一种静电聚焦微通道板光电倍增管的制作方法与工艺

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。

技术实现要素：
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。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，本发明的积极效果为：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为本发明的光电倍增管的第一实施例的结构示意图。图2为本发明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为本发明的光电倍增管第一实施例中整个组件的装配图。图4为本发明的光电倍增管第一实施例中微通道板组件的剖面图。图5本发明采用的带有辅助聚焦电极的组件及其支撑柱正视图。图6本发明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为本发明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为本发明的第二实施例中由微通道板及阳极组件构型图。图10为本发明的第二实施例中微通道板及阳极组件的正视图。图11为本发明的第二实施例中组件、支撑柱固定连接方式正视图。图12为本发明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@2000V、P/V～1.6，G＝1.5×107；(b)另一组MCP+金属栅网+金属薄片，MCP@2000V、P/V～1.55，G＝3.0×107；(c)一组MCP+微带线单阳极结构，MCP@2000V、P/V～2.6，G＝2.0×107；(d)另一组MCP+微带线单阳极结构，MCP@2000V、P/V～3.8，G＝7.5×107。图13为两MCP直接串联获得的光电子谱图。(a)一组MCP+阳极结构获得的光电子谱图；(b)另一组MCP+阳极结构获得的光电子谱图。图14为阳极光信号对比图；其中，(a)为本发明阳极光信号图，(b)传统阳极光信号图。具体实施方式下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的描述。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不限制本发明。如图1所示，本发明的第一实施例的光电倍增管主要包括由玻璃构成的球形或椭球形真空容器1、依附在玻璃内表面的光阴极5、聚焦电极2、电子倍增器3、阳极6(见图2)以及支撑柱4，聚焦电极2、电子倍增器3、阳极6通过陶瓷骨架7构成一体(如图2所示)，三者的中心共轴，且通过支撑柱4固定于所述真空容器1的中心处，支撑柱4通过三爪10以及下面的玻璃芯柱11固定。本发明的电子倍增器采用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6的两侧(见图2)。图3即为把电子倍增器3(实际上是微通道板组件)、阳极、聚焦电极通过陶瓷骨架7和压簧18构成一体，其中各电极环的引出端9从陶瓷骨架豁口处引出。两块微通道板(图4中51、52和53、54)之间的间隙由微通道板电极环91和绝缘环垫片8的厚度确定，一般而言，绝缘环垫片8的厚度可以做到20μm(如氟金云母)，电极环的厚度也可以做到20μm，这样，两块微通道板的最小间隙可以做到60μm，当然，考虑到电极环91的强度，可以采用较厚的电极环，其厚度为0.1mm，这样，绝缘环垫片8可以采用陶瓷环，厚度控制在0.3mm，由此得到微通道板之间的间隙为500μm。可见，微通道板的间隙通过电极环91和绝缘环垫片的厚度来调整，控制在60μm～500μm之间。另外，可以在间隙中施加电场，来控制从一块MCP的输出面到另一块MCP的输入面电子束斑的大小，进而改善整过电子倍增器的增益，并提高其探测单光电子的峰谷比。这个电压根据间隙大小、真空卫生的好坏进行调整，当间隙比较小时，施加的电压较小，如间隙为60μm时，电压可以加到50～100V，间隙为150μm时，电压为150～300V,间隙为500μm时，电压为800～1000V。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2，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15作为辅助聚焦电极(如图5、图6所示)，并与所述聚焦电极位于同一平面且同心。这种辅助聚焦电极往往在较小尺寸的光电倍增管中采用，如8吋、9吋的管型。由于两组微通道板的增益可能不同，通过调整电压，尽可能保证两者增益一致，设计阳极6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6制作成微带线阳极结构(如图7所示)，该阳极包括蛇形导电层12、介电质层13和金属接地层14构成，通过精确设计蛇形导电层12宽度、厚度、介电质层13材料(考虑其介电常数)的厚度，可以计算出其特性阻抗，再与阻抗匹配的导线联接，进而降低高频信号在传输过程中的反射，获得比较好的光电子信号。关于微带线阳极的设计与制造，为本行业技术人员通用技术，在此不做过多阐述。为了支撑聚焦电极、微通道板组件、阳极，特设计支撑柱4，所述支撑柱将所述电子倍增器3及阳极6、聚焦电极2支撑到所述玻璃真空容器的内部中心处，其形状设计成圆柱形(见图8)。考虑到屏蔽和给上述聚焦电极、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19的绝缘材料，把电压引线和信号线通过所述支撑柱内孔19引出。也为了确保环绕在支撑柱4与上述聚焦电极、微通道板以及阳极构成的组件附近的光电子能充分进入微通道板有效区域，芯柱上端的外表面17为绝缘层，其在8吋玻壳内，长度设计为15～20mm，对于20吋玻壳，设计长度为24～35mm，下端外部为金属包层16，在所述金属包层通过固定的三爪10与光阴极5电连接，其下端与玻璃芯柱11相应的插针实现电连接，这样，三者通过该插针馈送的电压，保持同电位。上述支撑柱本体材料选择陶瓷圆柱筒，其外表面导电层(金属层)可以采取电镀或真空镀膜的方式，该金属膜层，确保打到该处的电子能够导出。本发明的第二实施例的光电倍增管主体结构与第一实施例相同，只是内部聚焦电极、微通道板组件、阳极以及支撑柱的结构有部分改变，表现在微通道板及其阳极夹具的变化上，如图9所示即为该组件的对称部分的一半，该夹具82包括陶瓷骨架107、阳极片200、绝缘环201、金属栅网202、第一电极环203、微通道板105、第二电极环204、绝缘环垫片205、第三电极环206、微通道板105、压环电极环207、固定盖板108、压盖聚焦环104和骨架盖板103(骨架107的另一侧具有对称的结构，图9展示的骨架107其中一侧的结构)。在陶瓷骨架107的凹槽内，依次安装阳极片200、绝缘环201、金属栅网202、绝缘环201、第一电极环203、微通道板105、第二电极环204、绝缘环垫片205、第三电极环206、微通道板105、压环电极环207、固定盖板108、压盖聚焦环104，随后用螺钉通过螺孔102固定在陶瓷骨架107的凹槽内。两个微通道板及阳极夹具82叠加在一起并应用螺丝通过螺孔102固定在一起，组成微通道板及阳极组件10A(见图10)。微通道板及阳极夹具82使得微通道板具有一个电子收集面，即，微通道板具有2π的电子收集立体角，把两个微通道板及阳极夹具82叠加在一起组成微通道板及阳极组件10A，使得该组件10A具有两个电子收集面，即该组件10A具有4π的电子收集立体角。在微通道板及阳极夹具82中，优选绝缘环垫片205厚度为20-300μm，作为这种绝缘材料，如厚度要求比较薄的，例如100μm以内的，宜选氟金云母，超过这个数值，也可以选择陶瓷，考虑到金属电极环的厚度最小可加工到20μm，这样，两块微通道板间隙厚度是第二电极环204、绝缘环垫片205、第三电极环206三者厚度之和，考虑到电极环厚度超过0.2mm刚性大而不合适，这样整过间隙的厚度在60～500μm。如同第一实施例一样，间隙电压的调整范围也在50V～1000V。这里的阳极结构单元是由金属栅网202和阳极片200构成。将金属聚焦电极环106环绕在所述微通道板及阳极组件10A上，并固定于骨架盖板103内，并确保聚焦电极环所在的平面与所述微通道板及阳极组件10A中心横截面在一个平面内且同心，尔后把带有金属聚焦电极环的微通道板及阳极组件10A通过骨架盖板孔102与支撑柱101通过螺钉固定(见图11)，支撑架101是一个横截面为长方形内部有孔的柱形陶瓷体，如同本发明第一实施例所描述的那样，内孔用于把聚焦电极、微通道板以及阳极电压引线和阳极信号引出，支撑柱101上端裸露而下端的导电层采用包上导电材料(如不锈钢皮)，其裸露部分连同盖板部分的长度与第一实施例相同。支撑柱101下端焊接在固定底座上100上，其细节与一般光电倍增管制作工艺相当，在此不作展开说明。注意：本实施例中压盖聚焦环104相当于实施例1中的聚焦电极环2，而其聚焦环106则相当于实施例1中的辅助聚焦电极环15。上述两个实施例中均采用两个阳极，也可以采用一个阳极，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，馈入信号线。通过两个实施例，获得的单光电子谱(如图12)，其中图12(a)为实施例1中的一组MCP+金属栅网+金属薄片获得的单光电子谱，整个组件的电压为2000V(为了方便，记作MCP@2000V)时、单光电子峰谷比P/V～1.6，增益G＝1.5×107；而图12(b)则为本实施例同一个MCP-PMT另一组MCP+金属栅网+金属薄片，其MCP@2000V时、P/V～1.55，G＝3.0×107；图12(c)第二实施例中一组MCP+微带线单阳极结构，当MCP@2000V时、P/V～2.6，G＝2.0×107；图12(d)与图12(c)为同一MCP-PMT的另一组MCP+微带线单阳极结构，当MCP@2000V时、其P/V～3.8，G＝7.5×107。直接串联的MCP，其光电子谱如图13所示，其中图13(a)为一组MCP+阳极构成的组件，其增益为5.7×105，测不出台阶，因而探测不到单光电子，更谈不上峰谷比的数值了，图13(b)为另一组MCP+阳极构成的组件，其增益为1.8×105，也测不出台阶，照样探测不到单光电子，尽管在信号引出端增加了放大器。改变传统的金属阳极结构，通过本发明获得的光电子信号，高频反射小，如图14(a)所示，而早期采用的传统的金属阳极结构，得到的信号震荡明显，见图14(b)。