高收集效率微通道板、微通道板型光电倍增管及其制备方法与流程

本发明涉及探测微弱光线的微通道板型光电倍增管领域，具体而言涉及一种高收集效率微通道板、微通道板型光电倍增管及其制备方法。

背景技术：

光电倍增管是将光信号转换成电信号并对电信号进行倍增放大的真空电子器件，能够对极微弱光线进行有效的探测，并将光子技术与快速时间响应相结合实现时间相关计数的功能，因此广泛应用于高能粒子探测、生物医学材料的研究、半导体材料杂质分析、荧光衰减测试、等离子体诊断、核物理研究、地质探测、天文和宇宙空间研究等领域。

根据电子倍增方式的不同，光电倍增管可以分为打拿极型和微通道板型两种。传统光电倍增管电子倍增器采用打拿极结构，该结构加工步骤比较复杂，且倍增极结构不呈轴对称分布，对于光电阴极上不同区域产生的光电子入射到电子倍增器的角度和能量弥散都比较大，使得整体光电倍增管的电子增益不均匀程度增大。

新型的微通道板型光电倍增管相比于传统的打拿极型光电倍增管具有很多特定的优势：快速时间响应、良好的抗磁场能力、多阳极MCP－PMT具有获得二维信息的能力、良好的脉冲高度分布、结构紧凑、体积小、重量轻、能耗小等。在实际的使用过程中，由于微通道板具有一定的开口面积比，光电阴极产生的光电子经静电聚焦桶的收集，入射到第一片微通道板表面，有一定的几率撞击到微通道板孔壁的电极上而被吸收造成有效信号的损失，从而造成光电倍增管整体的收集效率降低，收集效率大小受制于微通道板的开口面积比。

在申请号为201410017489.3的中国专利“一种用于光电倍增管的微通道板”中，提出了一种特殊的用于光电倍增管的微通道板，此微通道板在输入电极方面与与正常通道板有所区别，输入面镀电极时，采用定向半通道蒸镀法，MCP在镀膜夹具中只公转不自转，从而使输入电极端面每个通道内一半有金属层，一半没有金属层。这种方法使得在使用中，入射至通道内的电子被通道内电极吸收的几率减小，在一定程度上能够提升光电倍增管的收集效率，但是对于未入射至通道内的电子没有任何作用，收集效率仍然会受制于微通道板的开口面积比。

在申请号为201410363192.2的中国专利申请“一种利用原子层沉积技术制作微通道板功能层的方法”中，提出了使用原子层沉积技术制作微通道板功能层的方法，以克服微通道板利用传统氢还原技术制备功能层的固有缺陷，解决微通道板功能层制作复杂、性能不稳定、寿命不长等难题，能够制作出附着力强表面光滑、厚度均匀、组成成分纯度高的电阻层和发射层，提高微通道板的性能稳定性，延长其工作寿命。此方法适用于制作正常微通道板，虽然也是采用的原子层沉积技术，但是由于整个制作微通道板的流程中，先制作了电阻层和发射层，再蒸镀输入输出面电极，整体结构上与正常微通道板一致，此种结构微通道板用于光电倍增管中，无法有效提升光电倍增管的收集效率，同样会受到微通道板开口面积比的限制。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种高收集效率且均匀性性好的微通道板、微通道板型光电倍增管及其制备方法。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种光电倍增管用微通道板，包括由多个平行的通道组成的二维阵列，其中所述二维阵列中，在金属电极表面以及通道内壁表面均覆盖有具有高二次电子发射系数的复合叠层薄膜。

进一步的实施例中，所述复合叠层薄膜为层叠的二氧化硅膜层组成。

进一步的实施例中，所述复合叠层薄膜为层叠的氧化铝膜层组成。

进一步的实施例中，所述复合叠层薄膜为层叠的氧化镁膜层组成。

进一步的实施例中，所述复合叠层薄膜的厚度在1～30nm。

进一步的实施例中，所述光电倍增管用微通道板的制备方法如下：

提供一蒸镀完成表面电极的微通道板；

使用原子层沉积技术在前述微通道板上制备复合叠层薄膜，具体包括：

选取制备氧化镁的化学有机源材料和H₂O，选取制备氧化铝材料的有机原材料Al(CH₃)₃和H₂O，选取制备二氧化硅材料SiCl₄和H₂O，高纯氮气作为源料的载气和清洁气体；

利用Al(CH₃)₃、SiCl₄或者MgCp₂制备具有高二次电子发射系数的复合叠层膜层。

进一步的实施例中，前述制备复合叠层膜层的步骤具体包括：

[1].选取制备氧化镁膜层的化学有机源材料MgCp₂和H₂O，选取制备氧化铝膜层的有机原材料Al(CH₃)₃和H₂O，选取制备二氧化硅材料SiCl₄和H₂O，高纯氮气作为源料的载气和清洁气体。

[2].制备具有高二次电子发射系数的膜层

[2.1].首先清洗基底，清洗工艺如下：丙酮超声5min，无水乙醇超声5min，放烘箱内120度烘1小时。将清洗后的基底置于反应腔的真空环境中，使用清洁气体不断清洗，保持反应腔体中压力保持稳定在20～40Pa，根据不同薄膜的工艺需要设置反应腔温度。

[2.2].根据氧化镁的制备工艺条件：镁源加热温度为110℃，反应腔温度为220℃，曝露时间/清洗时间/曝露时间/清洗时间＝20s/80s/20s/80s，向反应腔中交替通入有机源材料MgCp₂、高纯氮气、H₂O、高纯氮气，循环往复，制备出氧化镁薄膜，厚度可由循环次数精确控制；

或者

根据氧化铝的制备工艺条件：源温度为25℃，反应腔温度为200℃，曝露时间/清洗时间/曝露时间/清洗时间＝5s/50s/5s/50s。，向反应腔中交替通入有机源材料Al(CH₃)₃、高纯氮气、H₂O、高纯氮气，循环往复，制备出氧化铝薄膜，厚度可由循环次数精确控制；

或者

根据二氧化硅的制备工艺条件：源温度为40℃，反应腔温度为250℃，曝露时间/清洗时间/曝露时间/清洗时间＝8s/60s/8s/60s。，反应腔中交替通入有机源材料SiCl₄、高纯氮气、H₂O、高纯氮气，循环往复，制备出二氧化硅薄膜，厚度可由循环次数精确控制。

根据本发明的改进，还提出一种微通道板型光电倍增管，包括玻璃球壳、光电阴极、电子聚焦桶以及微通道板电子倍增系统，其中：

玻璃球壳，内部保持真空状态；

光电阴极，设置在所述玻璃球壳的内部表面，该光电阴极被设置成对于预定波长的入射光子，可受激发而产生光电子；

电子聚焦桶，设置在所述玻璃球壳的内部，用于将所述光电阴极受光子激发产生的光电子聚焦至电子倍增器的信号输入端；

微通道板电子倍增系统，设置在所述玻璃球壳的内部，用于将所述电子聚焦桶收集到信号进行电子多级倍增；

其中，所述微通道板电子倍增系统具有至少两个微通道板，微通道板之间具有间距，并且作为光电子输入端的第一微通道板的金属电极表面以及通道内壁表面均覆盖有具有高二次电子发射系数的复合叠层薄膜。

进一步的实施例中，所述复合叠层薄膜为层叠的二氧化硅膜层组成。

进一步的实施例中，所述复合叠层薄膜为层叠的氧化铝膜层组成。

进一步的实施例中，所述复合叠层薄膜为层叠的氧化镁膜层组成。

进一步的实施例中，所述复合叠层薄膜的厚度在1～30nm。

进一步的实施例中，两片微通道板结构中，根据斜切角形成的通道指向呈“V”字型排列。

进一步的实施例中，三片微通道板结构中，根据斜切角形成的通道指向呈“Z”字型排列。

根据前述公开，本发明还提出一种微通道板型光电倍增管的制备方法，其中的微通道板按照上述方式制备。

由以上技术方案，本发明与现有技术相比，具有显著的有益效果：

在微孔光学元件方孔内壁沉积人工设计结构的叠层结构，能够获得更多平整的反射面参与对入射X射线的反射，有利于提升方孔内壁对于X射线的反射率，能够使微孔光学元件获得比沉积单层金属薄膜更加优异的聚焦性能，并且在聚焦更高能段的X射线领域，沉积复合叠层结构膜层比沉积单层金属铱膜层具有更大的优势，针对器件所应用的能段范围，可以调整优化复合膜层的叠层结构以获得在所需应用能段具有更高的聚焦性能。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的高收集效率微通道板型光电倍增管的示意图。

图2是本发明使用原子层沉积系统装置示意图。

图3是本发明中电子收集装置示意图。

图4是本发明中新型微通道板与普通微通道板在PMT中的工作状态图。

图5是新型MCP－PMT与普通MCP－PMT收集效率与收集效率均匀性的测试数据对比示意图。

图示中各个标号含义如下：1－真空玻璃球壳，2－光阴极，3－聚焦桶，4－第一片微通道板，5－第二片微通道板，6－信号接收装置，7－引线，8－高纯氮气，9－MgCp₂容器，10－Al(CH₃)₃容器，11－SiCl₄容器，12－H₂O容器，13、14、15、16－气动控制阀门，17－反应腔，18－过滤器，19－真空泵，20－尾气处理装置，21－光电阴极，22－第一片MCP输入面电极，23－第一片MCP输出面电极，24－第二片MCP输入面电极，25－第二片MCP输出面电极，26－阳极电极，27－NiCr电极，28－二次电子发射层，29－撞击至普通微通道板表面的电子轨迹，30－撞击至微通道板表面的电子轨迹。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1、图2、图3、图4所示，依据本发明提出的一种高收集效率的微通道板型光电倍增管，包括：装载各部件的真空玻璃球壳1、用于将入射光信号转换成光电子的光电阴极2、用于将所述光阴极产生的光电子聚焦至电子倍增器输入端的电子聚焦桶3、用于实现电子信号放大的电子倍增器(其中具有微通道板4和5)以及用于放大信号采集的信号采集器6。

前述实施例中，真空玻璃球壳1，内部保持真空状态。

光电阴极2，设置在所述玻璃球壳的内部表面，该光电阴极被设置成对于预定波长的入射光子，可受激发而产生光电子.

电子聚焦桶3，设置在所述玻璃球壳的内部，用于将所述光电阴极受光子激发产生的光电子聚焦至电子倍增器的信号输入端。

微通道板电子倍增系统，设置在所述玻璃球壳的内部，用于将所述电子聚焦桶收集到信号进行电子多级倍增。

结合图1、图4所示，微通道板电子倍增系统具有至少两个微通道板(4、5)，微通道板之间具有间距，并且作为光电子输入端的第一微通道板4的金属电极表面27以及通道内壁表面均覆盖有具有高二次电子发射系数的复合叠层薄膜28。

优选地，复合叠层薄膜为层叠的二氧化硅膜层组成，或者为层叠的氧化铝膜层组成，或者为层叠的氧化镁膜层组成。

复合叠层薄膜的厚度在1～30nm。

每两片微通道板之间具有一定的间距，在两片微通道板结构中，根据斜切角形成的通道指向呈“V”字型排列。

在三片微通道板结构中，根据斜切角形成的通道指向呈“Z”字型排列。

在一些实施例中，采用的微通道板基底规格参数为：直径为36mm、孔径为20um、板厚为1mm、长径比为50、开口面积约为60％、已蒸镀完表面电极。在此微通道板基底上制备具有高二次电子发射系数的复合层叠膜层材料(28)，此膜层材料种类包括氧化镁、氧化铝、二氧化硅中的一种，膜层厚度为1～30nm。

本发明提出的微通道板型光电倍增管的电子倍增器的电子入射方向的第一片微通道板金属电极表面以及通道内壁表面均覆盖有一层具有高二次电子发射系数的薄膜。入射至通道内的光电子能够撞击到通道内壁，产生二次电子，二次电子在电场的作用下，沿着通道方向运动，继续撞击通道内壁产生更多的二次电子，实现电子的倍增，在输出端对放大的信号进行探测；对于入射至表面电极上的光电子，由于正常微通道板表面为金属电极，光电子撞击产生二次电子的概率比较小，产生的二次电子能够进入到相邻通道内并实现电子的级联倍增过程的比例少，严重影响到光电子的有效探测，对于具有新型结构的微通道板，由于表面电极上覆盖了一层具有高二次电子发射系数的薄膜材料，光电子撞击之后有很大概率产生二次电子，产生的二次电子在电场的作用下能够进入到相邻的通道内，从而继续完成电子的级联倍增，在输出端对放大的信号进行探测。因此，本发明的方案能够有效提升微通道板型光电倍增管的收集效率。

光电倍增管球壳不同位置处产生的光电子进行探测，有一定的不均匀性，此不均匀性与真空玻璃球壳不同位置处产生的光电子入射至微通道板表面的角度有关。在制作微通道板表面电极的时候，不可避免的会有一定的电极深度，此电极深度是影响探测效率均匀性的一个重要原因。对于普通的微通道板光电子入射角度越大，从入射的方向上观察，金属电极材料所占据的面积越大，入射区域中能够实现电子级联倍增的有效区域所占比例越小，对于光电子的探测效率也就越低；而对于新型的微通道板，由于微通道板表面电极以及通道内壁表面上都覆盖具有高二次电子发射系数的膜层，所以从任意方向上入射进来的光电子，都能够进行电子的级联倍增，实现对光电子信号的有效探测，因此本发明的方案有效提升了探测效率的均匀性。

在一些实施例中，前述复合叠层薄膜28的制备如下：

[1].选取原材料

选取制备氧化镁的化学有机源材料MgCp₂和H₂O，选取制备氧化铝材料的有机原材料Al(CH₃)₃和H₂O，选取制备二氧化硅材料SiCl₄和H₂O，高纯氮气作为源料的载气和清洁气体。

[2].制备具有高二次电子发射系数的膜层

[2.1].首先清洗基底，清洗工艺如下：丙酮超声5min，无水乙醇超声5min，放烘箱内120度烘1小时。将清洗后的基底置于反应腔的真空环境中，使用清洁气体不断清洗，保持反应腔体中压力保持稳定在20～40Pa，根据不同薄膜的工艺需要设置反应腔温度。

[2.2].根据氧化镁的制备工艺条件：镁源加热温度为110℃，反应腔温度为220℃，曝露时间/清洗时间/曝露时间/清洗时间＝20s/80s/20s/80s，向反应腔中交替通入有机源材料MgCp₂、高纯氮气、H₂O、高纯氮气，循环往复，制备出氧化镁薄膜，厚度可由循环次数精确控制；

或者

根据氧化铝的制备工艺条件：源温度为25℃，反应腔温度为200℃，曝露时间/清洗时间/曝露时间/清洗时间＝5s/50s/5s/50s。，向反应腔中交替通入有机源材料Al(CH₃)₃、高纯氮气、H₂O、高纯氮气，循环往复，制备出氧化铝薄膜，厚度可由循环次数精确控制；

或者

根据二氧化硅的制备工艺条件：源温度为40℃，反应腔温度为250℃，曝露时间/清洗时间/曝露时间/清洗时间＝8s/60s/8s/60s。，反应腔中交替通入有机源材料SiCl₄、高纯氮气、H₂O、高纯氮气，循环往复，制备出二氧化硅薄膜，厚度可由循环次数精确控制。

经过以上步骤，完成了具有新型结构的微通道板制作。将此微通道板与正常微通道板按照“V”字形组成两片叠加组合或者“Z”字形三片叠加组合，作为电子倍增器核心组件，然后与制作好光阴极的玻壳进行组装、封接等步骤，完成高收集效率微通道板型光电倍增管的制备，如前述所描述的，可显著提高微通道板型光电倍增管的收集效率和探测的均匀性。

制作完成的PMT电子信号放大与收集装置细节如图3所示，通过在电极21、22、23、24、25、26之间施加递减电势，使电极之间形成一定的电压梯度，通过级联倍增将电子信号进行放大并采集。与正常MCP－PMT相比，高收集效率MCP－PMT在工作状态下，撞击到通道板表面的光电子，能够产生二次电子，二次电子在电场的作用下能够进入到相邻的通道从而继续进行电子倍增，电子运动的轨迹如图4(30)所示，而普通的MCP－PMT中，撞击到通道板表面的电子，轨迹如图4(29)所示，大部分无法产生二次电子或产生二次电子无法进入到相邻的通道中去，收集效率比较低，导致无法对这一部分信号进行有效的探测。

普通MCP－PMT与高收集效率的MCP－PMT(第一片MCP表面及通道内壁覆盖8nm氧化铝)测试结果如图5所示，对于玻壳不同位置处的产生的光电子，新型MCP－PMT的收集效率都很高(＞90％)，远高于微通道板的开口面积比，而普通的MCP－PMT收集效率由于受开口面积比的限制，均低于65％。在收集效率均匀性方面，新型MCP－PMT的性能也要高于普通的MCP－PMT，对于在玻壳不同位置处产生的光电子，新型MCP－PMT均能够较好的收集，而普通MCP－PMT由于受电极深度的影响，在玻壳赤道位置处的收集效率较低，整体均匀性不好。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。