RU2708664C1

RU2708664C1 - Photoelectric multiplier device with mcp

Info

Publication number: RU2708664C1
Application number: RU2019108967A
Authority: RU
Inventors: Сослан Кубадиевич Кулов; Галина Васильевна Федотова; Наталья Алексеевна Белик
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Владикавказский Технологический центр "Баспик" (ООО ВТЦ "Баспик")
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2019-12-11

Abstract

FIELD: electronic equipment.

SUBSTANCE: invention relates to electronic engineering, in particular to the design and manufacturing of vacuum photoelectronic devices (FED) comprising microchannel plates (MCP) in chevron assembly, such as photoelectronic multipliers (PEM), position-sensitive detectors (PSD) and electro-optical converters (EOC). Device includes a housing, a photocathode on a glass substrate, a microchannel plate assembly in a chevron assembly, a getter and a collector, wherein the photocathode on the glass substrate, the side focusing electrode connected to the photocathode, and an anode in the form of a truncated cone with a hole in the center of its end surface, connected to the input of the microchannel plate, collectively form an immersion lens for focusing and collecting electrons to the input of the MCP, and the gas absorber is located in the cone part of the anode, wherein the device is equipped with a glass rod for connection to the pumping system, wherein the electronic degassing is carried out before the device is discharged from the pumping system and after the tie-off.

EFFECT: improved parameters of rate of counting of pulse pulses and ratio of peak / valley in one-electron distribution of pulses, increase of permissible level of light loading, as well as increase in durability of PEM.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к конструкции и технологии изготовления вакуумных фотоэлектронных приборов (ФЭП), содержащих микроканальные пластины (МКП) в шевронной сборке, таких как фотоэлектронные умножители (ФЭУ), позиционно-чувствительные детекторы (ПЧД) и электронно-оптические преобразователи (ЭОП).The invention relates to the field of electronic engineering, in particular to the design and manufacturing technology of vacuum photoelectronic devices (PECs) containing microchannel plates (MCPs) in a chevron assembly, such as photoelectronic multipliers (PMTs), position-sensitive detectors (PSD) and electron-optical converters (image intensifier tubes).

Известен ФЭУ на микроканальных пластинах с рабочим диаметром 25 мм бипланарной конструкции, характеризующейся параллельным расположением фотокатода, блока микроканальных пластин и анода [А. Долотов, П. Коновалов, Р. Нуртдинов. Сильноточный ФЭУ на микроканальной пластине для регистрации субнаносекундных световых импульсов. Научно- технический журнал «Фотоника», Выпуск 5, 2015 г.].Known PMT on microchannel plates with a working diameter of 25 mm biplanar design, characterized by the parallel arrangement of the photocathode, block microchannel plates and anode [A. Dolotov, P. Konovalov, R. Nurtdinov. High-current PMT on a microchannel plate for recording subnanosecond light pulses. Scientific and technical journal "Photonics", Issue 5, 2015].

Недостатком аналога является чрезвычайно малое расстояние между электродами, что приводит к ограничению скорости его загрузки по входу, из-за возможности пробоя, а также к снижению срока службы. Это обусловлено изменением свойств фотокатода под воздействием ионной бомбардировки, имеющей место вследствие образования ионов в процессе электронно-стимулированной десорбции при ударе электронов о стенку канала МКП в процессе работы прибора. Бомбардировка фотокатода и стенок каналов МКП ионами приводит, с одной стороны, к эмиссии вторичных «паразитных» электронов и ухудшению отношения сигнал/шум, а с другой - к снижению чувствительности фотокатода. Сочетание большого количества десорбируемого с МКП газа с малым внутренним объемом фотоэлектронного прибора, приводит к значительному ухудшению вакуума и отравлению фотокатода в работающем приборе.The disadvantage of the analogue is the extremely small distance between the electrodes, which leads to a limitation of the speed of its loading at the input, due to the possibility of breakdown, and also to reduce the service life. This is due to a change in the properties of the photocathode under the influence of ion bombardment, which occurs due to the formation of ions during electron-stimulated desorption upon impact of electrons on the MCP channel wall during operation of the device. The bombardment of the photocathode and the walls of the MCP channels by ions leads, on the one hand, to the emission of secondary "spurious" electrons and to a deterioration of the signal-to-noise ratio, and, on the other hand, to a decrease in the sensitivity of the photocathode. The combination of a large amount of gas desorbed from the MCP with a small internal volume of the photoelectronic device leads to a significant deterioration of the vacuum and poisoning of the photocathode in the working device.

Известен фотоэлектронный умножитель, в котором для повышения срока службы на вход МКП наносят тонкую алюминиевую пленку. Пленка пропускает электроны, но не прозрачна для ионов [Каталог Hamamatsu Photomultiplier Tubes с официального сайта, 2016 г. РМТ - MCPR3809U].Known photoelectronic multiplier, in which to increase the service life at the entrance of the MCP is applied a thin aluminum film. The film transmits electrons, but is not transparent to ions [Hamamatsu Photomultiplier Tubes catalog from the official website, 2016 PMT - MCPR3809U].

Недостатком аналога является то, что пленка поглощает 30-50% бомбардирующих ее электронов, т.е. снижает полезный сигнал, ухудшая отношение сигнал/шум.The disadvantage of the analogue is that the film absorbs 30-50% of the electrons bombarding it, i.e. reduces the useful signal, degrading the signal-to-noise ratio.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является фотоэлектронный умножитель, включающий корпус, фотокатод на стеклянной подложке, блок микроканальных пластин в шевронной сборке, газопоглотитель и коллектор, [http://ndip.in 2p3.fr/ndip11/M. Yu. Barnyakov. Photocathodeag in gin microchannel plate PMT. Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk, Russia.06.07.11].Closest to the proposed technical solution is a photomultiplier tube, including a housing, a photocathode on a glass substrate, a block of microchannel plates in a chevron assembly, a getter and collector, [http://ndip.in 2p3.fr/ndip11/M. Yu. Barnyakov. Photocathodeag in gin microchannel plate PMT. Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk, Russia 06/07/11].

Недостатком прототипа являются высокая скорость счета темновых импульсов, низкое отношение пик/ долина в одноэлектронном распределении импульсов по амплитудам, невысокий срок службы в модификации с бищелочным (сурьмяно-натриево-калиевым) фотокатодом в отсутствии ионно-барьерной пленки на МКП.The disadvantage of the prototype is the high counting speed of dark pulses, the low peak / valley ratio in the one-electron distribution of pulses by amplitudes, the low service life in the modification with a bischelle (antimony-sodium-potassium) photocathode in the absence of an ion-barrier film on the MCP.

При регистрации очень слабых световых сигналов для извлечения максимальной информации из светового сигнала используется метод счета фотонов. Низкий уровень скорости счета темновых импульсов является необходимым условием при фотонном счете. Эффективность детектирования в значительной степени зависит от порогового уровня, устанавливаемого для режима счета (дискриминации). Распределение амплитуд импульсов также является критической характеристикой для работы в режиме счета фотонов. Наличие одноэлектронного пика в режиме счета отдельных квантов позволяет отсекать большое число шумовых импульсов малой амплитуды без существенной потери эффективности регистрации. Так как нижний порог амплитуды импульса устанавливается (дискриминируется) на позиции долины, то высокое соотношение пик/долина при распределении импульсов по амплитудам создает условия для более эффективной регистрации сверхслабых объектов свечения, позволяя повысить отношение сигнал/шум.When registering very weak light signals, the photon counting method is used to extract maximum information from the light signal. A low level of the count rate of dark pulses is a prerequisite for photon counting. The detection efficiency largely depends on the threshold level set for the account mode (discrimination). The distribution of pulse amplitudes is also a critical characteristic for operating in the photon counting mode. The presence of a single-electron peak in the counting mode of individual quanta makes it possible to cut off a large number of noise pulses of small amplitude without significant loss of registration efficiency. Since the lower threshold of the pulse amplitude is set (discriminated) at the valley position, the high peak / valley ratio when the pulses are distributed over the amplitudes creates conditions for more efficient registration of ultra-weak objects of luminescence, making it possible to increase the signal / noise ratio.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является улучшение параметров скорости счета темновых импульсов и отношения пик/долина в одноэлектронном распределении импульсов, повышение допустимого уровня световой загрузки, а также увеличение долговечности ФЭУ.The technical result of the proposed technical solution is to improve the parameters of the counting speed of dark pulses and the peak / valley ratio in the single-electron distribution of pulses, increasing the permissible level of light loading, as well as increasing the durability of the PMT.

Технический результат достигается тем, что устройство фотоэлектронного умножителя с МКП, включающее корпус, фотокатод на стеклянной подложке, блок микроканальных пластин в шевронной сборке, газопоглотитель и коллектор, согласно изобретению, снабжено боковым фокусирующим электродом, соединенным с фотокатодом на стеклянной подложке, и анодом, выполненным в виде усеченного конуса с отверстием в центре его торцевой поверхности, соединенным со входом МКП, которые в совокупности с фотокатодом образуют иммерсионную линзу для фокусировки и сбора электронов на вход МКП, причем отношение расстояний от фотокатода до торцевой поверхности анода к диаметру фокусирующего электрода составляет 0,84±0,005, диаметра фокусирующего электрода к диаметру отверстия на торцевой поверхности анода составляет 10±0,05, отношение диаметра фокусирующего электрода к диаметру торцевой части анода составляет 2,5±0,04, а отношение расстояния от фотокатода до торцевой поверхности анода к расстоянию от торцевой поверхности анода до входа первой микроканальной пластины составляет 0,56±0,005, при этом газопоглотитель расположен в конусной части анода, и устройство снабжено стеклянным штенгелем для присоединения к откачной системе.The technical result is achieved in that the device of the photoelectronic multiplier with MCP, including a housing, a photocathode on a glass substrate, a block of microchannel plates in a chevron assembly, a getter and a collector, according to the invention, is equipped with a side focusing electrode connected to a photocathode on a glass substrate, and an anode made in the form of a truncated cone with a hole in the center of its end surface connected to the input of the MCP, which together with the photocathode form an immersion lens for focusing and electron boron at the MCP input, and the ratio of the distances from the photocathode to the end surface of the anode to the diameter of the focusing electrode is 0.84 ± 0.005, the diameter of the focusing electrode to the diameter of the hole on the end surface of the anode is 10 ± 0.05, the ratio of the diameter of the focusing electrode to the diameter of the end part of the anode is 2.5 ± 0.04, and the ratio of the distance from the photocathode to the end surface of the anode to the distance from the end surface of the anode to the entrance of the first microchannel plate is 0.56 ± 0.005, while the gas absorption Tel is located in the conical part of the anode, and the device is provided with a glass exhaust tube for connection to the exhaust system.

Фотокатод выполнен теллур-цезиевым со спектральным диапазоном чувствительности 120-360 нм.The photocathode is made by tellurium-cesium with a spectral sensitivity range of 120-360 nm.

Фотокатод выполнен сурьмяно-натриево-калиевым со спектральным диапазоном чувствительности 300-650 нм.The photocathode is made of antimony-sodium-potassium with a spectral sensitivity range of 300-650 nm.

Данное техническое решение позволит улучшить параметры скорости счета темновых импульсов и отношения пик/долина в одноэлектронном распределении импульсов, повысить допустимый уровень световой загрузки, а также увеличит долговечность ФЭУ.This technical solution will improve the parameters of the count rate of dark pulses and the peak / valley ratio in the single-electron distribution of pulses, increase the permissible level of light loading, and also increase the durability of the PMT.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства, на фиг. 2 - график распределения одноэлектронных импульсов по амплитудам, и таблицей, в которой представлены параметры предлагаемого ФЭУ с двумя типами фотокатодов в сравнении с прототипом.The essence of the proposed technical solution is illustrated by illustrations, where in FIG. 1 shows a general view of the device, FIG. 2 is a graph of the distribution of single-electron pulses by amplitudes, and a table that shows the parameters of the proposed PMT with two types of photocathodes in comparison with the prototype.

Устройство фотоэлектронного умножителя с МКП (фиг. 1) состоит из корпуса 1, фотокатода 2 на стеклянной подложке, соединенного с боковым фокусирующим электродом 3, анода 4, выполненного в виде усеченного конуса, в центре торцевой поверхности которого выполнено отверстие 5, а в его конусной части расположен подогревный газопоглотитель 6, двух микроканальных пластин в шевронной сборке 7 и коллектора 8. Устройство снабжено стеклянным штенгелем 9 для присоединения ФЭУ к откачной системе (на фиг. 1 не показана). При этом фотокатод 2, расположенный на торцевой поверхности ФЭУ, боковой фокусирующий электрод 3, соединенный с фотокатодом 2, и анод 4 с отверстием 5 в центре, соединенный со входом микроканальной пластины образуют иммерсионную линзу, фокусирующую фотоэлектроны на вход первой МКП 7. Подогревный газопоглотитель 6 служит для поглощения выделяемых в процессе электронного обезгаживания газов, а также газов, выделяемых при отпайке штенгеля 9 от откачной системы.The device of a photoelectronic multiplier with a MCP (Fig. 1) consists of a housing 1, a photocathode 2 on a glass substrate connected to a side focusing electrode 3, an anode 4 made in the form of a truncated cone, in the center of the end surface of which an opening 5 is made, and in its conical part of the heated getter 6, two microchannel plates in the chevron assembly 7 and the collector 8. The device is equipped with a glass plug 9 for attaching the PMT to the pumping system (not shown in Fig. 1). In this case, the photocathode 2 located on the end face of the PMT, the lateral focusing electrode 3 connected to the photocathode 2, and the anode 4 with the hole 5 in the center connected to the input of the microchannel plate form an immersion lens focusing the photoelectrons to the input of the first MCP 7. Heated getter 6 serves to absorb the gases emitted during electronic degassing, as well as the gases emitted during the soldering of the plug 9 from the pumping system.

Отношения расстояний от фотокатода 2 до торцевой поверхности анода 4 к диаметру фокусирующего электрода составляет 0,84, диаметра фокусирующего электрода 3 к диаметру отверстия 5 на торцевой поверхности анода 4 составляет 10, отношение диаметра фокусирующего электрода 3 к диаметру торцевой поверхности анода 4 составляет 2,5, а отношение расстояния от фотокатода до торцевой поверхности анода 4 к расстоянию от торцевой поверхности анода 4 до входа первой микроканальной пластины 7 составляет 0,56.The ratio of the distances from the photocathode 2 to the end surface of the anode 4 to the diameter of the focusing electrode is 0.84, the diameter of the focusing electrode 3 to the diameter of the hole 5 on the end surface of the anode 4 is 10, the ratio of the diameter of the focusing electrode 3 to the diameter of the end surface of the anode 4 is 2.5 and the ratio of the distance from the photocathode to the end surface of the anode 4 to the distance from the end surface of the anode 4 to the entrance of the first microchannel plate 7 is 0.56.

Фотокатод 2 выполнен теллур-цезиевым со спектральным диапазоном чувствительности от 120 до 360 нм или сурьмяно-натриево-калиевым со спектральным диапазоном чувствительности 300-650 нм.Photocathode 2 is made of tellurium-cesium with a spectral sensitivity range of 120 to 360 nm or antimony-sodium-potassium with a spectral sensitivity range of 300-650 nm.

Устройство фотоэлектронного умножителя работает следующим образом.The device of the photoelectric multiplier works as follows.

Регистрируемые сигналы поступают через стеклянную подложку на фотокатод 2, образующиеся фотоэлектроны полем иммерсионной линзы под действием приложенного ускоряющего напряжения 600-800 В собираются в узкий пучок в непосредственной близости от отверстия 5, далее фотоэлектроны, после прохождения отверстия 5, снова расходятся в соответствии со своими первоначальными траекториями, достигая поверхности входной МКП 7. Поступившие на вход первой МКП 7 фотоэлектроны умножаются в каналах двух МКП 7, собранных в виде шеврона. Ускоряющее напряжение подают на вход первой и выход второй МКП 7, его величину подбирали так, чтобы количество электронов с выхода второй МКП 7 увеличилось в 106 раз. Затем, двигаясь под действием приложенного ускоряющего напряжения 200±100 В, электроны поступают на коллектор 8, с которого снимают зарегистрированный и усиленный сигнал.The recorded signals pass through a glass substrate to photocathode 2, the resulting photoelectrons by the field of an immersion lens under the action of an applied accelerating voltage of 600-800 V are collected in a narrow beam in the immediate vicinity of hole 5, then the photoelectrons, after passing through hole 5, again diverge in accordance with their original paths, reaching the surface of the input MCP 7. The photoelectrons arriving at the input of the first MCP 7 are multiplied in the channels of two MCP 7 assembled in the form of a chevron. The accelerating voltage is applied to the input of the first and the output of the second MCP 7, its value was selected so that the number of electrons from the output of the second MCP 7 increased 106 times. Then, moving under the action of an applied accelerating voltage of 200 ± 100 V, the electrons enter the collector 8, from which the registered and amplified signal is removed.

Электронное обезгаживание проводили дважды: до отпайки ФЭУ после изготовления фотокатода 2 и после отпайки ФЭУ от откачной системы.Electronic degassing was performed twice: before the PMT was unsoldered after the photocathode 2 was manufactured and after the PMT was unsoldered from the pumping system.

В процессе изготовления фотокатода 2 (теллур-цезиевого или сурьмяно-натриево-калиевого) при обработке его щелочными металлами, последние оседают на МКП 7 и других внутренних поверхностях ФЭУ, поэтому для улучшения и стабилизации параметров ФЭУ необходимо удалить их из объема ФЭУ. В результате электронной бомбардировки происходила десорбция щелочных металлов, разложение щелочесодержащих соединений с десорбцией летучих компонентов, их откачка из объема ФЭУ до отпайки его от откачной системы.In the manufacturing process of photocathode 2 (tellurium-cesium or antimony-sodium-potassium) when treated with alkali metals, the latter are deposited on the MCP 7 and other internal surfaces of the PMT, therefore, to improve and stabilize the PMT parameters, it is necessary to remove them from the PMT volume. As a result of electronic bombardment, desorption of alkali metals occurred, decomposition of alkali-containing compounds with desorption of volatile components, their pumping from the PMT volume before its desoldering from the pumping system.

Проведение электронного обезгаживания после отпайки ФЭУ обусловлено необходимостью удаления с внутренней поверхности ФЭУ и МКП 7 газов, выделяемых при отпайке стеклянного штенгеля 9 от откачной системы и адсорбируемых указанными поверхностями, а также для дальнейшей очистки поверхностей от газов, не удаленных при термовакуумном обезгаживании и при электронном обезгаживании до отпайки ФЭУ от откачной системы.Carrying out electronic degassing after the PMT soldering is caused by the need to remove from the internal surface of the PMT and MCP 7 gases released during the melting of the glass plug 9 from the pumping system and adsorbed by these surfaces, as well as for further cleaning of the surfaces from gases not removed during thermal vacuum degassing and during electronic degassing before soldering PMT from the pumping system.

Для подтверждения достижения предложенного технического результата были изготовлены опытные образцы ФЭУ, типичное распределение одноэлектронных импульсов которых показано на фиг. 2. Из графика видно, что отношение пик/долина составляет более 20.To confirm the achievement of the proposed technical result, prototype PMTs were manufactured, a typical distribution of single-electron pulses of which is shown in FIG. 2. The graph shows that the peak / valley ratio is more than 20.

Данные по скорости счета темновых импульсов в ФЭУ с бищелочным и теллур-цезиевым фотокатодом приведены в таблице, из которой видно, что параметры предлагаемых ФЭУ значительно превосходят параметры прототипа.The data on the count rate of dark pulses in a PMT with a bisaline and tellurium-cesium photocathode are shown in the table, from which it can be seen that the parameters of the proposed PMTs significantly exceed the parameters of the prototype.

Наличие в фотоэлектронном умножителе с МКП иммерсионной линзы на входе способствовало повышению скорости загрузки из-за большого расстояния между электродами, снижающего вероятность пробоя при резком увеличении входного сигнала. Данная конструкция позволила установить ускоряющее напряжение между фотокатодом 2 и входом первой МКП 7 на уровне 600-800 В, что обеспечило максимальный коэффициент первичного соударения фотоэлектронов со входом МКП 7 и способствовало улучшению отношения сигнал/шум.The presence of an immersion input lens in a photoelectronic multiplier with a MCP contributed to an increase in the loading speed due to the large distance between the electrodes, which reduces the probability of breakdown with a sharp increase in the input signal. This design made it possible to establish an accelerating voltage between the photocathode 2 and the input of the first MCP 7 at a level of 600-800 V, which ensured the maximum coefficient of primary collision of the photoelectrons with the input of the MCP 7 and helped to improve the signal-to-noise ratio.

Больший в несколько раз вакуумный объем разработанного ФЭУ в сравнении с прототипом позволит при равном количестве выделяющихся при электронной бомбардировке газов вызывать меньшее изменение остаточного давления и снизить количество ионов, образующихся в процессе электронной бомбардировки.A several-fold larger vacuum volume of the developed PMT in comparison with the prototype will allow for an equal amount of gases emitted during electronic bombardment to cause a smaller change in residual pressure and reduce the number of ions generated during electronic bombardment.

Использование устройства фотоэлектронного умножителя с МКП позволит по сравнению с прототипом минимизировать плотность скорости темнового счета, повысить отношение пик/долина в одноэлектронном распределении импульсов, увеличить допустимую скорость загрузки на входе, расширить динамический диапазон ФЭУ и повысить долговечность ФЭУ.Using a device of a photoelectronic multiplier with a MCP will allow, in comparison with the prototype, to minimize the density of the dark count rate, increase the peak / valley ratio in the single-electron distribution of pulses, increase the allowable loading speed at the input, expand the dynamic range of the PMT and increase the durability of the PMT.

Claims

1. The device of the photomultiplier tube with a MCP, including a housing, a photocathode on a glass substrate, a block of microchannel plates in a chevron assembly, a getter and a collector, characterized in that it is equipped with a side focusing electrode connected to the photocathode on a glass substrate and an anode made in the form a truncated cone with a hole in the center of its end surface connected to the input of the microchannel plate, which together with the photocathode form an immersion lens for focusing and collecting electrons and the input of the microchannel plate, and the ratio of the distances from the photocathode to the end surface of the anode to the diameter of the focusing electrode is 0.84 ± 0.005, the diameter of the focusing electrode to the diameter of the hole on the end surface of the anode is 10 ± 0.05, the ratio of the diameter of the focusing electrode to the diameter of the end part the anode is 2.5 ± 0.04, and the ratio of the distance from the photocathode to the end surface of the anode to the distance from the end surface of the anode to the entrance of the first microchannel plate is 0.56 ± 0.005, while the gas the feeder is located in the conical part of the anode, and the device is equipped with a glass plug for connection to the pumping system.

2. The device according to p. 1, characterized in that the photocathode is made of tellurcium with a spectral range of sensitivity from 120 to 360 nm.

3. The device according to claim 1, characterized in that the photocathode is made of antimony-sodium-potassium with a spectral sensitivity range from 300 to 650 nm.