RU2661887C2 - Photoelectric multiplier - Google Patents

Photoelectric multiplier Download PDF

Info

Publication number
RU2661887C2
RU2661887C2 RU2016119228A RU2016119228A RU2661887C2 RU 2661887 C2 RU2661887 C2 RU 2661887C2 RU 2016119228 A RU2016119228 A RU 2016119228A RU 2016119228 A RU2016119228 A RU 2016119228A RU 2661887 C2 RU2661887 C2 RU 2661887C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
photocathode
massive
light flux
input window
photoelectron
Prior art date
Application number
RU2016119228A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016119228A (en
Inventor
Борис Федорович Санталов
Original Assignee
Борис Федорович Санталов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Борис Федорович Санталов filed Critical Борис Федорович Санталов
Priority to RU2016119228A priority Critical patent/RU2661887C2/en
Publication of RU2016119228A publication Critical patent/RU2016119228A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2661887C2 publication Critical patent/RU2661887C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J43/00Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes

Landscapes

  • Common Detailed Techniques For Electron Tubes Or Discharge Tubes (AREA)
  • Image-Pickup Tubes, Image-Amplification Tubes, And Storage Tubes (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: photoelectron multiplier (PEM) with a massive (reflecting) photocathode and a photoelectron focusing system is proposed. Inside vacuum cylinder 1 massive photocathode 3 with metal base 4 is installed facing input light flux. Photocathode covers only a part of the area of input window 2. Light flux passes through the free part of the input window to cathode chamber 7. Mirror reflector 6 a), which can be part of the photoelectron focusing system, redirects the light flux to emission surface 5 of massive photocathode 3. Focusing system 6 collects and focuses flux of photoelectrons emitted from the photocathode to the input of multiplication system 8. Geometry of specular reflector 6 a), dimensions of massive photocathode 3 and their relative position in cathode chamber 7 determine photomultiplier angle of view. Thermoelement 11 can be installed in the PEM to cool photocathode 3.
EFFECT: photoelectron multiplier (PEM) with a massive (reflecting) photocathode and a photoelectron focusing system is proposed.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к фотоэлектронным умножителям (ФЭУ) и представляет собой высокочувствительный быстродействующий приемник оптического излучения, преобразующий энергию этого излучения в электрический сигнал.The invention relates to photomultiplier tubes (PMTs) and is a highly sensitive high-speed optical radiation receiver that converts the energy of this radiation into an electrical signal.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

Известны две принципиально отличающиеся конструкции вакуумных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ): 1) ФЭУ с полупрозрачным фотокатодом и 2) ФЭУ с массивным фотокатодом (отражающий фотокатод). В качестве аналогов изобретения взяты: R374 (с полупрозрачным фотокатодом) и R636-10 (с массивным фотокатодом) из каталога фирмы Hamamatsu Photonics «РМТ (photomultiplier tubes) CATALOG». Область применения таких ФЭУ - это широкий класс приборов научного и медицинского назначения, системы управления и навигации, астрономия и астрофизика, Физика Высоких Энергий (High Energy Physics HEP), особенно в тех случаях, где требуется высочайшая светочувствительность и быстродействие. Соответственно, широк и ассортимент изделий, выпускаемых указанной выше фирмой и многими другими фирмами.Two fundamentally different designs of vacuum photoelectronic multipliers (PMTs) are known: 1) PMTs with a translucent photocathode and 2) PMTs with a massive photocathode (reflective photocathode). As analogues of the invention taken: R374 (with a translucent photocathode) and R636-10 (with a massive photocathode) from the Hamamatsu Photonics catalog "PMT (photomultiplier tubes) CATALOG". The scope of such PMTs is a wide class of scientific and medical devices, control and navigation systems, astronomy and astrophysics, High Energy Physics HEP, especially in those cases where the highest light sensitivity and speed are required. Accordingly, a wide range of products manufactured by the above company and many other companies.

Внешний вид и схема внутреннего устройства аналогов представлены на Фиг. 1а) - ФЭУ с полупрозрачным фотокатодом (схематический продольный разрез), и Фиг. 1б) - ФЭУ с массивным фотокатодом (схематический поперечный разрез). Оба аналога имеют вакуумный баллон 1, обычно в форме тела вращения, в частности цилиндра, с входным окном 2 для приема светового потока. У ФЭУ с полупрозрачным фотокатодом Фиг. 1а) входное окно расположено на верхнем торце баллона, а у ФЭУ с массивным фотокатодом Фиг. 1б) на боковой стенке. Видно, что у ФЭУ с полупрозрачным фотокатодом внутренние элементы расположены вдоль направления входного светового потока и, в общем, выполняется симметрия, а у ФЭУ с массивным фотокатодом расположение внутренних элементов не совпадает с направлением входного светового потока и симметрия взаимного расположения фотокатода и прочих элементов отсутствует. Угол зрения - направление, из которого ФЭУ способен принимать световой поток, у обоих типов ФЭУ близок к полусфере (2π), а в некоторых особых применениях (Физика Высоких Энергий) желателен и более широкий угол зрения (патент РФ 2503082).The appearance and circuit diagram of the internal analog device are shown in FIG. 1a) - PMT with a translucent photocathode (schematic longitudinal section), and FIG. 1b) - PMT with a massive photocathode (schematic cross section). Both analogues have a vacuum cylinder 1, usually in the form of a body of revolution, in particular a cylinder, with an entrance window 2 for receiving the light flux. For PMTs with a translucent photocathode FIG. 1a) the input window is located on the upper end of the container, and for a PMT with a massive photocathode, FIG. 1b) on the side wall. It can be seen that for PMTs with a translucent photocathode, the internal elements are located along the direction of the input light flux and, in general, symmetry is fulfilled, while for PMTs with a massive photocathode, the location of the internal elements does not coincide with the direction of the input light flux and there is no symmetry in the relative position of the photocathode and other elements. The angle of view is the direction from which the photomultiplier is able to receive the light flux, for both types of photomultiplier it is close to the hemisphere (2π), and in some special applications (High Energy Physics) a wider angle of view is also desirable (RF patent 2503082).

Общий для обоих типов ФЭУ (Фиг. 1а) и б) принцип устройства и работы таков: энергия светового потока, входящего через входное окно 2 и падающего на эмиссионный слой 5 фотокатода 3, вызывает эмиссию фотоэлектронов в вакуумный объем баллона 1. Напряжения, приложенные от внешних цепей к фотокатоду 3 и к прочим электродам, создают электростатические поля, и под действием этих полей фотоэлектроны направляются на вход системы 8 умножения вторичных электронов. Умноженный поток электронов приходит на анод (коллектор) 9 и через выход (выходы) 10 выводится в виде электрического сигнала наружу. Таким образом, ФЭУ работает как фотоэлемент с использованием внешнего фотоэффекта и, одновременно, как умножающий усилитель, работающий по принципу вторичной электронной эмиссии.The principle of the device and operation common to both types of PMTs (Fig. 1a) and b) is as follows: the energy of the light flux entering through the input window 2 and incident on the emission layer 5 of the photocathode 3 causes the emission of photoelectrons into the vacuum volume of the cylinder 1. Voltages applied from external circuits to the photocathode 3 and other electrodes create electrostatic fields, and under the influence of these fields the photoelectrons are sent to the input of the secondary electron multiplication system 8. A multiplied stream of electrons arrives at the anode (collector) 9 and is output through the output (s) 10 in the form of an electrical signal to the outside. Thus, the PMT works as a photocell using an external photoelectric effect and, at the same time, as a multiplying amplifier, operating on the principle of secondary electron emission.

Существенное отличие ФЭУ Фиг. 1а) в том, что полупрозрачный фотокатод 3 принимает световой поток с одной стороны, а фотоэлектроны эмитирует с другой стороны попутно с направлением светового потока. Это позволяет организовать эффективное фокусирование фотоэлектронов с помощью электродов 6 (электростатических линз), расположенных в колбе ФЭУ сразу за фотокатодом 3. Эта часть внутреннего объема и устройства ФЭУ именуется «катодная камера» 7 и обычно хорошо различима снаружи. Отличие ФЭУ Фиг. 1б) в том, что его фотокатод («массивный фотокатод»), имеющий непрозрачное металлическое основание 4, эмитирует фотоэлектроны навстречу входному световому потоку. Поэтому у всех известных ФЭУ с массивным фотокатодом системы фокусирования фотоэлектронов как таковой нет.The significant difference between the PMTs of FIG. 1a) in that the translucent photocathode 3 receives the light flux on the one hand, and emits photoelectrons on the other hand along the way with the direction of the light flux. This allows you to organize the effective focusing of photoelectrons using electrodes 6 (electrostatic lenses) located in the PMT bulb immediately behind the photocathode 3. This part of the internal volume and PMT device is called the “cathode chamber” 7 and is usually clearly visible from the outside. The difference between the PMTs Fig. 1b) in that its photocathode (“massive photocathode”), having an opaque metal base 4, emits photoelectrons towards the input light flux. Therefore, all known PMTs with a massive photocathode have no photoelectron focusing system as such.

Недостатки ФЭУ с полупрозрачным фотокатодом - это недостатки самого фотокатода, о которых далее, в плане сравнения двух типов фотокатодов. Разработчики ФЭУ вынуждены мириться с этими недостатками полупрозрачного фотокатода ради возможности эффективного фокусирования фотоэлектронов. Суть в том, что катодная камера 7, с фотокатодом 3 и фокусирующими электродами 6, представляет собой систему проекции электронного образа фотокатода, наподобие той, которая используется в электронно-оптических преобразователях. Это свойство фокусирующей системы позволяет применить в сочетании с ней не только динодные системы умножения вторичных электронов, но и канальные (PerkinElmer, Channel Photomultiplier), а также мультиканальные и с микроканальными пластинами (SU 1295953, РМТ Hamamatsu R3809U-50) и создавать ФЭУ с различными свойствами для различных применений.The disadvantages of a photomultiplier with a semitransparent photocathode are the disadvantages of the photocathode itself, which are further discussed in terms of comparing two types of photocathodes. PMT developers are forced to put up with these shortcomings of the translucent photocathode for the sake of efficient focusing of photoelectrons. The bottom line is that the cathode chamber 7, with the photocathode 3 and focusing electrodes 6, is a projection system of the electronic image of the photocathode, similar to that used in electron-optical converters. This property of the focusing system makes it possible to use not only dynodic secondary electron multiplication systems, but also channel ones (PerkinElmer, Channel Photomultiplier), as well as multichannel and microchannel plates (SU 1295953, РМТ Hamamatsu R3809U-50) and create PMTs with various properties for various applications.

Полупрозрачный фотокатод, нанесенный в виде тонкого слоя полупроводника на внутреннюю поверхность входного окна ФЭУ, проявляет при работе свойства, которые в плане заявляемого изобретения можно рассматривать как недостатки. Потеря части световой энергии, связанная со сквозным пролетом значительной части светового потока через эмиссионный слой, - не самая драматичная потеря. Более существенно то, что свет начинает возбуждать электроны на границе с твердым телом - стеклом входного окна - и, чтобы выйти в вакуум, фотоэлектронам предстоит преодолеть всю толщину эмиссионного слоя. Потери на этом пути неизбежны. Другой недостаток полупрозрачного фотокатода - также из его полупроводниковой природы - низкая проводимость. Восполнение потерь электронов, эмитированных с различных участков фотокатода, идет из цепей внешнего питания, присоединенных к тонкому эмиссионному слою полупрозрачного катода по периферии его площади, а сопротивление вдоль тонкого эмиссионного слоя очень велико. Возникающие дефекты потенциального рельефа эмиссионного слоя выравниваются медленно, что снижает быстродействие и ухудшает шумовые характеристики ФЭУ.A semitransparent photocathode deposited in the form of a thin layer of a semiconductor on the inner surface of the PMT input window exhibits during operation properties that, in terms of the claimed invention, can be considered as disadvantages. The loss of part of the light energy associated with the through passage of a significant part of the light flux through the emission layer is not the most dramatic loss. More significantly, the light begins to excite electrons at the boundary with the solid - the glass of the input window - and in order to get out into the vacuum, the photoelectrons have to overcome the entire thickness of the emission layer. Losses along the way are inevitable. Another drawback of the translucent photocathode, also from its semiconductor nature, is its low conductivity. Replacing the losses of electrons emitted from various parts of the photocathode comes from external power circuits connected to the thin emission layer of the translucent cathode along the periphery of its area, and the resistance along the thin emission layer is very high. The emerging defects in the potential topography of the emission layer are aligned slowly, which reduces the speed and degrades the noise characteristics of the PMT.

Массивный фотокатод свободен от вышеуказанных недостатков и имеет ряд преимуществ. Возбуждение электронов светом, падающим на эмиссионный слой фотокатода, начинается на границе с вакуумом. Часть света, прошедшая через эмиссионный слой, отражается от металлического основания, еще раз проходит через эмиссионный слой. Оба эти фактора значительно увеличивают эффективность эмиссии фотоэлектронов сравнительно с полупрозрачным фотокатодом. Низкая проводимость эмиссионного слоя никак не сказывается на работе массивного фотокатода, поскольку восполнение потери эмитированных фотоэлектронов идет с металлического основания не вдоль тонкого эмиссионного слоя, а поперек.The massive photocathode is free from the above disadvantages and has several advantages. Electron excitation by light incident on the emission layer of the photocathode begins at the interface with the vacuum. The part of the light that has passed through the emission layer is reflected from the metal base, once again passes through the emission layer. Both of these factors significantly increase the efficiency of photoelectron emission compared to a translucent photocathode. The low conductivity of the emission layer does not affect the operation of the massive photocathode in any way, since the loss of emitted photoelectrons is compensated from the metal base not across the thin emission layer, but across.

Подробности устройства и работы ФЭУ в целом и фотокатодов, в частности, рассматриваются во многих учебных, научно-методических и информационных источниках. В патентах (например, патент US 8212457 B2), относящихся к совершенствованию состава и свойств эмиссионных слоев фотокатодов, непременно отмечается преимущество массивного фотокатода, причем по всем, как энергетическим, так и технологическим показателям.Details of the device and the operation of the PMT in general and photocathodes, in particular, are considered in many educational, scientific, methodological and information sources. In patents (for example, patent US 8212457 B2) relating to improving the composition and properties of the emission layers of photocathodes, the advantage of a massive photocathode is certainly noted, and in all respects, both energy and technological parameters.

Замечания, относящиеся к влиянию проводимости эмиссионного слоя на работу двух типов фотокатодов можно подытожить так: полупрозрачный фотокатод критичен в отношении световых нагрузок на фотокатод, а массивный не критичен и выдержит любую интегральную и импульсную световую нагрузку.The remarks related to the influence of the conductivity of the emission layer on the operation of two types of photocathodes can be summarized as follows: a translucent photocathode is critical for light loads on the photocathode, and a massive photocathode is not critical and can withstand any integral and pulsed light load.

До настоящего времени не найдено конструктивного решения для использования массивного фотокатода совместно с фокусирующей системой. Однако ввиду важнейшей роли, которую играет система фокусирования фотоэлектронов в работе ФЭУ как в рассмотренных выше аналогах, так и в данном изобретении, за прототип изобретения взят ФЭУ с полупрозрачным фотокатодом.To date, no constructive solution has been found for using a massive photocathode in conjunction with a focusing system. However, in view of the crucial role played by the photoelectron focusing system in the operation of the PMT, both in the analogs discussed above and in this invention, a PMT with a translucent photocathode was taken as a prototype of the invention.

Необходимо дополнительно отметить особенности прототипа, которые в плане данного изобретения рассматриваются как недостатки. Выше упоминалось, что угол зрения обоих типов ФЭУ близок к полусфере (2π), а иногда желателен и более широкий. Это свойство полезным образом используется во многих приложениях, особенно в области Физики Высоких Энергий, когда непредсказуемо направление, с которого «прилетит» к ФЭУ световой импульс. Однако многие иные применения ФЭУ в научных и медицинских приборах, в системах управления и навигации требуют апертурного согласования с объектом - источником излучения, которое в этом случае выполняется с помощью дополнительных оптико-механических средств. Это приводит к потерям световой энергии и к усложнению аппаратуры. В плане данного изобретения отсутствие у прототипа возможности задавать оптическую направленность ФЭУ за счет конструктивных параметров элементов рассматривается как недостаток.It is necessary to additionally note the features of the prototype, which in terms of this invention are considered as disadvantages. It was mentioned above that the angle of view of both types of PMTs is close to the hemisphere (2π), and sometimes a wider one is also desirable. This property is usefully used in many applications, especially in the field of High Energy Physics, when the direction from which the light pulse “flies” to the PMT is unpredictable. However, many other applications of PMTs in scientific and medical devices, in control and navigation systems require aperture matching with an object - a radiation source, which in this case is performed using additional optical-mechanical means. This leads to loss of light energy and to the complexity of the equipment. In terms of this invention, the lack of the prototype the ability to set the optical orientation of the PMT due to the structural parameters of the elements is considered as a disadvantage.

Недостатком прототипа является также сложность осуществления охлаждения фотокатода с целью снижения шумов ФЭУ. Известна система охлаждения фотокатода (Патент ЕР 2615621 А1), а также серия модулей С10372б 3-73 фирмы Hamamatsu Photonics. Эти системы представляют собой внешние по отношению к ФЭУ агрегаты. Недостаток этих и других подобных систем - громоздкость и сложность. Известна другая система, (Патент СССР 1091253), с очень низким энергопотреблением на охлаждение, но требующая существенного усложнения технологии производства. Во всех случаях охлаждение полупрозрачного фотокатода, снижая шумы ФЭУ, влечет за собой ухудшение его частотных характеристик из-за ухудшения проводимости эмиссионного слоя.The disadvantage of the prototype is also the difficulty of cooling the photocathode in order to reduce PMT noise. A known photocathode cooling system (Patent EP 2615621 A1), as well as a series of modules C10372b 3-73 from Hamamatsu Photonics. These systems are units external to the PMT. The disadvantage of these and other similar systems is cumbersomeness and complexity. Another system is known, (USSR Patent 1091253), with a very low power consumption for cooling, but requiring a significant complication of production technology. In all cases, cooling the semitransparent photocathode, reducing the PMT noise, entails a deterioration in its frequency characteristics due to a decrease in the conductivity of the emission layer.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Целью изобретения является создание ФЭУ, в котором совмещено использование массивного фотокатода, с его преимуществами, и системы фокусирования фотоэлектронов, что позволит производить ФЭУ с набором параметров, отсутствующих у аналогов, в том числе с определенными, задаваемыми при производстве углами зрения, а также с эффективным охлаждением эмиссионного слоя фотокатода через металлическую подложку при предельно малых затратах энергии на это охлаждение.The aim of the invention is to create a photomultiplier, which combines the use of a massive photocathode, with its advantages, and a photoelectron focusing system, which will make it possible to produce a photomultiplier with a set of parameters that are absent from analogues, including with certain angles of view set during production, as well as with effective cooling the emission layer of the photocathode through a metal substrate at extremely low energy costs for this cooling.

Эта цель достигается тем, что согласно изобретению в фотоэлектронном умножителе, в основном подобном прототипу по геометрии и функциям, используется массивный фотокатод в виде отдельной от стекла колбы плоской детали. Этот фотокатод согласно изобретению установлен в непосредственной близости или вплотную к внутренней поверхности входного окна так, что его основание обращено навстречу входному световому потоку. Площадь фотокатода выбирается меньшей или существенно меньшей площади входного окна. Световой поток может проходить через свободную часть входного окна в катодную камеру, где расположена система фокусирования фотоэлектронов. На стороне катодной камеры, противоположной входному окну, установлен зеркальный отражатель, предназначенный для того, чтобы менять направление входного светового потока и посылать его на эмиссионный слой фотокатода. Этот отражатель может быть самостоятельным функциональным и конструктивным элементом или являться частью электродной системы фокусирования фотоэлектронов. Соотношение размеров фотокатода и отражателя, их форма и взаимное расположения в катодной камере определяют угол зрения ФЭУ. Фотокатод может быть выполнен мозаично, в виде нескольких отдельных эмиссионных участков на общем металлическом основании для придания ФЭУ чувствительности по угловой направленности, реализуемой с помощью многоканальной системы умножения.This goal is achieved by the fact that in accordance with the invention, a massive photocathode in the form of a flat part separate from the glass from the bulb is used in a photoelectronic multiplier, mainly similar to the prototype in geometry and functions. This photocathode according to the invention is installed in close proximity or close to the inner surface of the input window so that its base is facing towards the input light flux. The area of the photocathode is selected smaller or substantially smaller than the area of the input window. The light flux can pass through the free part of the input window into the cathode chamber, where the photoelectron focusing system is located. A mirror reflector is installed on the side of the cathode chamber opposite the input window, designed to change the direction of the input light flux and send it to the emission layer of the photocathode. This reflector can be an independent functional and constructive element or be part of an electrode system for focusing photoelectrons. The ratio of the sizes of the photocathode and the reflector, their shape and relative position in the cathode chamber determine the angle of view of the PMT. The photocathode can be made mosaic, in the form of several separate emission sections on a common metal base to give the PMT sensitivity in angular direction, realized using a multi-channel multiplication system.

Дополнительно в специальном исполнении в состав внутренних компонент ФЭУ может быть включена система охлаждения фотокатода. Система состоит из дополнительно включаемого в конструкцию ФЭУ термоэлемента, металлического основания фотокатода, имеющего контакт с «холодной» стороной термоэлемента и стекла баллона ФЭУ, имеющего контакт с «горячей» стороной термоэлемента.Additionally, in a special design, the photocathode cooling system can be included in the composition of the internal PMT components. The system consists of a thermocouple additionally included in the design of the PMT, a metal base of the photocathode in contact with the “cold” side of the thermocouple, and a glass of the PMT cylinder in contact with the “hot” side of the thermocouple.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Фиг. 1 - пояснения существенных признаков аналогов имеющих отношение к данному изобретению.FIG. 1 - explanations of the essential features of analogues related to this invention.

Фиг. 2 - общая схема ФЭУ с массивным фотокатодом, фокусирующей системой и отражателем в катодной камере. На данной схеме для простоты показано, что отражатель выполнен как часть фокусирующего электрода. Этот частный случай не ограничивает возможности отдельного исполнения отражателя в виде самостоятельной детали.FIG. 2 is a general diagram of a PMT with a massive photocathode, a focusing system, and a reflector in the cathode chamber. This diagram shows for simplicity that the reflector is made as part of the focusing electrode. This particular case does not limit the possibility of a separate design of the reflector as an independent part.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯMODES FOR CARRYING OUT THE INVENTION

Варианты изобретения, описанные ниже, предназначены только для пояснения существенных отличий изобретения, но не для ограничения изобретения этими конкретными примерами.The embodiments of the invention described below are intended only to explain the essential differences of the invention, but not to limit the invention to these specific examples.

Осуществимость изобретения опирается на возможности, освоенные в области конструирования и производства ФЭУ. Включение существенно нового элемента - отражателя - технических трудностей не представляет. Включение функции охлаждения фотокатода опирается на перспективные разработки охлаждающих для чип-индустрии (ООО «РМТ») и на специфику теплового баланса охлаждаемого элемента, находящегося в вакууме.The feasibility of the invention is based on the opportunities developed in the field of design and production of PMTs. The inclusion of a substantially new element - a reflector - presents no technical difficulties. The inclusion of the cooling function of the photocathode is based on promising cooling designs for the chip industry (RMT LLC) and on the specifics of the heat balance of the cooled element in vacuum.

Сущность изобретения поясняется схемой Фиг. 2. Согласно изобретению массивный фотокатод 3 установлен непрозрачным основанием 4 навстречу входному световому потоку и перекрывает часть светового потока, падающего снаружи на входное окно 2. Эти потери светового потока в случае фотокатода относительно больших размеров, как на Фиг. 2), составляют примерно 1/4, что меньше потерь, связанных со сквозным пропусканием света полупрозрачным фотокатодом. Эти потери световой энергии в ФЭУ по данному изобретению компенсируются более высокой квантовой эффективностью массивного фотокатода. Отражатель 6 а) на данной схеме показан как часть электродной системы фокусирования 6 а) и 6 б). Такое исполнение осуществимо, поскольку металлические электроды, или часть их поверхности, могут быть выполнены зеркальными. Отражатель может быть выполнен и как самостоятельный элемент, отдельный от электродов системы фокусирования фотоэлектронов. Отражатель 6 а) перенаправляет световой поток, прошедший в катодную камеру 7, в сторону фотокатода 3, причем в зависимости от задачи конкретного исполнения, возможны различные варианты оптической фокусировки.The invention is illustrated by the diagram of FIG. 2. According to the invention, the massive photocathode 3 is mounted with an opaque base 4 facing the input light flux and blocks part of the light flux incident on the input window 2 from the outside. These light flux losses in the case of the photocathode are relatively large, as in FIG. 2), are approximately 1/4, which is less than the losses associated with the through transmission of light by a translucent photocathode. These light energy losses in the PMTs of the present invention are compensated by the higher quantum efficiency of the massive photocathode. Reflector 6 a) in this diagram is shown as part of the electrode focusing system 6 a) and 6 b). This design is feasible, since metal electrodes, or part of their surface, can be made mirror. The reflector can be made as an independent element, separate from the electrodes of the photoelectron focusing system. Reflector 6 a) redirects the luminous flux that has passed into the cathode chamber 7 towards the photocathode 3, and depending on the specific application, various optical focusing options are possible.

Симметричное расположение компонентов в катодной камере ФЭУ по данному изобретению и малая площадь фотокатода 3 по сравнению с полным размером входного окна 2 создает преимущественные условия для фокусирования фотоэлектронов на вход системы 8 умножения вторичных электронов. Система фокусирования фотоэлектронов может быть настроена как на острую фокусировку фотоэлектронов на вход динодной системы умножения, так и на проекцию электронного образа фотокатода на входную поверхность многоканальной системы умножения, снабженную в таком случае мульти-анодным коллектором и соответствующим числом выходов. (Подобные технические решения, касающиеся систем умножения вторичных электронов, известны, применяются в ФЭУ (патент SU 12959534, выпускаемые Hamamatsu Photonics R3809U-50) и не являются отличительными признаками по данному изобретению.)The symmetric arrangement of the components in the cathode chamber of the PMT according to this invention and the small area of the photocathode 3 in comparison with the full size of the input window 2 creates the advantageous conditions for focusing the photoelectrons to the input of the secondary electron multiplication system 8. The photoelectron focusing system can be configured both for the sharp focusing of photoelectrons at the input of the dynode multiplication system, and for the projection of the electronic image of the photocathode onto the input surface of the multi-channel multiplication system, equipped in this case with a multi-anode collector and the corresponding number of outputs. (Similar technical solutions for secondary electron multiplication systems are known, are used in PMTs (patent SU 12959534, manufactured by Hamamatsu Photonics R3809U-50) and are not distinguishing features of this invention.)

Использование массивного фотокатода согласно данному изобретению возможно совместно с использованием полупрозрачного фотокатода, нанесенного на внутреннюю поверхность входного окна.The use of the massive photocathode according to this invention is possible in conjunction with the use of a translucent photocathode deposited on the inner surface of the input window.

Дополнительно в ФЭУ по данному изобретению может быть включена система охлаждения фотокатода для снижения его тепловых шумов. В частном исполнении система охлаждения включает в себя охлаждающий элемент 11, холодная сторона которого имеет тепловой контакт с основанием 4 фотокатода 3, а горячая сторона имеет тепловой контакт со стенками баллона. Приток тепла к фотокатоду, контактирующего с холодной стороной элемента 11, ничтожен, поскольку этот приток возможен только за счет лучистой энергии и по проводу питания катода, а достаточная толщина этого провода очень мала. Даже при низком КПД охлаждающего элемента, например элемента Пельтье (типа разрабатываемых ООО «РМТ» для охлаждения микрочипов и фотодиодов), отвести тепло с «горячей» стороны элемента сможет стекло баллона ФЭУ. При этом образование конденсата на поверхности входного окна исключено за счет его нагрева от элемента 11, а для работы ФЭУ нагрев стекла входного окна на единицы градусов по отношению к температуре окружающей среды не имеет значения. Образование конденсата на эмиссионной поверхности охлажденного фотокатода исключено, поскольку он целиком находится в вакууме.Additionally, a photocathode cooling system may be included in the PMT of the present invention to reduce its thermal noise. In a particular embodiment, the cooling system includes a cooling element 11, the cold side of which has thermal contact with the base 4 of the photocathode 3, and the hot side has thermal contact with the walls of the cylinder. The heat influx to the photocathode in contact with the cold side of the element 11 is negligible, since this inflow is possible only due to radiant energy and through the cathode supply wire, and the sufficient thickness of this wire is very small. Even with a low efficiency of a cooling element, for example, a Peltier element (such as those developed by RMT LLC for cooling microchips and photodiodes), the glass of a PMT cylinder will be able to remove heat from the “hot” side of the element. In this case, the formation of condensate on the surface of the input window is excluded due to its heating from element 11, and for the PMT operation, heating the glass of the input window by units of degrees with respect to the ambient temperature does not matter. The formation of condensate on the emission surface of the cooled photocathode is excluded, since it is entirely in vacuum.

Claims (2)

1. Фотоэлектронный умножитель, имеющий вакуумную колбу с входным окном для приема светового потока и расположенными внутри колбы фотокатодом, системой фокусирования фотоэлектронов, электроды которой вместе с фотокатодом занимают в объеме колбы часть, именуемую «катодная камера», и системой умножения вторичных электронов, отличающийся тем, что фотокатод представляет собой отдельную от стекла колбы деталь, является массивным фотокатодом, причем площадь фотокатода задается меньше площади входного окна, и этот фотокатод расположен основанием навстречу световому потоку на расстоянии от внутренней поверхности входного окна или вплотную к ней, а на стороне катодной камеры, противоположной входному окну, установлен зеркальный отражатель для отражения на эмиссионный слой фотокатода входного светового потока, причем этот зеркальный отражатель может быть выполнен как часть электродной системы фокусирования фотоэлектронов.1. A photomultiplier tube having a vacuum bulb with an input window for receiving the light flux and a photocathode located inside the bulb, a photoelectron focusing system, the electrodes of which together with the photocathode occupy a part called the “cathode chamber” in the bulb volume, and a secondary electron multiplication system, characterized in that the photocathode is a part separate from the glass of the bulb, is a massive photocathode, and the photocathode area is set smaller than the input window area, and this photocathode is towards the light flux at a distance from the inner surface of the input window or close to it, and on the side of the cathode chamber opposite to the input window, a mirror reflector is installed to reflect the input light flux onto the emission layer of the photocathode, and this mirror reflector can be made as part of the electrode system focusing photoelectrons. 2. Фотоэлектронный умножитель по п. 1, отличающийся тем, что в катодной камере дополнительно установлен термоэлемент, холодная сторона которого имеет механический и тепловой контакт с основанием фотокатода, а горячая сторона термоэлемента имеет механический и тепловой контакт со стеклом баллона.2. The photomultiplier according to claim 1, characterized in that the cathode chamber is additionally equipped with a thermocouple, the cold side of which has mechanical and thermal contact with the base of the photocathode, and the hot side of the thermocouple has mechanical and thermal contact with the glass of the balloon.
RU2016119228A 2016-05-18 2016-05-18 Photoelectric multiplier RU2661887C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016119228A RU2661887C2 (en) 2016-05-18 2016-05-18 Photoelectric multiplier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016119228A RU2661887C2 (en) 2016-05-18 2016-05-18 Photoelectric multiplier

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016119228A RU2016119228A (en) 2017-11-23
RU2661887C2 true RU2661887C2 (en) 2018-07-20

Family

ID=62917092

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016119228A RU2661887C2 (en) 2016-05-18 2016-05-18 Photoelectric multiplier

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2661887C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1295953A1 (en) * 1985-03-11 1991-05-30 Предприятие П/Я В-8584 Method of producing vacuum photoelectronic device with microchannel plate
EP1670031A1 (en) * 2003-09-10 2006-06-14 Hamamatsu Photonics K.K. Electron tube
US20120019132A1 (en) * 2009-06-10 2012-01-26 Institute Of High Energy Physics, Chinese Academy Of Sciences Photomultiplier tube
US20130043377A1 (en) * 2011-08-16 2013-02-21 Leica Microsystems Cms Gmbh Detector apparatus

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1295953A1 (en) * 1985-03-11 1991-05-30 Предприятие П/Я В-8584 Method of producing vacuum photoelectronic device with microchannel plate
EP1670031A1 (en) * 2003-09-10 2006-06-14 Hamamatsu Photonics K.K. Electron tube
US20120019132A1 (en) * 2009-06-10 2012-01-26 Institute Of High Energy Physics, Chinese Academy Of Sciences Photomultiplier tube
RU2503082C2 (en) * 2009-06-10 2013-12-27 Инститьют Оф Хай Энерджи Физикс, Чайниз Академи Оф Сайенсиз Photomultiplier tube
US20130043377A1 (en) * 2011-08-16 2013-02-21 Leica Microsystems Cms Gmbh Detector apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016119228A (en) 2017-11-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6328225B2 (en) Photomultiplier tube (PMT), image sensor, and inspection system using PMT or image sensor
US9450118B2 (en) Detector apparatus
US10262847B2 (en) Photomultiplier tube and method of making it
Fiorini et al. Single-photon imaging detector with 𝒪 (10) ps timing and sub-10 μm position resolutions
US20170241631A1 (en) Fluorescent light source apparatus
RU2661887C2 (en) Photoelectric multiplier
US3814964A (en) External photodetector cooling techniques
JP2007157442A (en) Photomultiplier tube
EP3400469B1 (en) Image intensifier for night vision device
US5703363A (en) Infrared to visible light image conversion device
US20070051879A1 (en) Image Intensifier Device and Method
Lorenz et al. Progress in the development of a high QE, red extended hybrid photomultiplier for the second phase of the MAGIC telescope
US10790129B2 (en) Transmissive photocathode and electron tube
Nützel Single-photon imaging using electron multiplication in vacuum
RU2818985C1 (en) Single-channel double-spectral image receiver made in architecture of electro-optical converter
RU2569917C1 (en) Photocathode
US20220319794A1 (en) Electron tube and imaging device
GB2214382A (en) Infra-red image detector systems
JP2009217996A (en) Photo-electric cathode, electron tube, and image intensifier
Johnson Photoelectronic detector technology review and update (Keynote Address)
Va’vra Novel photon detectors for RICH applications
Cheng et al. Performance characteristics of solar blind UV image intensifier tube
US4906897A (en) Image intensifier tube
Yang et al. Development of 10× 10 Matrix-anode MCP-PMT
JPS60180052A (en) Photoelectron or secondary electron emission cathode

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180519