一种聚焦扫描型光电倍增管制造技术

为解决激光雷达实际探测精度低的技术问题，本实用新型专利技术提供了一种聚焦扫描型光电倍增管，通过在光电倍增管的真空容器内设置聚焦系统、扫描系统以及位于聚焦系统的焦点处的电子倍增器集群，使不同电子倍增区域按时序接收信号电子进行倍增与输出，从而使得同一电子倍增区域有足够的电子倍增、电子输出以及性能恢复时间；由于电子倍增器集群的组成单元个数为数十个或者上百个，因此在电子倍增器集群被有效利用时，光电倍增管的采样频率可以在原有基础上提升数十倍或者上百倍，最高可以提升至数十GHz的数量级。

A Focused Scanning Photomultiplier Tube

In order to solve the technical problem of low detection accuracy of lidar, the utility model provides a focusing scanning photomultiplier tube. By setting a focusing system, a scanning system and a cluster of electron multipliers located at the focus of the focusing system in the vacuum container of the photomultiplier tube, the electrons received in different electron multiplier regions are multiplied and output in time sequence, thus making the signal electrons received in different electron multiplier regions multiplier regions multiplier and output in time sequence. The same electron multiplier region has enough time for electron multiplier, electronic output and performance recovery; because the number of components of the cluster is tens or hundreds, the sampling frequency of the photomultiplier can be increased by tens or hundreds of times on the original basis, and the maximum number can be increased to tens of GHz when the cluster is used effectively. Class.

【技术实现步骤摘要】
一种聚焦扫描型光电倍增管
本技术涉及一种光电探测器件，特别是涉及一种具有GHz采样频率且具备单光子探测能力的聚焦扫描型光电倍增管。
技术介绍
光电倍增管(简称PMT)，是一种电真空光电探测器件，其主要功能是将微弱光学信号转换为电信号，并对电信号进行放大输出，从而实现对目标探测的功能。光电倍增管具有探测光谱范围宽、动态范围大、电子增益高、暗噪声低以及响应速度快等特点，被广泛应用于医疗、检测、科研等各个领域。光电倍增管的一个重要应用领域就是激光雷达，目前机载激光测距雷达、舰载水下探测激光雷达以及高空大气探测激光雷达等都将光电倍增管作为核心探测器件。由于激光雷达具备分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强、定位准确等优点，使得激光雷达可以精准探测目标的位置、运动形态以及姿态等参数，所以在环境科学领域以及生物学领域等有着广泛的应用。近年来，随着现代科技的发展，对激光雷达性能提出了更高的要求，比如具有较好的抗干扰能力、宽探测光谱频段以及较高信噪比等，尤其是提高探测精度和空间分辨率。要实现激光雷达性能提升，除了改善以及优化激光雷达的光学系统外，核心器件采用性能更高的光电探测器(比如光电倍增管)也是提升激光雷达性能的另一个较为有效的途径。光电倍增管由于其需要实现电子倍增并输出功能，因此从光信号入射至器件输入面处至电子学信号有效输出需要经历一段响应时间，此响应时间的长短决定了光电倍增管的时间特性，从而影响激光雷达的探测精度。目前打拿极光电倍增管的响应时间达到十几个纳秒，微通道板光电倍增管的响应时间最高可以达到300Ps左右，而半导体光电倍增管其最高的响应时间也为纳秒数量级，在此光电倍增管性能参数情况下，激光雷达的理论探测精度最高只能达到9cm。考虑到电子倍增器件自身性能恢复时间以及信号时间特性等因素的限制，激光雷达的实际探测精度较低，基本为米数量级。
技术实现思路
为解决激光雷达实际探测精度低的技术问题，本技术提供了一种聚焦扫描型光电倍增管。本技术的技术解决方案是：一种聚焦扫描型光电倍增管，包括真空容器、光学输入窗、光电阴极、电子加速电极、阳极以及用于向光电阴极和阳极供电的供电电极；其特殊之处在于：还包括依次设置在所述真空容器中部的聚焦系统、扫描系统、电子倍增器集群，以及用于向所述聚焦系统、扫描系统、电子倍增器集群供电的倍增管加速及聚焦供电电极、扫描系统供电电极、电子倍增器集群供电电极，和用于支撑固定聚焦系统、扫描系统、电子倍增器集群的支撑柱；所述聚焦系统靠近所述电子加速电极设置，用于将电子进行汇聚，使得电子束束径小于构成所述电子倍增器集群的电子倍增器件输入面尺寸的1/5；聚焦系统的渡越时间弥散小于100ps；所述扫描系统用于改变聚焦后电子束的运动方向，使得聚焦系统出射的电子束运动至指定电子倍增区域；所述电子倍增器集群设置在聚焦系统的焦面处，用于接收聚焦系统出射的电子束并产生倍增电子；同一电子倍增区域所接收电子束的时间间隔应为器件恢复时间的50～100倍；所述电子倍增器集群产生的倍增电子束被所述阳极收集；所述真空容器上预留有电极引线和金属线；所述倍增管加速及聚焦供电电极、扫描系统供电电极、电子倍增器集群供电电极均通过所述电极引线与器件外部的供电电源相连；所述阳极用于收集电子倍增器集群所产生的倍增电子束，阳极的信号输出引线与多路信号读出系统相连；所述聚焦系统、扫描系统、电子倍增器集群、阳极的中心共轴。进一步地，所述电子倍增器集群由传统打拿级电子倍增组件组成，或者采用微通道板电子倍增组件组成，或者由半导体电子倍增器件组成。进一步地，所述光学输入窗为平面结构或曲面结构。进一步地，所述光学输入窗与真空容器之间高频封接、高温热封接或者铟封封接。进一步地，所述电子加速电极为网状结构、柱面结构或者球面结构。进一步地，所述聚焦系统为电聚焦系统、磁聚焦系统或电磁混合聚焦系统。进一步地，所述扫描系统为电扫描系统、磁扫描系统或电磁混合扫描系统。进一步地，所述光学输入窗采用玻璃或者晶体制成。进一步地，所述光学输入窗采用石英玻璃材料、氟化镁材料或者硼硅酸盐玻璃材料制成。进一步地，所述阳极包括绝缘基板、设置在绝缘基板上的多个阳极电极单元；多个阳极电极单元均匀排布呈由两个半圆段和两个直线段构成的胶囊形；其中，位于直线段上的阳极电极单元截面形状为矩形，其长度为10mm，宽度为2mm；位于半圆段上的阳极电极单元的截面形状为梯形，其长度为10mm；相邻两个阳极电极单元的间隔距离为0.1～0.5mm；截面为梯形的阳极电极单元，其平行于上下底的中线长度等于截面为矩形的阳极电极单元的宽度；相邻两个截面为梯形的阳极电极单元之间的间距相同；所有截面为梯形的阳极电极单元，平行于梯形上下底中线的中点位于同一圆弧。与现有技术相比，本技术的有益效果为：通过在光电倍增管的真空容器内设置聚焦系统、扫描系统以及位于聚焦系统的焦点处的电子倍增器集群，使不同电子倍增区域按时序接收信号电子进行倍增与输出，从而使得同一电子倍增区域有足够的电子倍增、电子输出以及性能恢复时间；由于电子倍增器集群的组成单元个数为数十个或者上百个，因此在电子倍增器集群被有效利用时，光电倍增管的采样频率可以在原有基础上提升数十倍或者上百倍，最高可以提升至数十GHz的数量级。附图说明图1为本技术聚焦扫描型光电倍增管的原理示意图。图2为本技术聚焦扫描型光电倍增管的一种实施例的结构示意图。图3为图2所示实施例采用静电聚焦系统时，阴极发射电子的运动轨迹图。图4为图2所示实施例扫描系统中四块平板电极的分布图。图5为图2所示实施例采用静电聚焦系统以及静电偏转后，在电子倍增极输入面处的电子束斑统计图。图6为图2所示实施例采用静电聚焦系统以及静电偏转后，在电子倍增极输入面处的电子束渡越时间统计图。图7为图2所示实施例采用静电聚焦系统以及静电偏转后，在电子倍增极输入面处的电子束能量统计图。图8为图2所示实施例扫描系统两对平板所施加扫描电路波形示意图。图9为图2所示实施例扫描系统施加图8所示扫描电压时，阳极处电子轨迹图。图10为图2所示实施例经阳极输出信号进行反演所得波形与输入信号波形对比图。附图标记说明：1-真空容器，2-光学输入窗，3-电子加速电极，41-第一聚焦电极，42-第二聚焦电极，43-第三聚焦电极，5-扫描系统，51、52、53、54-平板电极，6-电子倍增器集群，7-阳极，71-绝缘基板，72-阳极电极单元，73-电子束运动轨迹，81-第一电极引线，82-第二电极引线，9-倍增管加速及聚焦供电电极的电极引线，10-电子倍增器集群供电电极的电极引线。具体实施方式以下结合附图1-10，对本技术作详细说明。本技术所提供的聚焦扫描型光电倍增管包括真空容器、设置在真空容器上的光学输入窗、设置在光学输入窗内侧用于接收光子并将其转换为电子的光电阴极、依次设置在真空容器中部的电子加速电极、聚焦系统、扫描系统、电子倍增器集群和阳极，以及用于向光电阴极、聚焦系统、扫描系统、电子倍增器集群和阳极供电的供电电极(图2中未示出)和用于支撑它们的支撑柱(支撑柱为常规结构，在具体制作器件时要根据器件结构进行具体设计，因而图2中未示出)。真空容器壁采用陶瓷/玻璃材料与金属材料交替叠加，陶瓷/玻璃材料与金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚焦扫描型光电倍增管，包括真空容器、光学输入窗、光电阴极、电子加速电极、阳极以及用于向光电阴极和阳极供电的供电电极；其特征在于：还包括依次设置在所述真空容器中部的聚焦系统、扫描系统、电子倍增器集群，以及用于向所述聚焦系统、扫描系统、电子倍增器集群供电的倍增管加速及聚焦供电电极、扫描系统供电电极、电子倍增器集群供电电极，和用于支撑固定聚焦系统、扫描系统、电子倍增器集群的支撑柱；所述聚焦系统靠近所述电子加速电极设置，用于将电子进行汇聚，使得电子束束径小于构成所述电子倍增器集群的电子倍增器件输入面尺寸的1/5；聚焦系统的渡越时间弥散小于100ps；所述扫描系统用于改变聚焦后电子束的运动方向，使得聚焦系统出射的电子束运动至指定电子倍增区域；所述电子倍增器集群设置在聚焦系统的焦面处，用于接收聚焦系统出射的电子束并产生倍增电子；同一电子倍增区域所接收电子束的时间间隔应为器件恢复时间的50～100倍；所述电子倍增器集群产生的倍增电子束被所述阳极收集；所述真空容器上预留有电极引线和金属线；所述倍增管加速及聚焦供电电极、扫描系统供电电极、电子倍增器集群供电电极均通过所述电极引线与器件外部的供电电源相连；所述阳极用于收集电子倍增器集群所产生的倍增电子束，阳极的信号输出引线与多路信号读出系统相连；所述聚焦系统、扫描系统、电子倍增器集群、阳极的中心共轴。...

【技术特征摘要】
1.一种聚焦扫描型光电倍增管，包括真空容器、光学输入窗、光电阴极、电子加速电极、阳极以及用于向光电阴极和阳极供电的供电电极；其特征在于：还包括依次设置在所述真空容器中部的聚焦系统、扫描系统、电子倍增器集群，以及用于向所述聚焦系统、扫描系统、电子倍增器集群供电的倍增管加速及聚焦供电电极、扫描系统供电电极、电子倍增器集群供电电极，和用于支撑固定聚焦系统、扫描系统、电子倍增器集群的支撑柱；所述聚焦系统靠近所述电子加速电极设置，用于将电子进行汇聚，使得电子束束径小于构成所述电子倍增器集群的电子倍增器件输入面尺寸的1/5；聚焦系统的渡越时间弥散小于100ps；所述扫描系统用于改变聚焦后电子束的运动方向，使得聚焦系统出射的电子束运动至指定电子倍增区域；所述电子倍增器集群设置在聚焦系统的焦面处，用于接收聚焦系统出射的电子束并产生倍增电子；同一电子倍增区域所接收电子束的时间间隔应为器件恢复时间的50～100倍；所述电子倍增器集群产生的倍增电子束被所述阳极收集；所述真空容器上预留有电极引线和金属线；所述倍增管加速及聚焦供电电极、扫描系统供电电极、电子倍增器集群供电电极均通过所述电极引线与器件外部的供电电源相连；所述阳极用于收集电子倍增器集群所产生的倍增电子束，阳极的信号输出引线与多路信号读出系统相连；所述聚焦系统、扫描系统、电子倍增器集群、阳极的中心共轴。2.根据权利要求1所述的聚焦扫描型光电倍增管，其特征在于：所述电子倍增器集群由传统打拿级电子倍增组件组成，或者采用微通道板电子倍增组件组成，或者由半导体电子倍增器件组成。3.根据权利要求1或2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘虎林，徐向晏，李学龙，田进寿，吕沛，吴国俊，王兴，辛丽伟，卢裕，陈萍，韦永林，赛小锋，温文龙，裴承全，王俊锋，何凯，王超，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：新型
国别省市：陕西,61