的总厚度。

实施例中，电子倍增极由单片或多片微通道板“V”型级联组成。

实施例中，阳极4平行放置于电子倍增极7后，阳极4的面积等于或略大于电子倍增极7的面积。

球形聚焦电极8、电子倍增极7、阳极4均与光电阴极2中心同轴。

球形聚焦电极8、电子倍增极7以及阳极4由绝缘架固定成一体。

采用绝缘杆10将由绝缘架固定成一体的球形聚焦电极8、电子倍增极7以及阳极4支撑到真空玻璃容器1内部，绝缘杆10内置供电线及信号引出线9，供电线为光电阴极、球形聚焦电极、电子倍增极以及阳极供电，信号引出线用于将阳极收集到的电信号引出。

本发明中，光电阴极2用于接收光照并产生光电子，球形聚焦电极8用于加速聚焦从光电阴极2发射出来的光电子，电子倍增极7用于收集聚焦电极加速聚焦后的光电子并产生倍增电子，阳极4用于收集由电子倍增极输出的倍增电子，供电线用于供电给光电阴极2、聚焦电极、电子倍增极及阳极4，信号引出线用于将阳极4中的电信号引出。阳极4通过信号引出线穿过真空玻璃容器1与外部信号处理电路相连，供电线通过电源线穿过真空玻璃容器1与外部供电电路相连。

本发明中，光电阴极2与球形聚焦电极8、电子倍增极7相互配合，在光电倍增管内部形成聚焦电场，将光电子有效聚焦到电子倍增极7上，实现高光电子收集效率。

本发明中，通过合理设置电子倍增极7的放置高度、光点阴极2曲度以及球形聚焦电极8曲度，保证光电阴极2各点产生的光电子到达电子倍增极7所经路程和沿途电场分布基本相同，实现高时间分辨率。

图4为本发明的大面积微通道板光电倍增管的电场模拟结果示意图。

以下结合附图及试验验证对实施例的方案作进一步详细说明：

本发明提供了一种拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管，如图3所示，包括真空玻璃容器1和置于其中的光电阴极2、球形聚焦电极8、电子倍增极7以及阳极4。

光电阴极2可采用适当的光电阴极2材料，厚度一致地涂镀在真空玻璃容器1上半球内表面，具体的，光电阴极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。在本实施例中，光电阴极2直径为500mm，真空玻璃容器1直径为508mm，光电阴极2电势在整个大面积微通道板光电倍增管(以下简称光电倍增管)中最低，一般为0V。

本发明的光电倍增管采用了球形聚焦电极8结构，该设计有三方面作用：一方面，与光电阴极2和电子倍增极7配合产生聚焦电场，实现光电子的有效聚焦和收集；另一方面其曲度配合光电阴极2曲度而定，确保光电阴极2各个位置产生的光电子到达电子倍增极7所经过的电场分布基本相同，从而保证渡越时间弥散最小；最后，有效屏蔽电子倍增极7和阳极4产生的电场，使其不外溢，保证高收集效率。

其中，球形聚焦电极8直径大于电子倍增极7直径且小于光电阴极2直径，聚焦电极有上、下两个圆形开口，顶部开口直径等于或略大于电子倍增极7直径，本实施例中顶部开口直径略大于电子倍增极7直径。

其中，球形聚焦电极8高度(顶部开口、底部开口之间的距离)不低于单片或双片电子倍增极7组件及阳极4总厚度，具体球形聚焦电极8高度及摆放位置需结合工程实际对聚焦效果和时间分辨率的需求而定。球形聚焦电极8电势高于光电阴极2电势，为100V～1000V可调。

电子倍增极7的个数视工程实际对增益的具体要求而定，可以是单片微通道板，也可以多片微通道板“V”型级联，本实施例图3中采用两片电子倍增极7级联方式。第一片微通板输入电极的电势高于球形聚焦电极8电势，为了得到良好的收集效果，二者电势差应在100～1000V之间；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，电子倍增极7的偏置电压在600～1000V之间，两片电子倍增极7的间隙电压在50～1000V之间。

阳极4为倍增电子的收集极，接收来自电子倍增极7的倍增电子流，阳极4与传统光电倍增管的一样，可以采用铜片或者其他金属材料，阳极4的面积应大于或等于电子倍增极7的面积，以便更好地收集来自电子倍增极7的电子流，阳极4的电势应为最高，一般与最后一片微通道板输出电极的电势差在50～1000V之间。

实施例中，球形聚焦电极8、电子倍增极7组件以及阳极4，由绝缘架如陶瓷架固定成一体，并由绝缘杆10如陶瓷杆支撑在真空玻璃容器中。光电阴极2、聚焦电极、电子倍增极7组件和阳极4所需要的供电线及信号引出线9置于绝缘杆10中，在金属引线和陶瓷架之间可以采用熔焊工艺保持真空密封。

当光电阴极2、球形聚焦电极8、电子倍增极7组件以及阳极4都加上工作电压之后，光电阴极2、球形聚焦电极8及电子倍增极7组件之间形成加速聚焦电场，电子倍增极7组件与阳极4形成收集电场，光从真空玻璃容器1的外部进照射光电阴极2产生光电子，在聚焦电场的加速聚焦下被电子倍增极7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。

利用有限积分法对本发明的光电倍增管进行了结构性能模拟，电场分布结果(如图4)

表明：

1.电场表现出明显的聚焦性，从光电阴极面发射的电子将沿着电场线的方向，向电子倍增极7运动；

2.从光电阴极到电子倍增极7之间的电场分布一致性较高，意味着光电子从光电阴极运动到电子倍增极7所经过的路程，沿路电场分布近似，使得电子渡越时间弥散较小；

3.除球形聚焦电极8上端开口处，电子倍增极7和阳极4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％；全光电阴极面电子渡越时间弥散可达1.15ns，该结果比大面积电子倍增极光电倍增管产品P6201提高了十余倍，比日本滨松公司生产的大面积打拿极型光电倍增管R12860提升了一倍多。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于：包括真空玻璃容器和置于其中的光电阴极、球形聚焦电极、电子倍增极以及阳极。真空玻璃容器上部分形状为球体或椭球体，下部分形状为柄体；光电阴极均匀覆盖在所述真空玻璃容器球体或椭球体的上半球内表面上，用来接收光照并产生光电子；球形聚焦电极为球壳结构，具有顶部开口和底部开口，球形聚焦电极置于光电阴极正下方的真空玻璃容器柄体的柄口处，用来加速聚焦从光电阴极发射出来的光电子；电子倍增极由微通道板组成，置于球形聚焦电极的球壳腔内靠近顶部开口处，其输入电极面向球形聚焦电极顶部开口、输出电极面向阳极，电子倍增极用来收集并倍增球形聚焦电极加速聚焦后的光电子；阳极置于电子倍增极输出端正下方，用来收集电子倍增极输出的倍增电子。

2.根据权利要求1所述的拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于：球形聚焦电极的直径小于光电阴极的直径。

3.根据权利要求1所述的拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于：所述球形聚焦电极顶部开口和底部开口均为水平切面开口。

4.根据权利要求1所述的拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于：所述球形聚焦电极的顶部开口直径等于或大于电子倍增极的直径。

5.根据权利要求1所述的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于：球形聚焦电极的顶部开口、底部开口之间的距离大于电子倍增极和阳极的总厚度。

6.根据权利要求1所述的拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于：电子倍增极由单片或多片微通道板“V”型级联组成。

7.根据权利要求1所述的拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于：所述阳极平行放置于电子倍增极后，阳极的面积等于或大于电子倍增极的面积。

8.根据权利要求1所述的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于：球形聚焦电极、电子倍增极及阳极均与光电阴极中心同轴。

9.根据权利要求1所述的拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于：所述球形聚焦电极、电子倍增极以及阳极由绝缘架固定成一体。

10.根据权利要求1所述的拥有球形聚焦电极的大面积微通道板光电倍增管，其特征在于：采用绝缘杆将由绝缘架固定成一体的球形聚焦电极、电子倍增极以及阳极支撑到真空玻璃容器内部，绝缘杆内置供电线及信号引出线，供电线为光电阴极、球形聚焦电极、电子倍增极以及阳极供电，信号引出线用于将阳极收集到的电信号引出。