紫外球面微通道板光子计数成像探测器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种紫外球面微通道板光子计数成像探测器，包括：置于真空壳体内，由上至下设置的光电阴极、微通道板、位置灵敏阳极；置于真空壳体前端的输入窗；置于真空壳体后端的带有金属输出电极的金属输出窗；以及置于真空壳体外部的位置读出电路和计算机图像输出电路；所述输入窗、与真空壳体、金属输出窗封接为一体形成真空气密的结构；所述输入窗的内表面上镀有一层能透射紫外线的导电薄膜，所述的光电阴极制作于该导电薄膜上；所述输入窗及微通道板为曲率半径相同的凸球面形状。本发明可减小大视场成像系统的球差，提高系统的成像质量；作为单光子计数探测器，本发明具有单光子灵敏度；同时紫外阴极具有很低的暗噪声。
【专利说明】紫外球面微通道板光子计数成像探测器
【技术领域】
[0001]本发明属紫外线探测【技术领域】，可用于紫外空间天文学、紫外空间探测、紫外告警，也可用于森林火警监测、高压线的火花放电检测等方面；具体是涉及一种紫外球面微通道板光子计数成像探测器。
【背景技术】
[0002]平面微通道板是一种二维连续电子倍增的电真空器件，它是由许多具有连续电子倍增能力的通道按一定的几何图案排列而成。在其两端加上一定的电压，能够获得很高的电子增益，对极其微弱的二维电子图像进行倍增和放大。目前，微通道板主要应用于光子计数成像探测和微光夜视成像等领域，使用微通道板作为像增强器的位置灵敏光子计数成像探测器已经被广泛应用于空间科学(空间天文学、空间等离子体物理学、深空探测等)、同步辐射物理学、化学、材料科学、光学(荧光成像、拉曼光谱)和生物医学等领域。
[0003]对于大视场光学成像系统，尤其是紫外逼近导弹告警系统，其视场达到或超过90°，平面微通道板不能满足成像质量要求，球面微通道板则可以消除球差造成的畸变，进而提高大视场光学成像系统的成像质量，因此，制备球面微通道板紫外探测器是业内人士极为关注的问题。与本发明相近的中国发明专利是中国科学院西安光学精密机械研究所的专利号为200810184963.6的授权发明专利“一种基于半导体层的感应电荷成像方法”，以及专利号为200710018631.6的授权发明专利“单光子计数成像仪”。专利号为200810184963.6的发明专利涉及到一种用半导体层接收来自微通道板的电子云，而在置于密封管体外部的位置灵敏阳极上感应出电荷脉冲的光子计数成像方法，该方法避免了电子云与金属阳极直接作用产生的次级电子导致的图像非线性，但由于密封管体使用镀有半导体层的基片作为输出窗，而此输出窗的最佳厚度仅为1mm，对于需要使用大口径微通道板的应用不适合；同时该发明仅涉及到平面探测器，不适合大视场的成像系统。专利号为200710018631.6的授权发明专利也仅涉及到使用位于密封管体内部的金属位置灵敏阳极直接接收微通道板电子云的平面型光子计数成像探测器，电子云与金属阳极直接作用产生的次级电子会导致的图像非线性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有技术中存在的技术问题，为大视场的微弱紫外成像探测提供一种球面的、适合大口径制备、具有好的图像线性的紫外球面微通道板光子计数成像探测器。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下:
[0006]一种紫外球面微通道板光子计数成像探测器，包括:
[0007]置于真空壳体内，由上至下设置的光电阴极、微通道板、位置灵敏阳极；
[0008]置于真空壳体前端的输入窗；
[0009]置于真空壳体后端的带有金属输出电极的金属输出窗；以及[0010]置于真空壳体外部的位置读出电路和计算机图像输出电路；
[0011]所述输入窗、与真空壳体、金属输出窗封接为一体形成真空气密的结构；
[0012]所述输入窗的内表面上镀有一层能透射紫外线的导电薄膜，所述的光电阴极制作于该导电薄膜上；
[0013]所述输入窗及微通道板为曲率半径相同的凸球面形状。
[0014]上述技术方案中，所述位置灵敏阳极由上至下包括:电阻层、基片以及金属位置灵敏阳极；所述基片的材料为不导电的非金属，厚度为1_。
[0015]上述技术方案中，所述金属位置灵敏阳极为延迟线阳极，所述电阻层的方块电阻范围为1ΜΩ/ □?10ΜΩ/ □;所述基片的相对介电常数为大于10。
[0016]上述技术方案中，所述金属位置灵敏阳极为楔条形阳极；所述电阻层的方块电阻范围为80ΜΩ/ □?100MΩ/ □;所述基片的相对介电常数为2?5。
[0017]上述技术方案中，所述光电阴极与微通道板的真空间隙为0.1mm?0.3mm。
[0018]上述技术方案中，所述的微通道板与电阻层之间的真空间隙为Imm?3mm。
[0019]上述技术方案中，所述微通道板为工作在脉冲计数模式的两片或三片微通道板结构。
[0020]上述技术方案中，所述真空壳体为陶瓷可伐合金外壳。
[0021]上述技术方案中，所述输入窗的材料为氟化镁或氟化钙，厚度为3mm?5mm;所述的光电阴极的材料为碱卤化合物；所述输入窗内表面上镀有的导电薄膜为IOOnm厚的铝膜。
[0022]上述技术方案中，所述金属输出窗为制备有金属电极并适合真空封接的可伐合金件，所述金属电极与所述金属输出窗电绝缘，所述金属输出窗可作为探测器的地。
[0023]本发明具有以下的有益效果:
[0024]1、本发明可减小大视场成像系统的球差，提高系统的成像质量。
[0025]2、作为单光子计数探测器，本发明具有单光子灵敏度；同时紫外阴极具有很低的
暗噪声。
[0026]3、本发明避免了金属阳极直接收集微通道板所产生的电子云导致的图像非线性，及电荷分割型位置灵敏阳极所产生的电荷分割噪声，提高了图像的空间分辨率。
[0027]4、本发明具有更强的抗电磁干扰的能力；由于位置灵敏阳极位于密封管体的内部，且置于可作为地电位的金属输出窗的上部并与其具有相同的电位，因此，本发明比位置灵敏阳极位于密封管体外部的光子计数式探测器具有更强的抗电磁干扰的能力。
[0028]5、本发明所述探测器口径仅受微通道板口径的限制。由于感应电荷位置灵敏阳极基片的最佳厚度为1mm，即产生感应电荷的最佳基片厚度为1mm，因此，如果位置灵敏阳极位于密封管体外部，以厚度为Imm基片作为输出窗，由于受Imm基片耐受外部压力的限制，位置灵敏阳极位于密封管体之外的探测器的有效口径小于50_，但本发明不受此限制，其有效口径可以达到100mm，甚至更大。
[0029]6、本发明的紫外球面微通道板光子计数成像探测器中，位置灵敏阳极上表面制备有电阻层，该电阻层的方块电阻范围在1ΜΩ/ □?100ΜΩ/ □之间；当位置灵敏阳极的下表面制备的金属位置灵敏阳极为延迟线阳极时，电阻层的方块电阻范围在1ΜΩ/ □?10ΜΩ/□之间为佳，否则电阻层的方块电阻太大会导从金属位置灵敏阳极输出的脉冲宽度变宽，导致输出计数率下降；当位置灵敏阳极的下表面制备的金属位置灵敏阳极为楔条形阳极时，电阻层的方块电阻范围在80ΜΩ/ □?100ΜΩ/ □之间为佳，太高的方块电阻也会导致输出计数率下降。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0031]图1为本发明结构示意图。
[0032]图中的附图标记表示为:
[0033]1-输入窗,2-光电阴极,3-微通道板,4-真空壳体,5-位置灵敏阳极,51-电阻层，52-金属位置灵敏阳极，53-基片，6-金属输出窗，7-位置读出电路，8-计算机图像输出电路。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明做以详细说明。
[0035]如图1所示，一种紫外球面微通道板光子计数成像探测器，其包括:置于真空壳体4内的光电阴极2、微通道板3、位置灵敏阳极5、置于真空壳体4前端的输入窗1、置于真空壳体4后端的带有金属输出电极的金属输出窗6，以及位置读出电路7和计算机图像输出电路8。所述的输入窗1、与真空壳体4、金属输出窗6封接为一体形成真空气密的结构；所述的光电阴极2、微通道板3、位置灵敏阳极5真空封接于具有良好的真空气密性的真空壳体4内；所述的输入窗I的内表面上镀有一层能投紫外线、且能导电的导电薄膜；所述的光电阴极2制作于该导电薄膜上。所述的输入窗I及微通道板3均为曲率半径相同的凸球面形状；
[0036]上述光电阴极2与微通道板3的真空间隙以0.1mm?0.3mm为佳，所述的微通道板3与位置灵敏阳极5的电阻层51之间的真空间隙以Imm?3mm为佳。
[0037]上述微通道板3为工作在脉冲计数模式的两片或三片微通道板结构。
[0038]上述位置灵敏阳极5为感应电荷方式的平面位置灵敏阳极，其上表面制备电阻层51,电阻层51的方块电阻范围在IMΩ / □?100MΩ / □之间；其下表面制备金属位置灵敏阳极52，以延迟线阳极、楔条形阳极为佳，对于延迟线阳极，电阻层51的方块电阻范围在1ΜΩ/ □?10ΜΩ/ □之间为佳，电阻层51的方块电阻太大会导从金属位置灵敏阳极52输出的脉冲宽度变宽，导致输出计数率下降；楔条形阳极，电阻层51的方块电阻范围在80ΜΩ/ □?100ΜΩ/ □之间为佳，太高的方块电阻也会导致输出计数率下降。用于制备位置灵敏阳极的基片53的材料为不导电的非金属，对于电荷分割阳极，如楔条形阳极，基片的相对介电常数以2?5之间为佳，而对于延迟线阳极，基片的相对介电常数以大于10为佳，对于任何形式的位置灵敏阳极，基片厚度均以Imm为佳。
[0039]上述真空壳体4采用陶瓷可伐合金外壳为宜。
[0040]上述光电阴极2的输入窗I以采用氟化镁或氟化钙为宜；所述的光电阴极2采用碱卤化合物为宜。
[0041]上述金属输出窗6为上面制备了金属电极并适合真空封接的可伐合金件，其上的金属电极与金属输出窗电绝缘，金属输出窗6可以作为探测器的地。[0042]本发明工作原理参见图1，物体产生的紫外波段光子经过光学成像系统后透过输入窗口 I成像在光电阴极2上，光电阴极2将入射的紫外光子转换成光电子，在200V?300V电压作用下，光电子入射到微通道板3的通道内，电子在其中倍增。在微通道中，一个入射的光电子在外加电场的作用下产生二次电子，二次电子在通道内进行雪崩式的倍增并达到饱和输出状态，从通道出射的电子云可达到包含?IO7电子，从微通道板3出射的电子云入射到位置灵敏阳极5上表面的电阻层51上，同时在下表面的金属位置灵敏阳极52上感应出电荷脉冲，这些电荷脉冲通过金属输出窗6上的金属电极输送到位置读出电路7，位置读出电路7对输入的电荷脉冲进行处理计算出入射到位置灵敏阳极5上的电子云的质心坐标，该坐标即是入射到光电阴极2上的光子位置。每个入射的光子所产生的电子云的质心坐标再被送到计算机图像输出电路8，在计算机屏幕上显示出物体所产生的紫外图像。
[0043]本发明光电阴极输入窗I可采用在紫外区有高透过率的氟化镁或氟化钙，输入窗
I的厚度以3mm?5mm为宜，氟化镁或氟化钙冷加工成凸球面后与真空壳体4封接在一起，形成真空腔体。输入窗I的内表面镀有一层透紫外线的厚度约为IOOnm的铝膜，将光电阴极3均匀地制备在铝膜的表面，光电阴极3的材料可选择碱卤化物如碲化铯或碲化铷等。光电阴极2与微通道板3的真空间隙以0.1mm?0.3mm为佳，工作时加200V?300V的正电压。微通道板3为工作在脉冲计数模式的两片或三片微通道板结构，工作时在微通道板的输入、输出面加正电压，电压的大小由微通道板3的长径比决定,每片可加800V?1500V的电压。微通道板3与位置灵敏阳极5之间的真空间隙以Imm?3mm为佳。位置灵敏阳极5为感应电荷方式的平面位置灵敏阳极，其上表面制备电阻层51，电阻层51的方块电阻范围在1ΜΩ/ □?100MΩ/ □之间；其下表面制备金属位置灵敏阳极52，以楔条形阳极、延迟线阳极为佳；制备位置灵敏阳极5的基片53的材料为不导电的非金属，对于电荷分割阳极，如楔条形阳极，基片的相对介电常数以2?5之间为佳，而对于延迟线阳极，基片53的相对介电常数以大于10为佳，对于任何形式的位置灵敏阳极，基片53厚度均以Imm为佳。
[0044]真空壳体4米用陶瓷可伐合金外壳为宜。金属输出窗6为上面制备了金属电极并适合真空封接的可伐合金件，其上的金属电极与金属输出窗6电绝缘。
[0045]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【权利要求】
1.一种紫外球面微通道板光子计数成像探测器，其特征在于，包括: 置于真空壳体(4)内，由上至下设置的光电阴极(2)、微通道板(3)、位置灵敏阳极(5)； 置于真空壳体(4)前端的输入窗(I); 置于真空壳体(4)后端的带有金属输出电极的金属输出窗(6)；以及 置于真空壳体(4)外部的位置读出电路(7)和计算机图像输出电路(8)； 所述输入窗(I)、与真空壳体(4)、金属输出窗(6)封接为一体形成真空气密的结构； 所述输入窗(I)的内表面上镀有一层能透射紫外线的导电薄膜，所述的光电阴极(2)制作于该导电薄膜上； 所述输入窗(I)及微通道板(3 )为曲率半径相同的凸球面形状。
2.根据权利要求1所述的紫外球面微通道板光子计数成像探测器，其特征在于，所述位置灵敏阳极(5)由上至下包括:电阻层(51)、基片(53)以及金属位置灵敏阳极(52);所述基片(53)的材料为不导电的非金属，厚度为1mm。
3.根据权利要求2所述的紫外球面微通道板光子计数成像探测器，其特征在于，所述金属位置灵敏阳极(52)为延迟线阳极，所述电阻层(51)的方块电阻范围为1ΜΩ/ □?10ΜΩ/ □;所述基片(53)的相对介电常数为大于10。
4.根据权利要求2所述的紫外球面微通道板光子计数成像探测器，其特征在于，所述金属位置灵敏阳极(52)为楔条形阳极；所述电阻层(51)的方块电阻范围为80ΜΩ/ □?100MΩ/ □;所述基片(53)的相对介电常数为2?5。
5.根据权利要求1所述的紫外球面微通道板光子计数成像探测器，其特征在于，所述光电阴极(2)与微通道板(3)的真空间隙为0.1mm?0.3mm。
6.根据权利要求1所述的紫外球面微通道板光子计数成像探测器，其特征在于，所述的微通道板(3)与电阻层(51)之间的真空间隙为Imm?3mm。
7.根据权利要求1所述的紫外球面微通道板光子计数成像探测器，其特征在于，所述微通道板(3 )为工作在脉冲计数模式的两片或三片微通道板结构。
8.根据权利要求1所述的紫外球面微通道板光子计数成像探测器，其特征在于，所述真空壳体(4)为陶瓷可伐合金外壳。
9.根据权利要求1所述的紫外球面微通道板光子计数成像探测器，其特征在于，所述输入窗(I)的材料为氟化镁或氟化钙，厚度为3mm?5mm ;所述的光电阴极(2)的材料为碱卤化合物；所述输入窗(I)内表面上镀有的导电薄膜为IOOnm厚的铝膜。
10.根据权利要求1所述的紫外球面微通道板光子计数成像探测器，其特征在于，所述金属输出窗(6)为制备有金属电极并适合真空封接的可伐合金件，所述金属电极与所述金属输出窗(6)电绝缘,所述金属输出窗(6)可作为探测器的地。
【文档编号】G01J1/44GK103792004SQ201410029500
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】尼启良 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所