一种静电聚焦微通道板光电倍增管制造技术

本发明专利技术公开了一种静电聚焦微通道板光电倍增管。本发明专利技术的光电倍增管包括光阴极，电子倍增器，阳极，聚焦电极，供电极，以及支撑所述聚焦电极、电子倍增器、阳极的支撑柱，所述聚焦电极、电子倍增器、阳极置于玻璃真空容器内，所述阳极的信号引线和所述供电极穿过所述玻璃真空容器与一外部电路相连，其特征在于所述聚焦电极、电子倍增器、阳极的中心共轴；所述电子倍增器包括两对并列放置且具有一定间隙的微通道板构成。与现有技术相比，本发明专利技术通过独立调节微通道板组件各级电压，实现高增益和好的单光电子谱。

【技术实现步骤摘要】
一种静电聚焦微通道板光电倍增管
本专利技术涉及一种真空光电探测器件，具体地讲是一种光电倍增管，特别是将大尺寸光阴极产生的光电子通过静电聚焦电极聚焦到由微通道板组件构成的电子倍增器上的光电倍增管。技术背景作为把微弱的光信号转换成电信号的光电倍增管(PMT)，由于其具有较高的灵敏度和快的时间响应，被广泛应用于国民经济的各个领域。从目前应用的发展方向来看，一种是微型化，另一种是巨型化，后者在高能物理的中微子探测中将发挥无可替代的作用。日本滨松光子株式会社和法国的Photonis公司，先后开发出8吋、10吋、12吋、13吋和20吋椭球形或近球形的光电倍增管，其光阴极覆盖内球面的一部分，采用静电聚焦设计，使得由光阴极产生的光电子被聚焦到比较大的打拿极上，实现光电子的倍增，从而在高能物理领域得到广泛应用。随着高能物理的发展，其对光探测器的要求不断提高，首先，由于上述大尺寸的光电倍增管光阴极的本身覆盖度不高，如构成阵列，则很难达到80％，也由于其聚焦电极和打拿极的设计，从不同方向过来的光电子，经过聚焦电极和打拿极后，电子的渡越时间分布变宽，不利于中微子的精确测量。近年来，美国Argonne国家实验室联合其国内与微通道板(简称MCP)和光阴极相关单位组成合作组，开发200×200mm的近贴聚焦型微通道板光电倍增管(MCP-PMT)，采用转移阴极工艺和ALD技术，试图解决上述大尺寸光电倍增管所面临的困难，但技术难度大，目前进展缓慢。中科院高能物理所的科学家们，提出在球形透明真空容器内制作全部覆盖其内表面的光阴极，将MCP或类似电子倍增器置于球体的中心，通过电子光学设计，使得来自各处的光电子都能有效地打到电子倍增器上，于2009年6月10日向国家知识产权局提出专利申请，并于2012年6月27日获得专利权(专利技术创造名称：一种光电倍增管，申请号：200910147915.4，授权公告号：CN101924007B)，该专利首次提出充分利用透射式阴极和反射式阴极的特性，进而提高了光阴极的量子效率，采用合理的电子光学设计，确保电子倍增器能够收集到接近4π立体角内的光电子，但就其使用MCP作为电子倍增器而言，特别是2到3块直接串联来作为电子倍增器，在实际制作中，电子清刷除气困难，除气后每块MCP的电阻难以预料，很难实现每块MCP都处在最佳工作状态，2块MCP的直接串联，其增益一般在～105量级，即便加放大器，有时很难探测到单光电子。
技术实现思路
本专利技术就是针对上述缺陷而提出的一种静电聚焦微通道板光电倍增管，首先，根据设计的这款光电倍增管的特点，准确定义为静电聚焦微通道板光电倍增管，它包括：由玻璃构成的球形或椭球形真空容器并在其内表面上制作的用来接收光子并产生光电子的光阴极，用来接收从光阴极发射出来的光电子并产生倍增电子的由微通道板组件构成的电子倍增器，用来将光电子聚焦使其落在所述电子倍增器有效区域上的聚焦电极，用来收集所述电子倍增器所产生的倍增电子的阳极，用来供电给所述光阴极、聚焦电极、电子倍增器、阳极的供电极以及支撑它们的支撑柱，所述聚焦电极、电子倍增器和阳极置于玻璃真空容器内，所述阳极的信号引线和所述供电极的引线通过穿过玻璃真空容器的芯柱与外部电路相连，所述聚焦电极、电子倍增器、阳极的中心共轴，并与供电极以及支撑它们的支撑连接成一体。所述电子倍增器为MCP组件，所述组件是由两对并列放置的两块微通道板以一定间隙并在间隙中施加电场构成的，以竖直布置的方式置于所述阳极的两侧，这种结构便于制造过程中排气和独立控制MCP及其间隙电压，实现电子倍增器的高增益和好的单光电子谱。通过调节两块微通道板的间隙和电压，使得从第一块微通道板出来的电子被加速并适当聚焦，这样尽早使得第二块微通道板处于饱和状态，进而改善单光电子谱中的峰谷比和增益，其技术途径是通过改变两块微通道板的电极和绝缘垫片的厚度，来有效调节间隙厚度，所述微通道板组件中的间隙厚度由微通道板的输入、输出电极以及绝缘垫片的厚度决定，总厚度在60μm～500μm之间。为了在间隙获得电场，视间隙的大小，真空卫生的好坏，在不放电打火的前提下，所述微通道板组件的间隙电压在50～1000V可调。考虑到要把球形或椭球形阴极不同位置产生的光电子尽可能打到微通道板组件的有效区内，在微通道板组件的外围设计聚焦电极，所述聚焦电极为薄金属环带，竖直环绕在所述电子倍增器外围，其中心与微通道板同心。为了把与微通道板端面平行的光电子聚焦到该有效区域，在所述聚焦电极的外围，设置一细金属圆环作为辅助聚焦电极，并与所述聚焦电极位于同一平面且同心。由于两组MCP的增益可能不同，通过调整电压，尽可能保证两者增益一致，设计阳极为两个相同的结构单元，分别接收所述两组微通道板的倍增电子。考虑到阳极输出信号的高频反射，导致信号失真，把阳极结构单元设计成金属栅网加金属薄片的阳极结构，或者采用微带线阳极结构。上述阳极实际上是双阳极，如调节好两组微通道板的增益(通过调节两块MCP及其间隙电压是能够实现的)，可以采用单阳极结构，即设计的单阳极为两个金属栅网加一个阳极片构成，或者在一个基片的两侧制作微带线阳极结构，两侧面上的蛇形导电层与匹配的导线连接后，馈入阳极信号线。为了支撑聚焦电极、微通道板组件、阳极，特设计支撑柱，所述支撑柱将所述电子倍增器支撑到所述玻璃真空容器的内部中心处，其形状设计柱体，轴截面为圆形或矩形。考虑到屏蔽和给上述阴极、聚焦电极、微通道板以及阳极施加电压，并把阳极信号通过引线引出，把所述支撑柱内部设定为带孔的绝缘材料，把聚焦电极、微通道板以及阳极的电压引线和信号线通过所述支撑柱内部孔引出。也为了确保环绕在支撑柱上端附近的光电子能充分进入微通道板有效区域，支撑柱上端的外表面绝缘，其长度在15～35mm，下端外部为导电层，例如采用金属包层或镀层，通过固定三爪与阴极相连，并从下端与玻璃芯柱的规定插针实现电连接。与现有技术相比，本专利技术的积极效果为：通过静电聚焦电极和特殊设计的支撑柱把由光阴极产生的绝大多数光电子聚焦到微通道板组件的有效区域，降低了不同区域过来的光电子的渡越时间差；采用的微通道板组件是由两对并列放置的两块微通道板以一定间隙并在间隙中施加电场构成的电子倍增器，通过独立调节微通道板组件各级电压，实现高增益和好的单光电子谱；由此倍增的光电子最后由微带线阳极或栅网结构阳极收集并从信号线引出，这种阳极的特殊设计有效地降低了信号失真。附图说明图1为本专利技术的光电倍增管的第一实施例的结构示意图。图2为本专利技术的光电倍增管第一实施例的支撑柱上端的剖面结构示意图。图3为本专利技术的光电倍增管第一实施例中整个组件的装配图。图4为本专利技术的光电倍增管第一实施例中微通道板组件的剖面图。图5本专利技术采用的带有辅助聚焦电极的组件及其支撑柱正视图。图6本专利技术采用的带有辅助聚焦电极的微通道板及阳极组件剖面图。图7为本专利技术的光电倍增管的第一实施例中的微带线阳极结构示意图。图8为第一实施例中的支撑柱。图9为本专利技术的第二实施例中由微通道板及阳极组件构型图。图10为本专利技术的第二实施例中微通道板及阳极组件的正视图。图11为本专利技术的第二实施例中组件、支撑柱固定连接方式正视图。图12为本专利技术光电倍增管的单光电子谱图。(a)一组MCP+金属栅网+金属薄片，MCP@20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静电聚焦微通道板光电倍增管，包括球形或椭球形玻璃真空容器内表面上的用来接收光子并产生光电子的光阴极，用来接收从光阴极发射出来的光电子的电子倍增器，用来收集所述电子倍增器所产生倍增电子的阳极，用来将光电子聚焦使其落在所述电子倍增器有效区域上的聚焦电极，用来供电给所述光阴极、聚焦电极、电子倍增器、阳极的供电极，以及支撑所述聚焦电极、电子倍增器、阳极的支撑柱，所述聚焦电极、电子倍增器、阳极置于玻璃真空容器内，所述阳极的信号引线和所述供电极的引线穿过所述玻璃真空容器与外部电路相连，其特征在于所述聚焦电极、电子倍增器、阳极的中心共轴；所述电子倍增器包括两对并列放置且具有一定间隙的微通道板构成。

【技术特征摘要】
1.一种静电聚焦微通道板光电倍增管，包括球形或椭球形玻璃真空容器内表面上的用来接收光子并产生光电子的光阴极，用来接收从光阴极发射出来的光电子的电子倍增器，用来收集所述电子倍增器所产生倍增电子的阳极，用来将光电子聚焦使其落在所述电子倍增器有效区域上的聚焦电极，用来供电给所述光阴极、聚焦电极、电子倍增器、阳极的供电极，以及支撑所述聚焦电极、电子倍增器、阳极的支撑柱，所述聚焦电极、电子倍增器、阳极置于玻璃真空容器内，所述阳极的信号引线和所述供电极的引线穿过所述玻璃真空容器与外部电路相连，所述聚焦电极、电子倍增器、阳极的中心共轴；其特征在于所述电子倍增器包括两对并列放置且具有一定间隙的微通道板构成；其中，每对微通道板的两块微通道板之间设置有绝缘垫片，所述每对微通道板的两块微通道板的间隙范围为60μm～500μm、间隙电压在50～1000V可调。2.如权利要求1所述的光电倍增管，其特征在于每对微通道板以竖直布置的方式置于所述阳极的两侧。3.如权利要求1所述的光电倍增管，其特征在于所述支撑柱的支撑所述聚焦电极、电子倍增器、阳极的一端，即所述支撑柱上端的外表面为绝缘层；所述支撑柱下端外表面为导电层且与所述光阴极电连接。4.如权利要求1或3所述的光电倍增管，其特征在于所述支撑柱的内部为带孔的绝缘材料，所述聚焦电极、微通道板以及阳极各电压引线和所述阳极的信号线通过所述支撑柱内部的孔与所述玻璃真空容器底座上的芯柱相应的插针连接。5.如权利要求1或3所述的光电倍增管，其特征在于所述支撑柱通过一陶瓷骨架(107)支撑所述聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘术林，刘虎林，司曙光，钱森，田进寿，孙建宁，赵天池，赛小锋，王贻芳，王志宏，韦永林，苏德坦，衡月昆，曹俊，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，中国科学院西安光学精密机械研究所，北方夜视技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11