[发明专利]一种静电聚焦微通道板光电倍增管

说明书

技术领域

本发明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（发明创造名称：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。

发明内容

本发明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。