光电探测阵列阳极和多阳极光电倍增管

1.本公开涉及光电探测技术领域，具体而言，涉及一种光电探测阵列阳极和多阳极光电倍增管。


背景技术：

2.光电倍增管是一种将极微弱的光信号转换为电信号的真空探测器件。微通道板光电倍增管(micro-channel plate photo-multiplier tube,mcp-pmt)是指以微通道板为电子倍增系统的光电倍增管，与传统的静电聚焦打拿极结构的光电倍增管相比，首先在结构上使得电子从光电阴极到阳极的运动距离大大缩短，再加上微通道板的电子倍增特性，决定了这种结构的光电倍增管具有许多特定的性能，尤其是可以实现很高精度的位置分辨和时间分辨。
3.相关技术中光电倍增管的数据读出一般采用专用电子学或复合电子学进行信号读出。其中，专用电子学针对某一路模拟信号，可以直接使用电荷测试设备或者仪器测试电荷，例如电荷数字转换器(q to digital converter，qdc)也可以使用时间测试设备或者仪器测试时间，例如时间数字转换器(time to digital converter，tdc)，但电荷、时间这两个参数的测试不能同时进行；也可以使用波形获取设备或仪器获取信号波形，例如闪烁模数转换器(flash anolog to digital converter，fadc)通过分析信号波形，同时获得信号的电荷信息和时间信息。但以上都只能测试一次，是专用的。复合电子学采用有源或者无源的扇入扇出单元，把某一路信号平均分为多路，实现电荷和时间信息的同时同步测试。但这样测试存在风险，即对几十皮秒(ps)的快速信号，一旦进行扇入扇出处理，其时间信息马上变得很慢，丢失了原有信号所承载的快速时间特性，也就是非常快速的扇入扇出电子学很难获取或者研制，成本较高。
4.在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.本公开的目的在于提供一种光电探测阳极和多阳极光电倍增管，在实现可同时读出位置信息和时间信息的情况下，一定程度上节约电子学通道和成本。
6.本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
7.根据本公开的一方面，提供一种光电探测阳极，包括位置探测层和时间探测层，其中：所述位置探测层包括金属板，所述金属板包括多个区域，所述多个区域中各个区域设有金属针，所述各个区域的金属针分别连接第一信号读出装置，用于通过采集信号的电荷量来获取位置信息；所述时间探测层包括至少一根金属丝，所述至少一根金属丝的端部连接第二信号读出装置，用于通过采集信号的波形数据来获取时间信息。
8.根据本公开的一实施例，所述时间探测层包括多根金属丝，所述多根金属丝并列
布置，所述多根金属丝中各根金属丝的端部分别连接所述第二信号读出装置。
9.根据本公开的一实施例，所述至少一根金属丝的一端连接所述第二信号读出装置。
10.根据本公开的一实施例，所述金属板的多个区域中各个区域的面积均相等，和/或所述金属板的多个区域中各个区域的形状均相同。
11.根据本公开的一实施例，所述光电探测阳极还包括控制装置，用于仅控制所述第一信号读出装置通过采集信号的电荷量来获取位置信息，或仅控制所述第二信号读出装置通过采集信号的波形数据来获取时间信息，或同时控制所述第一信号读出装置和所述第二信号读出装置分别通过采集信号的电荷量来获取位置信息以及通过采集信号的波形数据来获取时间信息。
12.根据本公开的一方面，提供一种多阳极光电倍增管，包括入射窗，用于透过待探测的光子；光阴极，用于将通过所述入射窗入射的光子通过光电效应转换为光电子并射出；微通道结构，用于将所述光阴极出射的光电子进行倍增，射出放大的电子流；如上所述的光电探测阳极，用于探测所述微通道结构出射的电子流；以及容纳所述光阴极、所述微通道结构以及所述光电探测阳极的真空容器，所述入射窗设置在所述真空容器上。
13.根据本公开的一实施例，所述真空容器为密封金属壳；所述多阳极光电倍增管还包括阳极信号输出连接器，所述密封金属壳、所述光电探测阳极和所述阳极输出连接器具有同轴结构。
14.根据本公开的一实施例，所述密封金属壳接地设置。
15.根据本公开的一实施例，所述多阳极光电倍增管还包括与所述光阴极、所述微通道结构、所述光电探测阳极分别连接的分压器，用于为所述多阳极光电倍增管的各电极提供工作电压。
16.根据本公开的一实施例，所述时间探测层的位置与所述微通道结构之间的距离小于所述位置探测层的位置与所述微通道结构之间的距离。
17.本公开的实施例提供的多阳极光电倍增管，通过设置包括分别连接第一信号读出装置的各个区域的金属针的金属板的位置探测层和包括至少一个端部连接第二信号读出装置的金属丝的时间探测层，从而实现同时独立读出位置信息和时间信息，可节约电子学通道和成本。
18.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。
附图说明
19.通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
20.图1是根据一示例性实施例示出的一种多阳极光电倍增管的阳极结构示意图。
21.图2根据图1示出的一种多阳极光电倍增管的阳极结构的整体示意图。
22.图3是根据一示例性实施例示出的一种光电探测阳极的连接结构的示意图。
23.图4根据图1至图3示出了一种安装了连接结构的光电探测阳极示意图。
24.图5是根据一示例性实施例示出的另一种多阳极光电倍增管的阳极结构示意图。
25.图6是根据一示例性实施例示出的一种带有读出结构的多阳极光电倍增管的结构示意图。
26.图7根据图6示出了一种光电探测阳极的外观示意图。
27.图8根据图6示出了另一种多阳极光电倍增管的结构示意图。
28.图9示例性示出了一种分压器的示意图。
29.图10示例性示出了另一种分压器的示意图。
30.图11是根据一示例性实施例示出的一种分压器的原理图。
31.图12根据图8示出了一种高压连接器的连接示意图。
32.图13根据图8示出了另一种高压连接器的连接示意图。
具体实施方式
33.现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
34.此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
35.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。符号“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
36.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
37.本公开提供的多阳极光电倍增管可以为一种多阳极快定时近贴聚焦微通道板光电倍增管(ultra-fast time response microchannel plate photomultiplier tube，fpmt)，可在高能物理、医学器械、激光技术、航天航空、天文、大地测量学与轨道动力学等领域使用。fpmt是一种真空光电探测器件，由入射窗、光阴极面、微通道板(microchannel plate，mcp)及阳极构成。光子入射后从光阴极面发射出光电子，光电子再入射到mcp细管内，碰撞其内壁，反复倍增后经阳极输出信号。
38.微通道板光电倍增管(mcp-pmt)是指以微通道板为电子倍增系统的光电倍增管，与传统的静电聚焦打拿极结构的光电倍增管相比，首先在结构上使得电子从光电阴极到阳极的运动距离大大缩短，再加上微通道板的电子倍增特性，决定了这种结构的光电倍增管具有许多特定的性能，尤其是可以实现很高精度的位置分辨，或者高精度时间分辨。
39.基于微通道板的光电倍增管可以分为两款：小面积的近贴聚焦型(一般为平板型fpmt)和大面积的静电聚焦型(一般为球型或者椭球型，英文为large microchannel plate pmt，简称为lpmt)。
40.由于大面积静电聚焦型mcp-pmt(lpmt)更倾向于高收集效率和高探测效率，所以在其结构设计、分压比例等方面进行了专门的调整，造成其时间性能并不突出，渡越时间分布(tts)约为几十ns，不适用于快速时间响应、高时间分辨率的情况。
41.而小面积的近贴聚焦型的fpmt具有时间响应快、抗干扰能力强、体积小、重量轻等特点，特别适用于快速且极微弱光信号的探测，其时间特性tts可以达到几十皮秒量级。
42.目前，世界上只有少数几家公司和研究所研制出此产品，典型的有日本hamamatsu公司、法国的photonis公司、英国的photek公司、俄罗斯核物理研究所和美国的阿冈国家实验室。然而，由于fpmt在时间特性的优势，各领域对其的应用也在不断提升，其中包括高能物理、医学器械、激光技术、航天航空、天文、大地测量学与轨道动力学等领域。国内有几家研究所对此做过相关研究，但技术落后，产品性能较差，没有成熟的产品跟国际竞争。
43.目前近贴聚焦型光电倍增管大都采用阳极外接信号线缆或是其它阳极结构直接输出的形式，当一个光子透过窗口玻璃入射到光阴极上，通过光电效应转换为单光电子(存在转换效率)，转化的光电子通过聚焦电场加速飞行到微通道板上，(由于近贴结构，光电子飞行的路径短，从而使得光电子从光阴极到微通道板的飞行路径差异不大，也进一步说明了信号时间抖动较小的原因。)由于微通道板的每个通道都镀有二次电子发射材料，因此，光电子在微通道中进行多次二次电子发射，从而实现倍增放大，放大后的电子流打在阳极上，从而在阳极上出现一个电荷脉冲。为了研制位置灵敏的fpmt，需重新设计fpmt的阵列阳极结构，使阵列阳极中某一个阳极输出的信号，能够反映经过mcp倍增后的电子，在静电场的作用下被阳极收集的具体位置，进而得到对应的位置信息。
44.不同的阳极结构其信号的上升时间不同，上升时间反应了光电倍增管的时间响应，而上升时间跟信号带宽成反比关系，上升时间越小，其带宽越大，如下公式所示：
[0045][0046]
式中bw表示带宽，单位为ghz，rt表示上升时间，单位为纳秒(ns)。
[0047]
图1是根据一示例性实施例示出的一种多阳极光电倍增管的阳极结构示意图。如图1所示，光电探测阳极10可以包括位置探测层102和时间探测层104，其中，所述位置探测层102包括金属板106，所述金属板106包括多个区域1022，所述多个区域1022中各个区域1022设有金属针1024，所述各个区域1022的金属针1024分别连接第一信号读出装置(图中未示出)，用于通过采集信号的电荷量来获取位置信息；所述时间探测层104包括至少一根金属丝1042，所述至少一根金属丝1042的端部10422连接第二信号读出装置(图中未示出)，用于通过采集信号的波形数据来获取时间信息。
[0048]
在一些实施例中，如图1所示，光电探测阳极10的整体框架可以为方形，金属板106可以为方形金属平板，将方形金属平板分成多个区域1022引出金属针1024读出以获取位置信息与丝线104时间读出，其中各个区域1022也可以为方形。
[0049]
在另一些实施例中，图5是根据一示例性实施例示出的另一种多阳极光电倍增管的阳极结构示意图。如图5所示，光电探测阳极50的整体框架也可以为圆形，类似图1，位置
探测层502的金属板506也可以为圆形金属平板，将圆形金属平板分成多个区域5022引出金属针5024读出以获取位置信息与丝线504时间读出，其中各个区域5022也可以为圆形。本公开实施例中除图5之外均以光电探测阳极的形状为方形为例进行说明，但其整体框架的形状可以根据实际需要设计为各种形状，本公开并不以此为限。
[0050]
在一些实施例中，所述金属板的多个区域中各个区域的面积均相等，和/或所述金属板的多个区域中各个区域的形状均相同。
[0051]
在一些实施例中，可以通过计算其特征阻抗来对多阳极fpmt结构的具体尺寸进行设计。计算与设计特征阻抗可以考虑诸多因素。图2根据图1示出的一种多阳极光电倍增管的阳极结构的整体示意图。如图2所示，其中左图为图1中的阳极结构的背面，在金属板106的各个区域1022的中心引出金属针1024，右图为图1中的阳极结构的正面。参照图1和图2，例如，计算多阳极的特征阻抗时，阳极金属针的阻抗匹配可以考虑到的参数有：
[0052]
①
阳极金属针的直径r；
[0053]
②
阳极金属针间距d；
[0054]
③
相邻区域间隙d；
[0055]
④
阳极金属针的长度l；
[0056]
⑤
阳极金属针的材质；
[0057]
⑥
阳极金属针传输信号的上升时间tr等。
[0058]
除了考虑阻抗匹配方面，还要综合考虑制作工艺水平。在一些实施例中，例如，多阳极边长几十毫米量级，在这种尺寸结构下可制作成4*4阵列或8*8阵列。图1和图2均以4*4阵列的多阳极fpmt为例，金属板106可以为一定尺寸方形的铜片，里面有16个小正方形铜片作为16个区域1022，小正方形铜片间隙d可以为0.35mm、或0.4mm、或0.45mm等等，每个小正方形铜片上设有阳极金属针1024，阳极金属针1024可通过连接结构30(参照图3)向外输出信号。8*8阵列类似。
[0059]
在一些实施例中，例如，可将光电探测阳极设计为微阵列结构，微正方形之间的间隙也极窄，使得pmt的空间(位置)分辨率提高；由于微正方形宽度较窄，使得通道数极多，后续可采用一些读出电路设计，如dpc、scdc读出电路，简化通道数，并且实现位置分辩。
[0060]
在一些实施例中，图1所示的时间探测层104可以包括多根金属丝1042，金属丝1042可以为细丝，所述多根金属丝1042并列布置，所述多根金属丝1042中各根金属丝1042的端部10422分别连接所述第二信号读出装置。
[0061]
在一些实施例中，图1所示的至少一根金属丝的一端10422连接所述第二信号读出装置。
[0062]
在一些实施例中，位置探测层102和时间探测层104为具有相对位置的两层，时间探测层104的位置与微通道结构604之间的距离可以小于位置探测层102的位置与微通道结构604之间的距离。例如，参照图6中多阳极光电倍增管的摆放，时间探测层104可以为光电探测阳极10的顶层，位置探测层102可以为光电探测阳极10的底层。本公开以此为例进行说明，但并不以此为限，例如若多阳极光电倍增管横置，位置探测层102的位置与时间探测层104的位置为左右关系。
[0063]
在一些实施例中，光电探测阳极还可以包括控制装置(图中未示出)，用于仅控制所述第一信号读出装置通过采集信号的电荷量来获取位置信息，或仅控制所述第二信号读
出装置通过采集信号的波形数据来获取时间信息，或同时控制所述第一信号读出装置和所述第二信号读出装置分别通过采集信号的电荷量来获取位置信息以及通过采集信号的波形数据来获取时间信息。即可以选择仅读出位置信息、或仅读出时间信息、或同时读出位置信息和时间信息。
[0064]
根据本公开的实施例提供的光电探测阵列阳极，通过设计两层结构该包括，其中底层为金属平板结构，其上设置金属针读取电荷获取位置信息，以，顶层布置多条并行排列的金属丝，每条金属丝分别以复合电子学连接，用于通过采集到的电子获取时间信息，可实现同时独立读出位置信息和时间信息，在提高位置分辨的精度的同时，可以控制时间读出成本。
[0065]
图3是根据一示例性实施例示出的一种光电探测阳极的连接结构的示意图。如图3所示，连接结构30中，直径为r’、长为l’的中空部分用于容纳光电探测阳极的金属针，其作为接口通过引线连接到第一信号读出装置。
[0066]
在一些实施例中，选择现有的连接结构时，可以按照尺寸、频率范围等进行选择。参照图3和图4，可以选择外径d’适合金属板106上区域1022的边长的连接结构，例如d’可以为0.55mm、或0.6mm、或0.65mm等等。如图4所示，图4根据图1至图3示出了一种安装了连接结构的光电探测阳极示意图，各个连接结构30与金属针1024紧密衔接，也不超出区域1022的范围。理论上，接头的频率范围越宽越好，高带宽也意味着快的上升时间(两者成反比关系)，但是，带宽越高，多阳极信号之间的串扰越严重，这直接影响fpmt信号的质量。设计时，综合考量串扰与信号带宽的关系，在保证信号完整性的情况下做到最优化。
[0067]
在一些实施例中，连接结构30可以选择mcx接口，一方面mcx接口尺寸合适，可以直接与阳极针紧密衔接；另一方面，mcx接头的频率范围也较为合理，可以满足快速上升时间的要求。
[0068]
在另一些实施例中，连接结构30也可以选择lemo、sma等各种标准或者异型接口读出。
[0069]
图6是根据一示例性实施例示出的一种带有读出结构的多阳极光电倍增管的结构示意图，如图6所示，多阳极光电倍增管可以包括入射窗601、光阴极602、微通道结构603和604、光电探测阳极10和真空容器605。
[0070]
入射窗601可用于透过待探测的光子。
[0071]
光阴极602可用于将通过所述入射窗入射的光子通过光电效应转换为光电子并射出。
[0072]
微通道结构603、604，用于将所述光阴极出射的光电子进行倍增，射出放大的电子流。微通道结构603和微通道结构604可以分别是两块微通道板。
[0073]
光电探测阳极10可用于探测所述微通道结构出射的电子流。
[0074]
真空容器605可用于容纳所述光阴极602、所述微通道结构603、604以及所述光电探测阳极10，所述入射窗601设置在所述真空容器上605。
[0075]
在一些实施例中，所述真空容器605可以为密封金属壳，该密封金属壳可以接地设置。
[0076]
在一些实施例中，所述多阳极光电倍增管还可以包括阳极信号输出连接器(即连接结构30)，所述密封金属壳、所述光电探测阳极和所述阳极输出连接器具有同轴结构。通
过外部密封金属管壳真空容器605与本公开实施例提供的光电探测阳极10构成同轴输出结构的连接结构30，真空容器605作为同轴输出连接结构30的地，光电探测阳极10作为同轴结构连接结构30的中心导体，通过结构设计和计算使得其特征阻抗为50ω，方便与其他同轴线缆或电子设备连接并达到阻抗匹配的目的。
[0077]
在一些实施例中，多阳极光电倍增管还可以还包括与所述光阴极、所述微通道结构、所述光电探测阳极分别连接的分压器，用于为所述多阳极光电倍增管的各电极提供工作电压。以图6的多阳极光电倍增管为例，分压器可以设置在真空容器的外部(图6中未示出)，光阴极602、微通道结构603和604、光电探测阳极10与外部分压器相连，整体采用近贴式结构，通过外接分压器给fpmt提供电压，从而施加内部电场，使得内部电子按照一定方向飞行。分压器的具体实施方式可参照图11。
[0078]
在另一些实施例中，分压器也可以设置在真空容器的内部，具体实施方式可参照图8至图13。
[0079]
图7根据图6示出了一种光电探测阳极的外观示意图。如图7所示，入射窗601设置在光电探测阳极的真空容器605的顶部，阳极读出结构即连接结构30采用真空密封件，例如长度为5-6mm的连接结构30穿过陶瓷外壳702，陶瓷外壳702的材料例如可以是95陶瓷，陶瓷的厚度可以为1mm。真空容器605的真空度例如可以是7e-7pa，漏率低于1.0e-12pa
·
立方米/s，密封面方式是平面，光电探测阳极10中设置铜片的那一面(即图1、图5所示的面)是面向真空。
[0080]
图8根据图6示出了另一种多阳极光电倍增管的结构示意图。如图8所示，图8与图6的区别仅在于，增加了分压器80，分压器80可以设置在阳极光电倍增管的后端，可用金属屏蔽壳包裹起来与光电探测阳极10隔开，光电探测阳极10的金属针1024穿过分压器不与其接触。
[0081]
在一些实施例中，分压器可以设计为中空结构。图9和图10分别示例性示出了一种分压器的示意图。如图9所示，图9的分压器802设计为中空的方形片。如图10所示，图10的分压器804设计为中空的圆环片。分压器的形状可以按照多阳极光电倍增管的整体形状来设计，本公开不作限制。
[0082]
图11是根据一示例性实施例示出的一种分压器的原理图。如图11所示，分压器的工作原理可以是通过光阴极602的电极连接分压器的k端，使用高压机箱提供负高压；微通道结构603的输入电极连接m1，此时电压施加在微通道结构603的上表面；微通道结构604输出电极与m2相连，此时电压施加在微通道结构604的下表面；k-m1-m2-gnd之间用适当阻值的电阻进行高压分压，把电压加在各电极上。
[0083]
fpmt正常工作时，外部光子入射到光阴极面上，通过光电效应，产生光电子，从光阴极面发射的光电子入射到mcp细管内，碰撞其内壁，反复倍增后经阳极输出。根据本公开实施例中分压器的回路设计，采用阴极加负高压，阳极直接引出信号，外部设计金属套筒。
[0084]
在一些实施例中，光阴极的负高压可以利用高压连接器施加。图12根据图8示出了一种高压连接器的连接示意图，如图12所示，分压器80通过引线连接外部高压连接器120，并且与真空容器605接触，金属屏蔽壳真空容器605作为高压连接器的地，跟信号输出连接器类似，采用同轴输出，为fpmt输入电压。
[0085]
在一些实施例中，图13根据图8示出了另一种高压连接器的连接示意图，如图13所
示，分压器80直接与高压线缆132相连，高压线缆132的另一端采用高压连接器130，这样高压连接器130直接可以连接到高压电源上。
[0086]
在一些实施例中，fpmt的金属屏蔽壳(真空容器)一方面可以屏蔽外部电磁干扰，另一方面可以作为fpmt的接地电位，方便形成电压回路。这种金属封装的设计适合将来批量生产，精度高及可靠性高，加工灵活，并且便于散热和电磁屏蔽，使得pmt获取较为良好的信号。
[0087]
在一些实施例中，如果金属套筒使用低密度、高性能金属复合材料，则非常适用于航空航天领域。
[0088]
本公开实施例的光电倍增管的阳极采用同轴输出设计，既有效抑制了外界电磁信号和地线的干扰，又减少了对其他电路的干扰；同轴连接器的特征阻抗设计为50欧姆，方便与其他外接设备实现阻抗匹配，这也就无需再使用其他方法来做阻抗匹配操作。
[0089]
本公开实施例中使用专用设计的电压分压器，为光电倍增管的各电极上提供工作电压，专用分压器不但具有信号响应时间快，输出线性等特点，还可以通过主动屏蔽，消除环境的电磁干扰及噪声，同时也便于此类fpmt在生产中的安装和调试。
[0090]
以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。