一种高时间分辨率光电倍增管及实现方法

1.本发明涉及一种光电倍增管及实现方法，具体涉及一种高时间分辨率光电倍增管及高时间分辨率光电倍增实现方法。


背景技术：

2.激光雷达是一种新兴的探测设备，因为其具备分辨率高、抗干扰性强、体积小、质量轻等特点，广泛应用于国家安全防护、科学研究、环境监测等领域。激光雷达的主要工作原理是向探测目标发射探测光信号，然后将从目标反射回来的光信号利用光电成像器件或者光电探测器件进行收集探测，再作适当处理后就可获得被探测目标的距离、形态、方位、速度等有关信息；作为激光雷达核心部件的光电探测器，其性能直接影响到激光雷达系统的参数，例如：光电探测器件的光电探测效率直接影响到激光雷达的有效探测距离、光电探测器件的时间分辨率则直接影响到激光雷达的探测精度；因此在激光雷达系统中使用的光电探测器需要具备较高的光子探测效率以及高时间分辨率特性，从而具备较高增益以及高时间分辨率。
3.现有激光雷达系统中的光电探测器通常选用光电倍增管，其中真空型光电倍增管由于具备探测面积大、电子增益高、暗噪声小、时间分辨率高等特性，非常适用于远距离、微弱光信号、大视场激光雷达系统。
4.虽然真空型光电倍增管在激光雷达系统中得到广泛应用，但是由于自身工作方式的限制使得真空型光电倍增管存在极限时间分辨率低的缺点；真空型光电倍增管的电子倍增器件主要有打拿电极以及微通道板电子倍增器件，两种电子倍增器件均是通过电子不断与器件有效电子倍增区域碰撞实现电子倍增；但是真空型光电倍增管中阴极出射电子以及碰撞反射电子的初始能量以及初始运动方向均存在差异，再加之在电子倍增区域内空间电荷效应的影响，使得光电倍增管中电子束向阳极运动过程中存到达时间也具备差异性，从而产生了光电倍增管的渡越时间弥散。
5.综上所述，现有光电倍增管在电子倍增过程中存在渡越时间弥散，导致脉冲宽度较小的电子脉冲经过电子倍增后产生数倍的脉宽展宽，使得探测结果较原始信号产生探测失真，或者间隔时间短的两束电子脉冲在倍增过程中，前一脉冲的后沿部分与后一脉冲的前沿部分产生重叠，最终在阳极处同一输出导致难以识别两个脉冲的时间以及强度信息，进而影响了光电倍增管的时间分辨率。


技术实现要素：

6.本发明的目的是解决现有光电倍增管在电子倍增过程中存在渡越时间弥散，导致脉冲宽度较小的电子脉冲经过电子倍增后产生数倍的脉宽展宽，使得探测结果较原始信号产生探测失真，或者间隔时间短的两束电子脉冲在倍增过程中，前一脉冲的后沿部分与后一脉冲的前沿部分产生重叠，最终在阳极处同一输出导致难以识别两个脉冲的时间以及强度信息，进而影响了光电倍增管时间分辨率的技术问题，而提供一种高时间分辨率光电倍
增管及实现方法。
7.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
8.一种高时间分辨率光电倍增管，其特殊之处在于：包括n个读出电极，以及设置于真空环境中的阴极、电子倍增器、n个选通电极和n个阳极，n为大于1的整数；
9.所述阴极和电子倍增器相互平行设置，两者之间设有第一间隙，第一间隙的范围为0.5mm～5mm；
10.n个所述选通电极均设置于第一间隙内，用于分别施加不同时间参数的选通脉冲控制阴极发射的电子是否可以进入电子倍增器中，n个所述选通电极的总面积等于阴极的有效面积，所述选通电极的一侧与阴极之间设置有第二间隙，第二间隙的范围为0.2mm～1mm，另一侧与电子倍增器之间设置有第三间隙，第三间隙的范围为0.3mm～4mm；
11.n个所述阳极均设置于电子倍增器远离阴极一侧，用于收集经电子倍增器倍增后的电子，n个所述阳极与n个选通电极一一对应设置，所述阳极与电子倍增器之间设置有第四间隙，第四间隙的范围为1mm至5mm；
12.n个所述读出电极的一端分别与n个阳极远离电子倍增器一侧连接，另一端用于与外部设备连接输出阳极收集的电子。
13.进一步地，所述电子倍增器为二次电子倍增材质的电子倍增器。
14.进一步地，所述电子倍增器为微通道板电子倍增器，或打拿电极电子倍增器。
15.进一步地，所述阴极为紫外阴极、红外阴极或可见光阴极；
16.所述阴极为薄板结构，n个所述选通电极沿阴极的长度方向布设。
17.进一步地，所述阳极为薄片形或锥形；
18.所述选通电极的内部为正六边形网状结构，所述选通电极的形状与阳极的形状相同。
19.进一步地，所述读出电极为具有固定阻抗的电缆。
20.进一步地，所述读出电极为金属导线，或同轴线缆。
21.同时，本发明还提供了一种高时间分辨率光电倍增实现方法，，基于一种高时间分辨率光电倍增管，其特殊之处在于，包括以下步骤：
22.步骤1、对阴极、选通电极、电子倍增器和阳极分别施加不同大小的固定电位；
23.在选通电极与阴极之间形成固定电压差v
clo
，使阴极发射电子不能通过选通电极；在选通电极与电子倍增器之间形成固定电子加速电压差v
ac
，使经过选通电极的电子可以进入电子倍增器中；在电子倍增器与阳极之间形成固定电子加速电压差va，使经电子倍增器倍增后的电子可以进入阳极中；
24.步骤2、进行光信号探测时，给n个选通电极分别施加不同时间参数的选通脉冲，所述不同时间参数的选通脉冲为：n个选通脉冲的脉冲宽度的td相同，td的取值范围为1ps～1μs，n个选通脉冲的上升沿起始时间在时间轴上依次延后，相邻两个选通脉冲上升沿的起始时间差均为δt；或，n个选通脉冲上升沿的起始时间相同，n个选通脉冲的脉冲宽度依次增大，相邻两个选通脉冲的脉冲宽度差值均为δt；δt的取值范围为1ps～500ns；
25.相邻两个选通电极所施加的选通脉冲具有重叠时间段，n个选通电极所施加的选通脉冲叠加总时间大于待探测光信号的存续时间，且在上升沿起始时间最早、或脉冲宽度最小的选通脉冲持续时间段内待探测光信号未处于存续状态；
26.该选通脉冲的幅值为vg，vg≥v
clo
，使n个选通电极在相应选通脉冲的正脉冲时间段内处于选通状态；
27.步骤3、阳极在相应选通电极处于选通状态的时间段内、且待探测光信号处于存续状态时输出探测波形信号；
28.按照n个选通电极相应选通脉冲的上升沿在时间轴上的前后顺序，或脉冲宽度由短至长的顺序对探测波形信号进行排序；
29.步骤4、定义首先选通的选通电极或选通时间最短的选通电极对应的阳极为基础阳极，定义相邻两个阳极输出的探测波形信号非重叠时间段内输出的特征电荷量为q3，计算除基础阳极外其余阳极非重叠时间段内输出的特征电荷量q3；
30.对相邻两个阳极中后一阳极输出的探测波形信号进行积分处理得到该阳极输出的总电荷量q1，对前一阳极输出的探测波形信号进行积分处理得到该阳极输出的总电荷量q2，q3＝q
1-q2；
31.步骤5、对得到的所有特征电荷量q3分别进行反积分处理得到对应阳极的特征波形信号，按照不同时间参数选通脉冲的时序信息对得到的所有特征波形信号进行拟合重建，得到高时间分辨率的探测波形。
32.进一步地，步骤1中，v
clo
＜-5v，v
ac
＞10v，va＞10v。
33.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
34.本发明通过设置的n个选通电极将光电倍增管划分为n个区域，每个区域不仅可以独立工作，可单独实现选通探测功能；同时也可以通过n个选通电极共同工作，实现光电倍增管中n个选通电极级联工作进行选通探测，拓展了单个器件的功能；通过对n个选通电极施加不同时间参数的选通脉冲，实现不同选通电极所处位置的探测时刻不同，从而通过阳极输出较短时间间隔内光信号的强度变化信息，进而反演出高时间精度的光信号强度变化波形，降低了探测结果较原始信号的探测失真程度，提高了光电倍增管的时间分辨率，使得光电倍增管的极限时间分辨率达到皮秒量级。
附图说明
35.图1是本发明一种高时间分辨率光电倍增管的结构示意图；
36.图2是本发明一种高时间分辨率光电倍增实现方法的原理图；
37.图3是本发明实施例1中光电倍增管的结构示意图；
38.图4是本发明实施例1中选通脉冲的波形图；
39.图5是本发明实施例1的高时间分辨率光电倍增实现过程示意图；
40.图6是本发明实施例2中选通脉冲的波形图；
41.图7是本发明实施例2的高时间分辨率光电倍增实现过程示意图。
42.图中，1-阴极，2-电子倍增器，3-选通电极，4-阳极，5-读出电极。
具体实施方式
43.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种高时间分辨率光电倍增管及实现方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非
精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
44.如图1所示，本发明一种高时间分辨率光电倍增管，包括n个读出电极5，以及设置于真空环境中的阴极1、电子倍增器2、n个选通电极3和n个阳极4，n为大于1的整数。
45.阴极1和电子倍增器2相互平行设置，两者之间设有第一间隙，第一间隙的范围为0.5mm～5mm；其中阴极1为紫外阴极、红外阴极或可见光阴极，且为薄板结构；电子倍增器2为通过二次电子倍增材料实现电子倍增的结构，具体的，电子倍增器2为微通道板电子倍增器，或打拿电极电子倍增器；
46.n个选通电极3均设置于第一间隙内，用于分别施加不同时间参数的选通脉冲控制阴极1发射的电子是否可以进入电子倍增器2中，n个选通电极3沿阴极1的长度方向布设，n个选通电极3的总面积等于阴极1的有效面积，选通电极3的一侧与阴极1之间设置有第二间隙，第二间隙的范围为0.2mm～1mm，另一侧与电子倍增器2之间设置有第三间隙，第三间隙的范围为0.3mm～4mm；选通电极3内部为正六边形网状结构的金属部件％，并且选通电极3的形状与下面将要详细描述的阳极4形状相同；
47.n个阳极4均设置于电子倍增器2远离阴极1一侧，用于收集经电子倍增器2倍增后的电子，n个阳极4与n个选通电极3一一对应设置，阳极4的形状为薄片形或锥形，阳极4与电子倍增器2之间设置有第四间隙，第四间隙的范围为1mm至5mm；
48.n个读出电极5的一端分别与n个阳极4远离电子倍增器2一侧连接，另一端用于与外部电器连接输出阳极4收集的电子，读出电极5为金属导线、同轴线缆或具有固定阻抗的电缆。
49.如图2所示，本发明一种高时间分辨率光电倍增的实现方法，基于一种高时间分辨率光电倍增管，包括以下步骤：
50.步骤1、对阴极1、选通电极3、电子倍增器2和阳极4分别施加不同大小的固定电位；
51.在选通电极3与阴极1之间形成固定电压差v
clo
，v
clo
＜-5v，使阴极1发射电子不能通过选通电极3；在选通电极3与电子倍增器2之间形成固定电子加速电压差v
ac
，v
ac
＞10v，使经过选通电极3的电子可以进入电子倍增器2中；在电子倍增器2与阳极4之间形成固定电子加速电压差va，va＞10v，使经电子倍增器2倍增后的电子可以进入阳极4中；
52.步骤2、进行光信号探测时，给n个选通电极3分别施加不同时间参数的选通脉冲，具体的，不同时间参数的选通脉冲为：n个选通脉冲的脉冲宽度的td相同，td的取值范围为1ps～1μs，n个选通脉冲的上升沿起始时间在时间轴上依次延后，相邻两个选通脉冲上升沿的起始时间差均为δt；或，n个选通脉冲上升沿的起始时间相同，n个选通脉冲的脉冲宽度依次增大，相邻两个选通脉冲的脉冲宽度差值均为δt；δt的取值范围为1ps～500ns；
53.相邻两个选通电极3所施加的选通脉冲具有重叠时间段，n个选通电极3所施加的选通脉冲叠加总时间大于待探测光信号的存续时间，且在上升沿起始时间最早、或脉冲宽度最小的选通脉冲持续时间段内待探测光信号未处于存续状态；
54.选通脉冲的幅值为vg，vg≥v
clo
，使n个选通电极3在相应选通脉冲的正脉冲时间段内处于选通状态；
55.步骤3、阳极4在相应选通电极3处于选通状态的时间段内、且待探测光信号处于存续状态时输出探测波形信号；
56.按照n个选通电极3相应选通脉冲的上升沿在时间轴上的前后顺序，或脉冲宽度由短至长的顺序对探测波形信号进行排序；
57.步骤4、定义首先选通的选通电极3或选通时间最短的选通电极3对应的阳极4为基础阳极4，定义相邻两个阳极4输出的探测波形信号非重叠时间段内输出的特征电荷量为q3，计算除基础阳极4外其余阳极4非重叠时间段内输出的特征电荷量q3，具体为：
58.对相邻两个阳极4中后一阳极4输出的探测波形信号进行积分处理得到该阳极4输出的总电荷量q1，对前一阳极4输出的探测波形信号进行积分处理得到该阳极4输出的总电荷量q2，q3＝q1-q2；
59.步骤5、对得到的所有特征电荷量q3分别进行反积分处理得到对应阳极4的特征波形信号，按照不同时间参数选通脉冲的时序信息对得到的所有特征波形信号进行拟合重建，得到高时间分辨率的探测波形。
60.实施例1
61.如图3所示，在本实施例中电子倍增器2选用微通道板电子倍增器2，由两块长方形mcp板(微通道板)构成，选通电极3和阳极4的数量均为四个，阴极1与选通电极3之间的距离为0.4mm，选通电极3与电子倍增器2输入面之间的距离为1mm，电子倍增器2与阳极4之间的距离为1mm。
62.在本实施例中电子倍增管采用负电压工作方式，选通电极3初始电压为-2000v，阴极1电压为-1995v，电子倍增器2输入电极电压为-1800v，电子倍增器2输出电极电压为-200v，此时光电倍增管中阴极1的发射电子不能通过选通电极3，光电倍增管处于截至状态，但是电子倍增器2处于正常的工作状态，若有电子输入时就可实现电子倍增功能。
63.图4所示，在进行光信号探测时，向选通电极3施加不同时间参数的电子脉冲，定义电子脉冲分别为第一路电子脉冲、第二路电子脉冲、
…
、第n路电子脉冲，相应的，选通电极3分别为第一路选通电极、第二路选通电极、
…
、第n路选通电极，其中第一路脉冲信号施加于第一个选通电极、第二路脉冲信号施加于第二个选通电极，以此类推，第n路选通脉冲施加于第n个选通电极上；在本实施例中，选通脉冲的幅值为10v，所有选通脉冲的起始时间均相同，但是脉冲宽度逐次递增500ps。
64.如图5所示，对本发明光电倍增管对光信号进行探测时，尽管第一路选通电极施加了第一个选通脉冲，但是由于在选通脉冲持续的时间段内没有光信号照射于阴极1处，因此此时施加选通脉冲的第一个选通电极所对应阳极4并没有探测信号波形输出；随着选通脉冲时间的推移，当第二路选通脉冲施加于第二个选通电极时，第二路选通脉冲覆盖的时间段内出现首个光信号脉冲，此时第二个选通电极对应阳极4输出相应的探测信号波形并记录相应波形信息，计算此波形信息对应的时间信息、强度信息等，并对探测波形进行积分处理得到总输出电荷量，即为500ps内(中点处标记为t2)探测电荷量；接下来第三个选通电极施加第3路选通脉冲，选通脉冲覆盖的时间段内除首个光信号脉冲还未出现第二个光信号脉冲，此时对应阳极4输出波形以及电荷总量与第二阳极4输出电荷总量一致，此时用第三阳极4输出电荷总量减去第二阳输出电荷总量，既可得第二个500ps内(中点处标记为t3)探测电荷量；接下来第四个选通电极施加第四路选通脉冲，选通脉冲覆盖的时间段内除首个光信号脉冲还出现第二个光信号脉冲，此时第四个选通电极对应阳极4输出电荷总量也包含了两个光脉冲信号对应的电荷量，此时用第四个选通电极对应的阳极4输出电荷总量减
去第三个选通电极对应阳极4输出电荷总量，既可得第三个500ps内(中点处标记为t4)探测电荷量；依此探测方法可计算出各个阳极4相邻500ps内的探测电荷量，并将这些电荷量信息进行反积分处理得到相对应的特征波形信号，并按照时间的前后顺序征对波形信号进行拟合重建就可还原出各个被探测光脉冲的高精度时间和强度信息，实现光电倍增管高时间分辨率探测功能。
65.由于相邻两个选通脉冲之间的时间差为500ps，因此对应相邻两个阳极4输出信号的时间差也为500ps，对相邻阳极4输出信号进出计算可得到光信号在500ps时间间隔时的强度变化趋势，从而时间此光电倍增管的时间分辨率达到500ps。如果选取δt的数值更小，达到皮秒量级时，因此本发明高时间分辨率光电倍增管的极限时间分辨率可以达到皮秒量级。
66.实施例2
67.本实施案例中光电倍增管的结构、工作电压施加的方式以及数值均与实施案例1结构相同。
68.如图6所示，其中第一路脉冲信号施加于第一个选通电极、第二路脉冲信号施加于第二选通电极，以此类推，第n路选通脉冲施加于第n个选通电极上。在本实施例中，选通脉冲的幅值为10v，所有选通脉冲的宽度td均为10ns，相邻两路脉冲之间的起始时间差均为δt，δt的值为500ps。
69.如图7所示，本实施例的具体探测过程与实施案例1相同，但是在进行各个阳极4之间的波形处理时，用第三个选通电极对应阳极输出的探测电荷总量与第二个选通电极对应阳极输出的探测电荷总量在相重叠时间段内积分所得电荷量做减法处理，就可以得到第三个选通电极对应的阳极输出信号在最后500ps内的探测电荷量，同理可以取得其他阳极4最后500ps内的探测电荷量。将这些探测电荷量信息进行反积分处理得到特征波形信号，特征波形信号按照时间的前后顺序进行拟合重建就可还原出各个被探测光脉冲的高精度时间和强度信息，实现光电倍增管高时间分辨率探测功能。同理如果选取δt的数值更小，达到皮秒量级时，本发明高时间分辨率光电倍增管的极限时间分辨率也可达到皮秒量级。