CN200979870Y - 一种大面积弱光探测器 - Google Patents

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CN200979870Y CNU2006200158961U CN200620015896U CN200979870Y CN 200979870 Y CN200979870 Y CN 200979870Y CN U2006200158961 U CNU2006200158961 U CN U2006200158961U CN 200620015896 U CN200620015896 U CN 200620015896U CN 200979870 Y CN200979870 Y CN 200979870Y
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Abstract

一种大面积弱光探测器，包括输入窗和壳体，以及二者形成的空间，在所述空间内以输入窗为基准，顺序间隔设置有光电阳极、倍增阳极以及光电阴极，所述光电阴极为平板反射式阴极，以使入射光穿过输入窗照射在其上产生光电子，所述倍增阳极采用多点分布式微通道板结构；所述输入窗为平面窗，与多点分布式微通道板电子倍增阳极对应的多点光电阳极邻近输入窗设置，且所述多点光电阳极之间采用微带共面线连接形成输出端。其优点是：提高了光收集率和阴极量子效率，在获得足够大电子增益的同时，有利于制作大的光接收面积器件，并且，整体结构和制造工艺简单，适合批量生产，有利于降低成本。

Description

一种大面积弱光探测器
技术领域
本实用新型涉及光电技术领域，尤其涉及一种大面积弱光探测器。
背景技术
光电探测是物理学研究中的重要方法之一。其核心部件光探测器在诸如辐射计数、TOF计数、契伦科夫计数、热量计、宇宙线检测等方面得到了广泛的应用。这些应用要求探测器具有量子效率高、光电增益高、时间响应快、暗背景记数低、探测面积大、抗磁场能力强、成本低、易制做等特点。目前，光电倍增器件概括起来分为三类：固体半导体光电倍增器、真空光电倍增管以及真空器件与固体器件组合工作的混合型光电倍增器。这三类光电倍增技术已趋成熟，具有各自的特点和不足：
1、固体半导体光电倍增器有大的量子效率和抗强光照射的能力、大的动态范围、功耗低、工作频谱范围大、体积小、工作电压较低等优点。但是，如果以单位面积的成本计算，半导体光电倍增器件高于真空器件，并且这类器件噪声大，增益低，外围控制电路及热电制冷电路较复杂等缺点。因此很难真正用于光子记数，并且光敏面积很难做大(200mm2是目前的最好水平)。
2、真空光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)与通常的半导体光电探测器相比，具有高增益(106～107)、高灵敏度、低噪声、大光敏区面积的优点，是一种非常有效的弱光探测器件。大部分PMT均由光电阴极、具有二次电子倍增功能的打拿极和用于收集光电子的阳极组成，如图1a、图1b所示，通常的PMT打拿极结构复杂、反向偏压高、抗外部磁场能力较差，并且图1a所示的透射式阴极的光电倍增管由于其阴极基底要损失一部分能量，因此量子效率低，而如图1b所示的采用反射式阴极的光电倍增管，受打拿极结构的限制，入射角度有限，不可能做到全方位接收角。为了改善PMT的时间特性，又出现了采用微通道板(Micro-Channel Plate，MCP)进行二次倍增的PMT，如图2所示，这种PMT用MCP取代复杂的打拿极，因此结构简单，并且采用双近贴结构或简单的聚焦形式，时间响应可达100ps左右。由于这种PMT必须使用透射式阴极，因此无法进一步提高量子效率，并且面积受MCP面积限制，不可能做到很大的光接收面。虽然可以用CaAsP(峰值QE：50％)光电阴极，但由于制作工艺难度大，成本难以降低。
3、由真空器件与固体器件组合工作的混合型光电倍增管，这种光电倍增管既可以实现真空器件大的光敏面积，同时又可以获得更好的性能参数。在该类管子中，打拿极和阳极由雪崩二极管(AD)取代，其主要特点：低噪声、动态范围大、分辨率高、抗磁干扰能力强、探测光谱范围宽等特点。但是为了获得高的增益，阴极和AD之间需要加足够高的电压(通常：8kV～20kV)，因此被电子轰击的AD会同时释放离子，这些离子被加速并轰击阴极，从而降低阴极的工作寿命。目前该类器件的工作寿命还有待进一步实验。
总之，随着人们对高技术研究的不断深入，特别是近年来核物理、中微子探测等领域不断引起各国的重视，对新型光电倍增探测器的需要也就显得尤为迫切。特别是大面积接收器件，以国际最大的产品日本20-inch PMT为例，也存在着结构复杂、量子效率低、成本高等明显的不足。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种大面积弱光探测器，实现一种光接收面积大、量子效率高、制作工艺简单的弱光探测器。
本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种大面积弱光探测器，包括输入窗和壳体，以及二者形成的空间，在所述空间内以输入窗为基准，顺序间隔设置有光电阳极、倍增阳极以及光电阴极，所述光电阴极为平板反射式阴极，以使入射光穿过输入窗照射在其上产生光电子，所述倍增阳极采用多点分布式微通道板结构；所述输入窗为平面窗，与多点分布式微通道板电子倍增阳极对应的多点光电阳极邻近输入窗设置，且所述多点光电阳极相互连接形成输出端。
所述的大面积弱光探测器，其中：所述多点光电阳极之间采用微带共面线连接。
所述的大面积弱光探测器，其中：所述倍增阳极采用V形双微通道板级联方式。
所述的大面积弱光探测器，其中：所述光电阳极采用同轴结构输出。
所述的大面积弱光探测器，其中：所述光电阴极采用双碱阴极。
所述的大面积弱光探测器，其中：所述光电阴极与倍增阳极之间，以及倍增阳极与光电阳极之间采用近贴式结构。
本实用新型的弱光探测器，由于采用了近贴反射式平板光电阴极，保证了180度光接收角，提高了光收集率和阴极量子效率；由于采用了多点分布式微通道板(MCP)电子倍增阳极结构，在获得足够大电子增益的同时，有利于制作大的光接收面积器件；并且，由于光电阳极采用多点输出的微带共面线结构，改善了器件的时间响应特性。总之，本实用新型的弱光探测器在性能得到显著改善的同时，整体结构和制造工艺简单，适合批量生产，有利于降低成本。
附图说明
图1a、图1b分别为传统反射式和透射式真空光电倍增管结构示意图；
图2为现有技术采用MCP进行二次倍增的透射式PMT示意图；
图3a、图3b分别为本发明探测器的主视图和侧视图；
图4为图3b的A部局部结构放大示意图；
图5为本发明探测器立体示意图
图6为本发明V形双MCP与阳极结构示意图；
图7为透射式阴极和反射式阴极的量子效率曲线对比图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明：
本实用新型的弱光探测器，基于一种全新的设计思想，采用点阵光电子倍增阳极和行波共面线以及反射式光电阴极，其结构如图3a、图3b、图4及图5所示，包括有输入窗、壳体，以及由输入窗1、壳体2构成的真空空间3，在真空空间3内设置有光电阴极5、倍增阳极6以及光电阳极7。整个器件采用近贴平板结构，即输入窗1和光电阴极5均为平板结构，且光电阴极为一反射式阴极，设置在输入窗对面靠近壳体底部的位置，以便来自不同角度的入射光穿过输入窗照射在阴极上产生光电子，保证了180度光接收角。光电阳极紧贴输入窗设置，倍增阳极与光电阳极相邻，用于接收和二次倍增光电子，光电阴极与倍增阳极之间，以及倍增阳极与光电阳极之间采用近贴式结构，用于获得足够大的电子增益，实现弱光探测。为了在获得足够大的电子增益的同时实现大的光接收面积，本发明中倍增阳极采用了多点分布式的MCP结构，如图3b中的4所示，并且与多点分布式MCP倍增阳极相对应，采用多点光电阳极输出，为了保证器件的时间响应特性，多点光电阳极之间采用微带共面线8连接，共面线结构保证整管的响应时间非常快，时间响应比打拿极结构可以快几百倍，在纳秒量级甚至达皮秒量级。这种结构以及全新的工作原理，突破以往反射式光电阴极光接收角小、光电响应一致性差等局限性，用多点MCP取代了传统的复杂的打拿极，可以实现大的光接收面积，并且在同样大的光接收面积下，所发明的弱光探测器阴极量子效率、电子收集率和时间特性以及抗磁场干扰的能力都会得到显著的改善，特别适合工业化批量制作和形成大面积接收。
在实际应用中，综合考虑增益的要求和MCP带来的暗电流的影响，点阵倍增阳极采用采用如图6所示的V形双MCP级联工作模式，以此代替了复杂的多级打拿极结构。入射到MCP的光电子将被MCP倍增，对双MCP而言，增益在1×105～5×105。阳极采用同轴结构输出，以保证器件的时间特性。光电阴极可以采用双碱阴极(Sb-K-Cs)，根据被探测事件的光波长需要，也可用其他光电阴极反射式工作模式。典型的Sb-K-Cs反射式阴极的量子效率如图7所示，可以看到在可见光波段量子效率达到30％～40％，在紫外波段的量子效率改善更多。此外，反射式阴极的制作工艺比透射式阴极简单，并且导电基底不同于透射式阴极的基底要损失一部分能量(20SnO：～25％)，相反，基底作为一个反射镜将光再次反射回阴极，进一步提高量子效率。
中微子物理是当今粒子物理，天体物理与宇宙学的交叉与热点，对中微子的研究已经成为了当前物理学与宇宙学的前沿热点。例如大亚湾中微子实验的主要目的是在不同距离上测量大亚湾-岭澳核电站运行时产生的中微子的强度和能谱，精确测定中微子物理中的重要参数混合角sin22θ13至1％的精度，而实验用探测器需要数以千计的大面积微弱光探测器件，并要求器件增益高、接收面积大、时间响应快、抗电磁场干扰能力强，易于工业化大批量生产和低成本。本发明是在国家自然科学基金项目(项目号为10575072)的支持下完成的，本发明的大面积弱光探测器件可以用于该实验进行中微子的研究，其主要的性能参数较传统的大面积器件均得到改善，是一种理想的高能物理研究，特别是中微子探测用器件。
应当理解的是，上述针对具体实施例的描述较为详细，显然不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1、一种大面积弱光探测器，包括输入窗和壳体，以及二者形成的空间，其特征在于：在所述空间内以输入窗为基准，顺序间隔设置有光电阳极、倍增阳极以及光电阴极，所述光电阴极为平板反射式阴极，以使入射光穿过输入窗照射在其上产生光电子，所述倍增阳极采用多点分布式微通道板结构；所述输入窗为平面窗，与多点分布式微通道板电子倍增阳极对应的多点光电阳极邻近输入窗设置，且所述多点光电阳极相互连接形成输出端。
2、根据权利要求1所述的大面积弱光探测器，其特征在于：所述多点光电阳极之间采用微带共面线连接。
3、根据权利要求1或2所述的大面积弱光探测器，其特征在于：所述倍增阳极采用V形双微通道板级联结构方式。
4、根据权利要求3所述的大面积弱光探测器，其特征在于：所述光电阳极采用同轴结构输出。
5、根据权利要求4所述的大面积弱光探测器，其特征在于：所述光电阴极采用双碱阴极。
6、根据权利要求5所述的大面积弱光探测器，其特征在于：所述光电阴极与倍增阳极之间，以及倍增阳极与光电阳极之间采用近贴式结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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