《一種光電倍增管》是中國科學院高能物理研究所於2009年6月10日申請的專利，該專利的申請號為2009101479154，公布號為CN101924007A，授權公布日為2010年12月22日，發明人是王貽芳、錢森、趙天池、曹俊。
《一種光電倍增管》包括光陰極、電子倍增器、電子收集極以及供電極；所述光陰極、電子倍增器都置於一真空密封容器內；所述電子收集極和供電極穿過所述真空透光容器與一外部電路相連；所述光陰極覆蓋在所述真空透光容器的全部內表面上；所述電子倍增器置於所述真空透光容器的內部中心處，能夠接收來自所述光陰極各個方向產生的光電子並產生增殖電子。該發明擴大了有效光陰極面積，提高了單位受光面積對光的探測效率。
2016年12月7日，《一種光電倍增管》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種光電倍增管》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種光電倍增管
- 公布號：CN101924007A
- 授權日：2010年12月22日
- 申請號：2009101479154
- 申請日：2009年6月10日
- 申請人：中國科學院高能物理研究所
- 地址：北京市石景山區玉泉路19號（乙）院
- 發明人：王貽芳、錢森、趙天池、曹俊
- Int.Cl.：H01J43/00(2006.01)I、H01J40/06(2006.01)I、H01J43/04(2006.01)I
- 代理機構：隆天國際智慧財產權代理有限公司
- 代理人：邢雪紅
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
光電倍增管是一種具有極高靈敏度和超快時間回響的光探測器件，可廣泛套用於光子計數、極微弱光探測、化學發光、生物發光研究等儀器設備中。作為一種真空部件，傳統的聚焦型光電倍增管主要由光電發射陰極（也稱為光陰極）、聚焦電極、電子倍增器及電子收集極（陽極）等組成，其中光陰極為特殊光敏材料製成的沉積在特定基板上的極薄的膜，按照光電轉換方式，可分為透射式和反射式兩大類。
截至2009年6月，聚焦型光電倍增管的光陰極都採用透射式，透射式光陰極一般沉積在光電倍增管玻璃外殼頂部入射窗的內表面上，被探測的光線從入射窗射入。如圖1所示，這種聚焦型光電倍增管的工作過程是：當入射光子穿過透光的真空容器1的前視窗，射到光陰極2時，一部分光子被轉換為光電子，其餘的光子穿透光陰極2進入真空容器。在光陰極2中被轉換為光電子之中的一部分被光陰極所吸收，另一部分（一般不超過總入射光子數的30％），穿過光陰極2進入真空中，沿聚焦電場飛行並被加速，進入由一組多個表面塗有特殊材料的電子倍增器，在其中被電場加速的電子打在電子倍增電極3表面發生二次電子發射，從而得到倍增放大，放大後的電子流為陽極4所收集，並作為信號輸出。
上述聚焦型光電倍增管採用聚焦光電子的電場設計的特點是光陰極的面積大於或者遠大於接收光電子的電子倍增器表面的面積，這樣特別適合於製造面積較大的光電倍增管。但是，傳統的聚焦型光電倍增管多為圓柱形或橢球型，採用上述透射式光陰極只能接收從前方射入的光線，有效接收光線的空間角度不超過2立體角，光電轉換的量子效率因之低下。
並且對於具有大面積光陰極的光電倍增管，其電子倍增器一般為圖1中聚焦的打拿電極結構，由多個表面塗有次級電子發射係數高的材料的金屬片構成，其結構比較大，一般置於密封容器下半部分的葫蘆尾口處，對於大型光電倍增管來說，這種設計使得光電子從光陰極表面產生後，到達電子倍增器的路徑差別較大，所經過的電場分布也不相同，因此光電子的到達時間散布較大，大型光電倍增管的時間回響較難達到理想的要求。
採用反射式光陰極的光電倍增管需要在其真空容器透光窗的內部，設定承載光陰極的基板，反射式光陰極沉積在此基板之上，配合這種反射式光陰極，需要採用環形聚焦型電子倍增器結構來進行倍增放大。因此，這種光電倍增管的有效受光面積受到限制。
光電倍增管也採用微通道板作為電子倍增器，但此類的光電倍增管都為非聚焦型，而且2009年6月前技術的微通道板一般為平板狀的結構，面積不可能做得很大，貼近光陰極放置。由於需要光陰極的面積與微通道板的面積相匹配，因而，實際可用的微通道板限制了光陰極的面積。
發明內容
專利目的
《一種光電倍增管》的目的是提供一種大光陰極面積、高光量子效率以及結構簡單的光電倍增管。
技術方案
《一種光電倍增管》包括：用來接收光照並產生光電子的光陰極，用來接收從光陰極發射出來的光電子並產生增殖電子的電子倍增器，用來收集所述電子倍增器所產生增殖電子的電子收集極，用來供電給所述光陰極和電子倍增器的供電極，所述光陰極、電子倍增器置於一真空透光容器內，所述電子收集極和供電極穿過所述真空透光容器與一外部電路相連；其中所述光陰極覆蓋在所述真空透光容器的全部內表面上；其中所述電子倍增器置於所述真空透光容器的內部中心處，接收所述光陰極產生的光電子並產生增值電子。
如果光電倍增管所探測的入射光是來自各個方向，那么所述光陰極等同厚度地塗鍍在所述真空透光容器的全部內表面上。
如果光電倍增管所探測的入射光是來自光電倍增光的前方某個方向，那么所述光陰極按照第一厚度塗鍍在入射光方向所對應的所述真空透光容器的一半內表面上，同時按照第二厚度塗鍍在所述真空透光容器剩餘的另一半內表面上，所述第一厚度小於或等於第二厚度。
為了提高反射部分的量子效率，所述光陰極材料按照第二厚度塗鍍在所述真空透光容器的另一半球內表面之前，先塗鍍一層高反光度的金屬薄膜。
為了能夠接收所述光陰極產生的光電子和產生增殖電子而設定的所述電子倍增器的面積遠小於光陰極的面積，可以為微通道板、小型打拿極、半導體二級管或雪崩矽光電探測器中的任意一種，並且所述電子倍增器以上下兩組、左右兩組或各向多組布置的方式置於所述真空透光容器的內部中心處，在所述光陰極和電子倍增極之間形成中心對稱的聚焦電場。
為了有效收集來自所述光陰極的光電子，所述光電倍增管還包括一環繞在所述電子倍增器四周的聚焦電極。
優選地，所述真空透光容器可以採用球形、橢球形或者圓柱形的玻璃容器。
優選地，所述電子倍增器具有陽極和陰極，所述每組微通道板的陰極面對所述光陰極放置，所述每組微通道板的陽極面對所述電子收集極放置。
根據增益的需要，所述每組微通道板為單片或多片串聯連線的微通道板。
相應於每組電子倍增器，所述電子收集極可以為用於同時接收所述每組電子倍增器產生的增值電子的一公共收集極，或分別接收所述各組電子倍增器產生增值電子的多個電子收集極。
所述電子倍增器通過一絕緣支撐桿來置於所述密封容器內部中心處。
改善效果
由上述技術方案可知，《一種光電倍增管》通過將光陰極覆蓋在整個真空容器的內表面上的方法，使得入射光子在進入真空容器，在入射處光陰極中被轉換為光電子，而穿過光陰極沒有與光陰極發生反應的光子可以在射到相對的真空容器表面時，利用反射式光陰極的原理，得到第二次機會與光陰極發生光電效應，而轉換為光電子，從而使得光電倍增管的量子效率得以大幅度提高，從而有效地利用了光陰極的面積，進而提高了光量子轉化效率。
附圖說明
圖1為傳統技術中透射式光陰極的光電倍增管的結構示意圖；
圖2為《一種光電倍增管》的光電倍增管的一個實施例的結構示意圖；
圖3為該發明的光電倍增管的另一個實施例的結構示意圖；
圖4為該發明的光電倍增管所使用的微通道板的結構示意圖。
技術領域
《一種光電倍增管》涉及光探測器件，尤其涉及一種基於透射式光陰極和反射式光陰極相結合的光電倍增管。
權利要求
1.《一種光電倍增管》包括：用來接收光照並產生光電子的光陰極，用來接收從光陰極發射出來的光電子並產生增殖電子的電子倍增器，用來收集所述電子倍增器所產生增殖電子的電子收集極，用來供電給所述光陰極和電子倍增器的供電極，所述光陰極、電子倍增器置於一真空透光容器內，所述電子收集極和供電極穿過所述真空透光容器與一外部電路相連，其特徵在於，所述光陰極覆蓋在所述真空透光容器的全部內表面上；所述電子倍增器置於所述真空透光容器的內部中心處，接收來自所述光陰極各個方向產生的光電子並產生增殖電子。
2.根據權利要求1所述的光電倍增管，其特徵在於，所述光陰極按照第一厚度塗鍍在所述真空透光容器的一半內表面上，同時按照第二厚度塗鍍在所述真空透光容器的另一半內表面上，所述第一厚度小於或等於第二厚度。
3.根據權利要求2所述的光電倍增管，其特徵在於，在所述真空透光容器另一半內表面上的光陰極和所述真空透光容器壁之間，還設有一層反光金屬薄膜。
4.根據權利要求1所述的光電倍增管，其特徵在於，所述真空透光容器為一球形、橢球形或柱形的真空透光容器。
5.根據權利要求1所述的光電倍增管，其特徵在於，所述電子倍增器為微通道板、小型打拿極、半導體二級管或雪崩矽光電探測器，所述電子倍增器以上下兩組、左右兩組或各向多組布置的方式置於所述真空透光容器的內部中心處。
6.根據權利要求5所述的光電倍增管，其特徵在於，所述每組微通道板具有陰極和陽極，所述每組微通道板的陰極面對所述光陰極放置，所述每組微通道板的陽極面對所述電子收集極放置。
7.根據權利要求5或6所述的光電倍增管，其特徵在於，所述每組微通道板為單片或多片串聯連線的微通道板。
8.根據權利要求5或6所述的光電倍增管，其特徵在於，所述電子收集極為用於同時接收所述每組電子倍增器產生的增殖電子的一公共收集極，或分別接收所述各組電子倍增器產生的增殖電子的多個電子收集極。
9.根據權利要求5或6所述的光電倍增管，其特徵在於，所述電子倍增器通過一絕緣支撐桿來置於所述真空透光容器內部中心處。
10.根據權利要求1所述的光電倍增管，其特徵在於，所述光電倍增管還包括一環繞在所述電子倍增器四周的聚焦電極。
實施方式
圖2是《一種光電倍增管》光電倍增管的一個實施例的結構示意圖。
如圖2所示，《一種光電倍增管》的光電倍增管主要包括光陰極14，電子倍增器10，電子收集極11以及供電及信號引出線12。《一種光電倍增管》的光電倍增管的上述組成部分都置於大型透光真空容器8中，所述真空透光容器可以為球形、近似球形以及柱形的玻璃容器，這裡以近似球形的真空透光容器來詳細說明《一種光電倍增管》，但並不限制《一種光電倍增管》的保護範圍。所述光陰極覆蓋沉積在所述真空容器8的內表面上，覆蓋範圍為除真空容器8中還有用於供電及信號引出線的少許表面之外，真空容器8中其它全部的內表面上都塗鍍上光陰極的材料；同時為了接收全部光陰極的入射光子，所述電子倍增器10置於所述真空容器8的內部中心處，接收來自各個方向的光電子並產生增值電子，之後通過電子收集極11收集增殖電子並輸出被放大之後的電流信號。這裡所述的供電和信號引出線12包括電源線和信號引出線（為了示意效果在圖2中顯示為一條線），所述電源線作為所述光陰極14、電子倍增器10以及電子收集極11的電源線，以此使他們之間依次形成電勢差，所述信號引出線可作為電子收集極11的信號引出線，用來輸出放大之後的電流信號。
上述光陰極沉積在真空容器接近全部內表面的設計方法，使得入射光子在穿透真空容器壁時，一部分在入射部分處的光陰極中被轉換為光電子，而穿透光陰極層並沒有與光陰極發生反應的另一部分光子，可以在射到相對的真空容器表面時，利用反射式光陰極的原理，得到第二次機會與光陰極發生光電效應轉換為光電子，從而最大程度地探測到入射光子，使得光電倍增管探測光子的量子效率得以大幅度提高。
上述光陰極的設計方法適用於接收來自光電倍增管周圍各個方向和只來自前方的入射光。
如果入射光是來各個方向，也就是在所述真空容器四周都有入射光子，上述光陰極可以採用適當的光陰極材料厚度一致地塗鍍在所述真空透光容器的全部內表面上，其中所述光陰極材料可以為雙鹼或多鹼金屬材料，並且在塗鍍的過程中其厚度和結構依據具體使用需要而定。
如果入射光是只來自同一方向，假如來自光電倍增管的前方，那么在真空容器壁8面對入射光的一半內表面上按照一定厚度塗鍍上光陰極材料，在真空容器8剩餘的另一半內表面按照另一厚度塗鍍上光陰極材料，其中另一半內表面上塗鍍的光陰極材料可以比入射光對著的那一半內表面上的可以厚一些。這裡以在球形或近似球形的真空容器為例，在所述球形或近似球形的真空容器前半球表面上按照一定厚度塗鍍上光陰極材料，製作成透射式光陰極，在其後半球表面上其後半球按照另一厚度塗鍍上光陰極材料，製作成反射式光陰極，如圖3所示，前半球虛線部分15為透射式光陰極，後半球實線部分16為反射式光陰極。並且為了更好地提高反射式光陰極的光探測效率，在後半球塗鍍光陰極材料之前需要先鍍一層具有高反光度的金屬鋁膜或其他材料的薄層，然後在這層金屬膜上再沉積一層厚度與後半球上沉積的透射式光陰極厚度相等或更大的反射式光陰極。因此，透射式和反射式光陰極覆蓋的總面積接近真空容器的整個表面，這樣的設計方法使得在入射光僅僅來源於光電倍增管的前方或者某一個角度時，光電轉換的量子效率高於前述的均勻厚度和同樣結構，但沒有金屬反光層的光陰極設計所能得到數值。
上述光電倍增管中的電子倍增器可以採用微通道板、大面積半導體二極體、大面積半導體雪崩二級管，或者其它類型的體積和厚度較小的電子倍增器。所述電子倍增器置於真空容器接近中心的位置處，以上下兩組、左右兩組或各向多組的方式放置，這裡所述各向多組的方式為沿著真空容器中心呈三角形切向放置三組或者三組以上的電子倍增器，依據設計和工程需要而定。如圖2和3所示，圖2中的電子倍增器為左右兩組放置，而圖3中的電子倍增器為上下放置，其中每組的電子倍增器輸出電子面朝向所述電子收集極。所述電子倍增器的電勢要高於光陰極的電勢，能夠高效率地接收從全部光陰極上射出的各個方向的光電子。並且所述電子倍增器的面積遠小於光陰極的面積，這樣在光陰極和電子倍增極之間形成近似中心對稱的，由球心指向球面的電場分布，其近似中心球面對稱性的電場干擾較小，有助於改善光電子收集時間的一致性；同時使透過光陰極進入真空容器的光子被電子倍增器及其附屬設備所阻擋吸收的比例很小，有利於光電轉換效率和光電子收集效率的提高。
優選地，可以進一步地藉助設定於電子倍增器周邊的聚焦電極2的配合，所述聚焦電極也與電源線連線，以使能夠在光陰極和聚焦電級之間形成聚焦電場，從而使得光電子的收集能夠以接近100％的高效率，接收從光陰極上射出的光電子。
當採用微通道板作為電子倍增器時，每組微通道板的陰極17均朝向光陰極，接收光陰極所發射的光電子，通過其中的空心玻璃纖維19進行電子增值，然後增值後的電子通過陽極18輸出給電子收集極11。上述的每組微通道板電子倍增器，可以是單級、兩級或三級串列連線的微通道板，在微通道板的陰極17和陽極18之間加適當的電壓，使得光電倍增管在探測弱光或進行單個光子測量計數時能夠得到足夠的光電子放大倍數。微通管板電子倍增器的時間回響和噪聲特性優於在傳統的聚焦性光電倍增管中作為電子倍增器的打拿電極組合，使得光電倍增管具有時間回響快速和低噪聲的特點。
這裡所述電子收集極11可以為一公共收集極，同時接收來自各組電子倍增器產生的電子流，也可以是兩個或多個電子收集極，分別接收兩組或多組電子倍增器產生的電子流，然後再把兩個或多個輸出的電流合到一條通路上。所述電子收集極與傳統光電倍增管的一樣，可以採用銅片或者其他金屬材料，在該發明中，如果採用微通道板作為電子倍增器，須使所述電子收集極的面積大於或等於微通道板的陽極面積，以使更好地收集來自微通道板的電子流。
當使用半導體二極體或雪崩二級管或其他類型的半導體電子倍增器時，需要給這些器件加高壓，使得光電子加速獲得足夠的動能，能夠貫穿半導體電子倍增器表面的保護層，並在半導體電子倍增器中產生足夠大的增殖倍數。採用半導體電子倍增器的優點是施加較高的聚焦電壓，可以進一步地改進光電倍增管的時間回響。
上述微通道板或半導體電子倍增電極，以及聚焦電極組合，由絕緣架支撐13，通常為玻璃管。電子倍增器所需要的供電及信號引線12可以置於絕緣支架中，在金屬引線12和玻璃支架13之間可以採用熔焊工藝保持真空密封。
這樣，當光陰極、電子倍增器以及電子收集極都加上工作電壓之後，所述光陰極與電子倍增器之間形成聚焦電場，電子倍增器與電子收集極形成收集電場，光照一部分從密封容器的外殼進入透射式光陰極產生光電子，另一部分透射過去再經過反射式光陰極產生更多的光電子，所有由光陰極產生的電子在聚焦電場的加速下擊打到電子倍增器上，經過電子倍增放大後的電子流在收集電場的加速下進入電子收集極，收集之後的電流信號作為信號輸出。
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種光電倍增管》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
