CN206905898U - 一种位敏阳极探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及光子计数成像探测技术领域，具体涉及一种位敏阳极探测器，该探测器包括带有光电阴极的阴极窗、MCP电子倍增器、位敏阳极和管状壳体，位敏阳极包括阳极绝缘衬底以及设置在阳极绝缘衬底上的金属膜阳极，金属膜阳极由n×n个独立阳极沿水平方向并列排成阳极阵列，每个独立阳极为正方形，相邻的独立阳极之间设有绝缘沟道；各独立阳极电极引线垂直穿过阳极绝缘衬底。该探测器动态范围大，既可以工作在单光子入射光条件下，又可以工作在较强的入射光条件下。
Description
技术领域
本实用新型涉及光子计数成像探测技术领域，具体涉及一种位敏阳极探测器。
背景技术
光子计数成像探测技术是对极微弱光目标成像的一种新技术，利用极微弱光照射条件下，光电探测器件输出信号自然离散化的特征，采用脉冲幅度甄别或脉冲计数的方法进行光子计数成像探测。由于基于微通道板(MCP)的位敏阳极探测器具有增益高、信噪比好等优点，在天文学、高能物理、核医学成像等光子技术探测领域得到了越来越广泛的应用。位敏阳极探测器按阳极解码方式可以分为阻抗型和电荷分割型，阻抗型是根据不同位置处的电极阻抗不同而产生不同的电极输出信号来进行事件解码，如Dely-line阳极。电荷分割型阳极是根据不同电极收到的电荷量来求解电荷云团的质心位置，如WSA、Vernier、Cross-Strip等阳极。
由于Delay Line延迟线阳极采用较高的介电系数和蛇形电极来减小信号脉冲的传输速度，使得所有输出电极的电荷信号产生延迟，信号处理的实时性较差。另外，由于受信号引出时间和电子响应时间的影响，只能探测单击事件，即动态范围小。
WSA阳极图案由楔电极、条形电极和之型电极构成，电极间由绝缘线分开，该阳极本身结构特点使得W、S、Z三个电极间交叉耦合系数比较大，电极间电容达到几百皮法，因此该探测器时间分辨率有限。另外，由于它只用三个电极来接收整个电荷云团的电荷量，其动态范围小，偏离中心越远图像扭曲越大。
在专利CN 101881658A中，Vernier阳极的电荷收集区为三种不同正弦绝缘沟道19波长的矩形电极单元排列而成的矩形区域，共有九个信号输出电极，Vernier阳极虽然在面积和图像扭曲畸变方面比WSA阳极有所改善，但其动态范围和时间分辨能力并没有明显提升。
Cross-Strip交叉位敏阳极具有良好的时间特性和动态范围，但是加工难度大。由于该阳极分为上、下两层，上层和下层均包括尺寸相同的多个矩形导电条，在专利CN103779149 A中，采用在2块覆铜层PCB板上光刻，然后把两块PCB板热压制成阳极。虽然解决其加工问题，但是用该方法制成的阳极不能承受高温烘烤，与真空器件高温热处理工艺不兼容。
实用新型内容
为了解决现有位敏阳极探测器动态范围小、时间分辨率低、位敏阳极加工难等问题，本实用新型提供一种位敏阳极探测器及其制作方法。本实用新型探测器具有二维位置分辨、良好的时间特性、高增益、有效探测面积比大、结构紧凑、易拼接等优点，可应用于大型医疗成像(PET)、小型伽玛相机、二维辐射监测等高能物理探测领域以及时间分辨光子计数器、多光纤闪烁计数、荧光光谱、并行多通道读出分光镜等。
本实用新型的技术解决方案是提供一种位敏阳极探测器，包括带有光电阴极2的阴极窗1、MCP电子倍增器8、位敏阳极和管状壳体，上述位敏阳极包括阳极绝缘衬底20以及设置在阳极绝缘衬底20上的金属膜阳极18，上述阴极窗1、管状壳体及阳极绝缘衬底20构成真空密封腔；上述光电阴极2、MCP电子倍增器8与金属膜阳极18位于真空密封腔内；
其特殊之处在于：
上述金属膜阳极18由n×n个独立阳极24沿水平方向并列排成阳极阵列，n的数值根据探测器空间分辨率要求确定，每个独立阳极24为正方形，相邻的独立阳极24之间设有绝缘沟道23；各个独立阳极24具有长度相等的电极引线21，上述电极引线21穿过阳极绝缘衬底20。
各个独立阳极24的电极引线穿过(优选垂直穿过)陶瓷衬底(或玻璃板衬底)，把各个独立阳极24直接引出真空环境，避免在各独立阳极24之间制作信号引线而增加信号干扰，同时每个阳极的引出线长度一致，各个金属导电层阳极单元的阻抗差别小，利于探测器阳极阻抗匹配。位敏阳极一面(靠金属导电层阳极面)位于真空中，另一面位于真空外，该位敏阳极避免了多个阳极信号引线制作所采用键合的常规制作方法，具有制作简单、结构紧凑的特点，另外，该阳极能承受400℃高温烘烤，与真空光电器件制作工艺具有良好的兼容性。
优选地，为了实现牢固及简单的固定MCP电子倍增器8，本实用新型探测器还包括卡簧7；
上述管状壳体包括依次叠放的铟封槽3、第一陶瓷环4、卡簧定位金属环5、第二陶瓷环9、第三陶瓷环11、环状MCP金属托盘12、第四陶瓷环13及金属下封环14；
上述阴极窗1固定于铟封槽3上；
上述卡簧7压在MCP电子倍增器8输入面上，卡簧斜面22卡在卡簧定位金属环5上；上述MCP电子倍增器8安放在环状MCP金属托盘12上；
阳极绝缘衬底20还包括与其固连的金属封接环19；上述金属下封环14与金属封接环19固连。
上述卡簧结构为一边带有开口的正方形，采用弹性较好的弹簧钢材料，用卡固定环的方式替代传统点焊金属压环来固定MCP的方法，具有装配简单、固定牢固、耐高温烘烤等优点。卡簧斜面卡在陶瓷管壳卡簧定位金属环上，卡簧下面压在MCP输入面上，卡簧的水平方向的弹力传递到竖直方向，施加到MCP上，起到固定MCP的作用。
优选地，为了提高MCP组的增益，上述管状壳体还包括位于第二陶瓷环9与第三陶瓷环11之间的MCP间金属电极环10；
上述MCP电子倍增器8采用2片MCP级联，呈V字形排列，安放在环状MCP金属托盘12上，2片MCP之间放置金属电极薄片环15；上述金属电极薄片环15与MCP间金属电极环10连接；
或上述MCP电子倍增器8采用3片MCP级联，呈Z字形排列，相邻MCP间放置金属电极薄片环，下层金属电极薄片环15(从上向下数，第二片金属电极薄片环)与MCP间金属电极环10连接。
上述MCP电子倍增器8一方面可以提高MCP组的增益，另一方面可以独立调节每片MCP的工作电压，使MCP组工作在最佳工作电压条件下。
优选地，为了防止在铟封阴极窗时多余铟料流出导致阴极和MCP导通或探测器部分区域不能成像，上述铟封槽3位于真空密封腔中的一侧壁设置有向真空密封腔延伸的铟槽平台6，多余的铟料直接留至环形铟槽平台上而不会流向MCP上。
优选地，为了便于MCP的装配，环状MCP金属托盘12设置有用于固定MCP电子倍增器8的MCP定位凸台16。
优选地，环状MCP金属托盘12上开有小孔17，利于探测器阴极制作高温烘烤时MCP与阳极之间区域的气体排出。
优选地，为了便于拼接多个探测器，该探测器的结构为立方体结构及上述阴极窗1、管状壳体及阳极绝缘衬底20构成的真空密封腔为立方体结构。
优选地，上述阴极窗1与铟封槽3铟封粘接；管状壳体中各金属件和陶瓷件采用钎焊封接；上述金属电极薄片环15的厚度小于0.1mm。
优选地，该探测器采用双近贴电子聚焦结构，即光电阴极2的阴极面与MCP输入面距离为1～3mm，MCP输出面与金属膜阳极18的距离为1～2mm。
优选地，金属膜阳极18的厚度为300nm～1μm。
优选地，上述阴极窗1为石英玻璃材料，光电阴极2为CsK2Sb双碱阴极；或阴极窗1为氟化镁紫外玻璃材料，光电阴极2为CsI或Cs2Te多碱阴极；
优选地，上述阳极绝缘衬底20采用陶瓷或玻璃材料。
本实用新型还提供一种上述的位敏阳极探测器制作方法，包括以下步骤：
管状壳体封接：加工封接胎具，将探测器管状壳体的各个金属件、陶瓷件依次封接，取出检漏；
管状壳体化铟：将完成封接的管状壳体置于真空炉中，在管状壳体的铟封槽3内预熔适量铟料，取出后刮掉一部分表面铟待用；
阴极窗1金属膜蒸镀：在阴极窗1铟封面即与铟封槽3的接触面上蒸镀多层金属膜；
制作阳极绝缘衬底20：加工封接胎具，将多根电极引线21、金属封接环19分别与陶瓷板或玻璃板封接；
制作金属膜阳极18：在阳极绝缘衬底20表面蒸镀金属导电膜，材料为Au、Cr、Cu、Ni、或Al，通过刻蚀得到多个独立阳极24；
装配探测器组件：在探测器金属陶瓷管状壳体中依次装配下层MCP、金属电极薄片环15、上层MCP、卡簧7及位敏阳极；将金属电极薄片环15与管状壳体中的MCP间金属电极环连接，使卡簧斜面22卡在管状壳体中的卡簧定位金属环5上，卡簧7压在MCP输入面上，将阳极绝缘衬底20的金属封接环19与管状壳体中的金属下封环14连接，然后检漏；
制作光电阴极2：首先把阴极窗1、阴极制作用碱源装入超高真空转移系统中的阴极制备腔室，探测器组件装入铟封腔室，然后对探测器各部件进行真空高温烘烤排气，烘烤完成后对MCP进行电子冲刷，排除其内部的残余气体；最后监控光电阴极2的光电流变化情况，根据变化情况调节碱源的蒸发量，使光电阴极2的灵敏度达到最佳值；
探测器铟封：当光电阴极2制作完成后，把带有阴极的阴极窗1从真空转移系统的阴极制备腔室转移到铟封腔室，采用热铟封方法，使阴极窗1与探测器组件的铟封槽3封接上。
优选地，管状壳体的各个金属件和陶瓷件采用钎焊封接；采用钎焊方法将多根电极引线21和陶瓷板封接，采用高温热熔的方法将多根电极引线21和玻璃板封接；采用光刻法或者激光精细加工法得到多个独立阳极24；金属电极薄片环15与管状壳体中的MCP间金属电极环通过点焊焊接；采用激光焊接法将阳极绝缘衬底的金属封接环19与管状壳体中的金属下封环14焊接；利用光电流监测设备监控光电阴极2的光电流变化情况；阴极窗1与探测器组件封接温度为120℃-160℃。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型探测器阳极由多个独立的阳极阵列组成，每个阳极有独立的信号引出线，探测器动态范围大，既可以工作在单光子入射光条件下，又可以工作在较强的入射光条件下；
2、本实用新型探测器阳极信号直接从阳极绝缘衬底下方引出，加工简单、结构紧凑；
3、本实用新型探测器采用双近贴结构和多块微通道板级联的电子倍增器，具有时间特性好、增益高、抗磁干扰、噪声低等优点，满足光子计数成像领域的应用需求；
4、本实用新型用卡簧固定MCP的方式替代传统点焊金属压环来固定MCP的方法，装配简单、固定牢固、耐高温烘烤；
5、在铟封槽位于真空密封腔侧设计了一个小铟槽平台，可以接收因探测器铟封时从铟封槽里挤压出来的多余铟料，防止铟料流到MCP上，导致阴极和MCP导通或者探测器部分区域不能成像；
6、本实用新型的探测器环状MCP金属托盘中设计了MCP定位台阶，便于MCP装配；在环状MCP金属托盘上设计加工小孔，利于探测器阴极制作高温烘烤时MCP与阳极之间区域的气体排出；
7、本实用新型的探测器采用方形结构，有效面积率达90％，利于多个探测器并列拼接使用，且当多个探测器拼接使用时探测盲区小。
附图说明
图1为本实用新型的位敏阳极探测器结构示意图；
图2a为本实用新型MCP固定环正剖视图；
图2b为本实用新型MCP固定环侧剖视图；
图3a为本实用新型位敏阳极正剖视图；
图3b为本实用新型位敏阳极侧剖视图；
图4为本实用新型位敏阳极探测器制作方法框图。
附图标记：1-阴极窗，2-光电阴极，3-铟封槽，4-第一陶瓷环，5-卡簧定位金属环，6-铟槽平台，7-卡簧，8-MCP电子倍增器，9-第二陶瓷环，10-MCP间金属电极环，11-第三陶瓷环，12-环状MCP金属托盘，13-第四陶瓷环，14-金属下封环，15-金属电极薄片环，16-MCP定位凸台，17-小孔，18-金属膜阳极，19-金属封接环，20-阳极绝缘衬底，21-电极引线，22-卡簧斜面，23-绝缘沟道，24-独立阳极。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型做进一步的描述。
本实用新型的位敏阳极探测器有效工作尺寸为20x20mm～100x100mm，包括阴极窗1、光电阴极2、MCP电子倍增器8、卡簧7(MCP固定环)、位敏阳极及金属陶瓷管状壳体，探测器采用双近贴电子聚焦结构，即阴极面与MCP输入面近贴距离为1～3mm，MCP输出面与电子接收阳极面近贴距离为1～2mm，见图1。
从图1可以看出，金属陶瓷管状壳体为方形结构(不限于方形，也可以为圆形结构)，包括依次叠放的金属铟封槽3、第一陶瓷环4、卡簧定位金属环5、第二陶瓷环9、MCP间金属电极环10、第三陶瓷环11、环状MCP金属托盘12、第四陶瓷环13、金属下封环14，各金属件和陶瓷件采用钎焊封接，具有良好的真空气密性。在铟封槽3靠近真空侧设计了一个小铟槽平台6，可以吸收因探测器铟封时从铟封槽3里挤压出来的多余铟料，防止铟料流到MCP上，导致阴极和MCP导通或者探测器部分区域不能成像；另外，在环状MCP金属托盘12中设计了MCP定位凸台16，便于MCP装配；在环状MCP金属托盘12上设计加工小孔17，利于探测器阴极制作高温烘烤时MCP与阳极之间区域的气体排出。
探测器阴极窗1为石英玻璃材料(不限石英玻璃和CsK2Sb双碱阴极)，光电阴极2为CsK2Sb双碱阴极(也可以是氟化镁、紫外玻璃窗口材料和CsI、Cs2Te、多碱阴极)，探测器的响应波段为160～650nm。石英阴极窗1置于铟封槽3上，两者之间用铟封的方式粘接在一起，石英阴极窗1一面位于真空环境外，另一面位于真空环境中。石英阴极窗1作为光电阴极2衬底，光电阴极2位于石英阴极窗1的真空面。
MCP电子倍增器8采用2片MCP级联，呈V字形排列安放在金属陶瓷管状壳体的环状MCP金属托盘12上，2片MCP之间放置厚度为小于0.1mm的金属电极薄片环15，金属电极薄片环15与陶瓷金属管状壳体的MCP间金属电极环点焊焊接，根据探测器增益的要求也可以用3片MCP级联，Z字形排列，相邻MCP间放置金属电极薄片环15，下层金属电极薄片环与MCP间金属电极环10点焊焊接。一方面可以提高MCP组的增益，另一方面可以独立调节每片MCP的工作电压，使MCP组工作在最佳工作电压条件下。
通过卡簧7固定MCP电子倍增器8，如图2a与图2b，卡簧7(MCP固定环)结构为一边带有开口的正方形，采用弹性较好的弹簧钢材料，用卡固定环的方式替代传统点焊金属压环来固定MCP的方法，具有装配简单、固定牢固、耐高温烘烤等优点。MCP固定环斜面卡在陶瓷管状壳体的卡簧定位金属环5上，固定环下面压在MCP输入面上，卡簧7的水平方向的弹力传递到竖直方向，施加到MCP上，起到固定MCP的作用。
从图3a和图3b可以看出，位敏阳极包括阳极绝缘衬底20和在衬底上制作的多个独立阳极24阵列，多个独立阳极24沿水平方向并列排成，数量为n×n个，n的数值根据探测器空间分辨率要求确定。每个独立阳极24为正方形，独立阳极24的厚度为300nm～1μm，长度为a，各个独立阳极24之间的绝缘沟道23宽度为b。本实施例以有效探测尺寸为60x60mm，阳极个数为8×8个为例(阳极尺寸及个数不限于此数值)，则a为7.3mm，b为0.2mm。各个独立阳极24的电极引线21垂直穿过陶瓷衬底(或玻璃板衬底)，把金属膜阳极18直接引出由阴极窗1、金属陶瓷管状壳体及陶瓷衬底或玻璃板衬底构成的真空环境，避免在各独立阳极24之间制作信号引线而增加信号干扰，同时每个阳极的引出线长度一致，各个独立阳极24单元的阻抗差别小，利于探测器阳极阻抗匹配。位敏阳极一面(即独立阳极面)位于真空中，另一面位于真空外，该位敏阳极避免了多个阳极信号引线制作所采用键合的常规制作方法，具有制作简单、结构紧凑的特点，另外，该阳极能承受400℃高温烘烤，与真空光电器件制作工艺具有良好的兼容性。
本实用新型位敏阳极探测器通过以下方法制作完成(如图4所示)：
金属陶瓷管状壳体封接：设计加工封接胎具，装配探测器金属陶瓷管状壳体的各个金属件、陶瓷件、银铜焊料，装配好后装入钎焊炉中升温封接，取出检漏，要求漏率≤10- 13Pa·l/s。
管状壳体化铟：将封接好的管状壳体置于真空炉里，让陶瓷管状壳体铟封槽3内预熔适量铟料，取出后刮掉一部分表面铟待用。
阴极窗1金属膜蒸镀：在石英阴极窗1铟封面上蒸镀多层金属膜，增强铟料在窗上的浸润性，提高真空封接气密性。
位敏阳极绝缘衬底20制作：设计加工封接胎具，采用钎焊方法把多根金属引线和陶瓷板封接，完成位敏阳极绝缘衬底20制作，也可以采用多根金属引线和玻璃板高温热熔的方法制作位敏阳极绝缘衬底20。
独立阳极阵列制作：在阳极绝缘衬底20表面蒸镀金属导电膜，材料为Au、Cr、Cu、Ni、Al均可，采用光刻法或者激光精细加工法，得到多个独立阳极24。
探测器组件装配焊接：在探测器金属陶瓷管状壳体中依次装配下层MCP、金属电极薄片环15、上层MCP、MCP固定环、位敏阳极，用点焊机把金属电极薄片环15与陶瓷金属管状壳体的MCP间金属电极环点焊焊接上，让MCP固定环斜面卡在陶瓷管状壳体卡簧定位金属环5上，固定环下面压在MCP输入面上，用激光焊接法把阳极衬底的金属封接环19与陶瓷管状壳体下封环14焊接上，然后检漏，要求漏率≤10-13Pa.l/s。
光电阴极2制作：把石英阴极窗1、阴极制作用碱源装入超高真空转移系统中的阴极制备腔室，探测器组件装入铟封腔室，然后对探测器各部件进行真空高温烘烤排气，烘烤完成后对微通道板进行电子冲刷，排除其内部的残余气体。最后进行光电阴极2的制作，制作过程中用光电流监测设备监控光电阴极2的光电流变化情况，根据变化情况调节碱源的蒸发量，使光电阴极2的灵敏度达到最佳值。
探测器铟封：当光电阴极2制作完成后，把带有阴极的石英窗从真空转移系统的阴极腔室转移到铟封腔室，采用热铟封方法，使阴极窗1与探测器组件封接上，封接温度为120℃-160℃。
Claims (8)
1.一种位敏阳极探测器，包括带有光电阴极(2)的阴极窗(1)、MCP电子倍增器(8)、位敏阳极和管状壳体，所述位敏阳极包括阳极绝缘衬底(20)以及设置在阳极绝缘衬底(20)上的金属膜阳极(18)，所述阴极窗(1)、管状壳体及阳极绝缘衬底(20)构成真空密封腔；所述光电阴极(2)、MCP电子倍增器(8)与金属膜阳极(18)位于真空密封腔内；
其特征在于：
所述金属膜阳极(18)由n×n个独立阳极(24)沿水平方向并列排成阳极阵列，n的数值根据探测器空间分辨率要求确定，每个独立阳极(24)为正方形，相邻的独立阳极(24)之间设有绝缘沟道(23)；各个独立阳极(24)具有长度相等的电极引线(21)，所述电极引线(21)穿过阳极绝缘衬底(20)。
2.根据权利要求1所述的位敏阳极探测器，其特征在于：还包括卡簧(7)，所述卡簧(7)用于固定MCP电子倍增器(8)；
所述管状壳体包括依次叠放的铟封槽(3)、第一陶瓷环(4)、卡簧定位金属环(5)、第二陶瓷环(9)、第三陶瓷环(11)、环状MCP金属托盘(12)、第四陶瓷环(13)及金属下封环(14)；
所述阴极窗(1)固定于铟封槽(3)上；
所述卡簧(7)压在MCP电子倍增器(8)输入面上，卡簧斜面(22)卡在卡簧定位金属环(5)上；所述MCP电子倍增器(8)安放在环状MCP金属托盘(12)上；
阳极绝缘衬底(20)还包括与其固连的金属封接环(19)；所述金属下封环(14)与金属封接环(19)固连。
3.根据权利要求2所述的位敏阳极探测器，其特征在于：所述管状壳体还包括位于第二陶瓷环(9)与第三陶瓷环(11)之间的MCP间金属电极环(10)；
所述MCP电子倍增器(8)采用2片MCP级联，呈V字形排列，安放在环状MCP金属托盘(12)上，2片MCP之间放置金属电极薄片环(15)；所述金属电极薄片环(15)与MCP间金属电极环(10)连接；
或所述MCP电子倍增器(8)采用3片MCP级联，呈Z字形排列，相邻MCP间放置金属电极薄片环(15)，下层金属电极薄片环(15)与MCP间金属 电极环(10)连接。
4.根据权利要求2至3任一所述的位敏阳极探测器，其特征在于：所述铟封槽(3)位于真空密封腔中的一侧壁设置有向真空密封腔延伸的铟槽平台(6)。
5.根据权利要求4所述的位敏阳极探测器，其特征在于：环状MCP金属托盘(12)设置有用于固定MCP电子倍增器(8)的MCP定位凸台(16)。
6.根据权利要求5所述的位敏阳极探测器，其特征在于：环状MCP金属托盘(12)上开有小孔(17)；所述阴极窗(1)、管状壳体及阳极绝缘衬底(20)构成的真空密封腔为立方体结构。
7.根据权利要求6所述的位敏阳极探测器，其特征在于：所述阴极窗(1)与铟封槽(3)铟封粘接；管状壳体中各金属件和陶瓷件采用钎焊封接；所述金属电极薄片环(15)的厚度小于0.1mm；光电阴极(2)的阴极面与MCP输入面距离为1～3mm，MCP输出面与金属膜阳极(18)的距离为1～2mm；金属膜阳极(18)的厚度为300nm～1μm。
8.根据权利要求7所述的位敏阳极探测器，其特征在于：所述阴极窗(1)为石英玻璃材料，光电阴极(2)为CsK2Sb双碱阴极；或阴极窗(1)为氟化镁紫外玻璃材料，光电阴极(2)为CsI或Cs2Te多碱阴极；
所述阳极绝缘衬底(20)采用陶瓷或玻璃材料。
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|---|---|---|---|
| CN201720676707.3U CN206905898U (zh) | 2017-06-12 | 2017-06-12 | 一种位敏阳极探测器 |
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Cited By (1)
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2017
- 2017-06-12 CN CN201720676707.3U patent/CN206905898U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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| CN107389187B (zh) * | 2017-06-12 | 2018-08-03 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 位敏阳极探测器及其制作方法 |
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