[发明专利]一种拥有混合电子倍增系统的大面积光电倍增管

说明书

本发明公开了一种拥有混合倍增系统的大面积光电倍增管，包括：真空玻璃容器、光阴极、电子倍增系统、阳极以及供电极。所述光阴极、电子倍增系统以及阳极置于所述真空玻璃容器内，所述阳极通过信号引线穿过所述真空玻璃容器与外部电路相连，所述供电极通过电源线穿过所述真空玻璃容器与外部供电电路相连。所述光阴极覆盖在所述真空玻璃容器除柄口处的全部内表面上；所述倍增系统置于真空玻璃容器内部柄口处，包括第一级球形打拿极和第二级微通道板组件，能够接收所述光阴极产生的各个方向的光电子并产生倍增电子。本发明同时兼具大光阴极覆盖面积和高光电子收集效率的优点。

技术领域

本发明属于真空光电探测器技术领域，尤其涉及一种拥有混合电子倍增系统的大面积光电倍增管，特别是将近全球面光阴极产生的光电子收集到由球形打拿极与微通道板共同构成的混合电子倍增系统中的光电倍增管。

背景技术

光电倍增管（Photomultiplier Tube简称PMT）是建立在外光电子发射效应、二次电子发射效应和电子光学理论的基础上，能够将微弱光信号转换成光电子并获得倍增效应的真空光电探测器件。光电倍增管种类繁多，根据入射窗不同可分为端窗式、侧窗式以及新兴发展起来的大面积光电倍增管，其中，大面积光电倍增管由于光阴极覆盖面积大，具备光子计数能力，被广泛应用于大规模中微子以及宇宙射线等实验中。

传统的大面积光电倍增管如图4，外壳1采用椭球形或近球形真空玻璃球壳，阴极2覆盖球壳内表面一部分，中心沉底处放置打拿极电子倍增系统3，为了获得理想的电子增益，打拿极的个数一般为8~16个不等，打拿极末端设置传统的大面积光电倍增管阳极收集极4。当光照射球壳时，入射光子5会在光电阴处发生外光电效应产生光电子6，光电子在内部电场的作用下被打拿极收集，并在电场力的作用下逐级倍增，最终倍增后的电子被阳极收集，并作为信号输出。

大面积打拿极型光电倍增管中，打拿极的开口较大，几乎可以收集来自光阴极的全部光电子并倍增，收集效率接近100%。

大面积光电倍增管渡越时间弥散c是一项反映其性能的重要指标，它主要由两部分组成：光电子从光电阴极到第一级打拿极的渡越时间弥散a和电子在多级打拿极中逐级倍增形成的渡越时间弥散b。由于打拿极结构体积较大，级数较多，电子在其中倍增势必会形成较大的渡越时间弥散b。因而打拿极型光电倍增管通常采用椭球形外壳，将第一打拿极置于椭球中心处，以尽量减小光电子从光阴极到打拿极的渡越时间弥散a，从而将总的电子渡越时间弥散c控制在较理想的水平。但这种结构中的打拿极体积大且居于球壳中心，会对下半球面光电子的收集造成遮挡，因此光阴极无法覆盖整个球面，以日本滨松光子株式会社（Hamamatsu）生产的20英寸光电倍增管R1449、R3600、R7250为例，其玻壳外径均为508mm，但光电阴极覆盖范围仅占到上半球面的一小部分，其有效直径分别为460mm、460mm以及430mm。这一缺陷违背了大面积光电倍增管的大阴极面积的设计初衷，不能完全满足当前极限微光探测实验对探测器光阴极覆盖率的要求。

申请号为200910147915.4以及申请号为201410104388.X的中国专利申请公开了一种大面积微通道板型光电倍增管，如图5，该管型包括玻璃外壳7、光电阴极8、聚焦电极9、微通道板电子倍增系统10、收集极阳极11、供电和阳极引线12以及支撑杆13。

该发明公开的光电倍增管，采用球形玻璃外壳，用微通道板代替传统的打拿极电子倍增系统，并将其置于球壳中心，由于微通道板体积小，几乎不会对光电子的收集造成遮挡，可实现除柄口处的近全球面光电子的有效收集。该发明有效扩大了光阴极覆盖面积。

然而将微通道板作为电子倍增系统有一个重大的缺陷：电子收集效率较低。微通道板（如图6）是一个呈蜂窝状结构的小玻璃盘，由几百万个微通道14构成，每个通道都是一个独立的电子倍增器，上下表面镀有金属电极15，当光电子在电场力的作用下运动到微通道板时，一部分会撞击其实体电极部分而损失，只有进入微通道板的通道中的光电子才称之为被有效收集，因而，一般微通道板型光电倍增管的收集效率较低，不会超过其开口面积比（大约70%左右），严重影响了探测效率等性能指标。