ФОТОУМНОЖИТЕЛЬНАЯ ТРУБКА
PHOTOMULTIPLIER TUBE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к фотоприемному устройству, а именно к фотоумножительной трубке, основанной на комбинации фотокатода, работающего на просвет (режим работы в проходящем свете), и фотокатода, работающего на отражение.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Фотоумножительная трубка является своего рода фотодетектором с превосходной чувствительностью и сверхбыстрой скоростью срабатывания, который может быть широко применен к устройствам для счета фотонов, детектирования низкого уровня освещенности, хемилюминесценции, биолюминесценции и подобного. В качестве вакуумного компонента традиционная фокусирующая фотоумножительная трубка главным образом содержит фотоэмиссионный катод (также называемый фотокатодом), фокусирующий электрод, электронный умножитель и коллектор электронов (то есть анод), в которой фотокатод является очень тонкой пленкой, выполненной из специального фоточувствительного материала, нанесенного на определенную подложку, и может быть отнесен к работающему на просвет и работающему на отражение в зависимости от способа фотоэлектрического преобразования.
В настоящее время все фотокатоды всех фокусирующих фотоумножительных трубок являются работающими на просвет. Фотокатод, работающий на просвет, в общем, нанесен на внутреннюю поверхность входного окна наверху стеклянного корпуса фотоумножительной трубки, через которое поступает детектируемый свет. Как показано на фиг.1, процесс работы этой фокусирующей фотоумножительной трубки состоит в следующем: когда падающие фотоны проходят сквозь переднее окно прозрачного вакуумного контейнера 1 и сталкиваются с фотокатодом 2, часть фотонов преобразуется в фотоэлектроны, и оставшиеся фотоны проходят сквозь фотокатод 2 и поступают в вакуумный контейнер; часть фотоэлектронов, которые были преобразованы из фотонов на фотокатоде 2, поглощается фотокатодом 2, и другая часть фотоэлектронов (обычно менее 30% общего числа падающих фотонов) проходит сквозь фотокатод 2, поступает в вакуумный контейнер 1, ускоряется в фокусирующем электрическом поле и затем поступает на группу электронных умножителей, на поверхностях которых нанесены специальные материалы; электроны, которые были ускорены в электрическом поле, сталкиваются с поверхностью электрода 3 электронного умножителя, чтобы возбудить вторичную электронную эмиссию. Таким образом, достигается умножение электрона, и умноженный вторичный электрон собирается анодом 4 и затем выводится в виде сигнала.
Вышеописанная фокусирующая фотоумножительная трубка, которая использует электрическое поле для фокусировки фотоэлектронов, имеет особенность в том, что площадь фотокатода больше или намного больше площади поверхности электронного умножителя для приема фотоэлектронов, и такой признак особенно подходит для производства фотоумножительной трубки с большей площадью. Однако традиционная фокусирующая фотоумножительная трубка часто является цилиндрической или эллипсоидальной: фотокатодом, работающим на просвет, описанным выше, возможно принимать свет только с лицевой стороны. В этом случае свет эффективно принимается внутри пространственного угла не более 2 π, и квантовая эффективность для фотоэлектрического преобразования, таким образом, невелика.
Более того, для фотоумножительной трубки с фотокатодом с большой площадью электронный умножитель является в общем фокусирующей динодной конструкцией на фиг.1, которая состоит из множества металлических пластин, снабженных на поверхности материалами с высоким коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Такая фокусирующая динодная конструкция является массивной и часто расположена у горлообразного заднего отверстия в самой нижней части герметизированного вакуумного контейнера. Для большой фотоумножительной трубки эта конструкция вызывает некоторые проблемы в том, что имеется существенное различие между путями, по которым фотоэлектроны, испускаемые с поверхности фотокатода, приходят в электронный умножитель, и том, что распределения электрического поля, которое воздействует на фотоэлектроны, также различны. В результате, момент прихода фотоэлектронов также отличен, и трудно получить приемлемую скорость срабатывания для большой фотоумножительной трубки.
Для фотоумножительной трубки с фотокатодом, работающим на отражение, необходимо иметь подложку внутри прозрачного окна вакуумного контейнера и фотокатод, работающий на отражение, нанесенный на подложку. Чтобы взаимодействовать с этим фотокатодом, работающим на отражение, необходимо нанести круглую решетчатую конструкцию электронного умножителя, чтобы осуществить умножение. Следовательно, эффективная площадь для приема света этой фотоумножительной трубки ограничена.
Фотоумножительная трубка также использует микроканальную пластину в качестве электронного умножителя. Однако этот тип фотоумножительных трубок, использующих микроканальную пластину, является нефокусирующим, и микроканальная пластина предшествующего уровня техники обычно имеет форму тонкого диска, так что невозможно обеспечить микроканальную пластину относительно большой площади, и необходимо размещать микроканальную пластину смежно с фотокатодом. Поскольку необходимо, чтобы площадь фотокатода совпадала с площадью микроканальной пластины, площадь фотокатода ограничена доступной в настоящее время микроканальной пластиной.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение фотоумножительной трубки с большой площадью фотокатода, высокой фотоквантовой эффективностью и простой конструкцией.
Задача настоящего изобретения и техническая проблема разрешены следующими решениями. Согласно настоящему изобретению, предложена фотоумножительная трубка, которая содержит: фотокатод для приема светового излучения, чтобы возбудить фотоэлектроны; электронный умножитель для приема фотоэлектронов, испущенных с фотокатода, чтобы возбудить умноженные электроны; коллектор электронов для сбора умноженных электронов, возбужденных электронным умножителем; и электрод подвода энергии для подачи питания на фотокатод и электронный умножитель; в которой фотокатод и электронный умножитель расположены внутри прозрачного вакуумного контейнера, и коллектор электронов и электрод подвода энергии, проходящий сквозь прозрачный вакуумный контейнер, соединены с внешним контуром; в которой фотокатод покрывает всю внутреннюю поверхность прозрачного вакуумного контейнера; и в которой электронный умножитель расположен во внутреннем центре прозрачного вакуумного контейнера, чтобы принимать фотоэлектроны с фотокатода во всех направлениях и возбуждать умноженные электроны.
Если падающий свет, детектируемый фотоумножительной трубкой, поступает со всех направлений, фотокатод наносится равномерной толщиной на всю внутреннюю поверхность прозрачного вакуумного контейнера.
Если падающий свет, детектируемый фотоумножительной трубкой, поступает из некоторого направления перед фотоумножительной трубкой, фотокатод наносится с первой толщиной на половину внутренней поверхности прозрачного вакуумного контейнера, соответствующей направлению падающего света, и наносится со второй толщиной на другую половину внутренней поверхности вакуумного прозрачного контейнера, в котором первая толщина меньше или равна второй толщине.
Чтобы улучшить квантовую эффективность отраженной части, перед нанесением материала фотокатода со второй толщиной на другую половину внутренней сферической поверхности прозрачного вакуумного контейнера наносится слой тонкой металлической пленки с высокой степенью отражения.
Электронный умножитель, который выполнен с возможностью приема фотоэлектронов, возбужденных фотокатодом, и возбуждения умноженных электронов, имеет площадь намного меньше площади фотокатода и может являться любым из: микроканальной пластины, малогабаритного динодного электрода, полупроводникового диода и лавинного кремниевого фотоэлектрического детектора. Электронные умножители расположены во внутреннем центре прозрачного вакуумного контейнера в виде двух групп, содержащих верхнюю группу и нижнюю группу, причем две группы содержат правую группу и левую группу, или множества групп, в соответствующих направлениях, чтобы создать центрально-симметричное фокусирующее электрическое поле между фотокатодом и электродом умножения электронов.
Чтобы эффективно собрать фотоэлектроны с фотокатода, фотоумножительная трубка дополнительно содержит фокусирующий электрод, окружающий периферию электронного умножителя.
Предпочтительно, прозрачный вакуумный контейнер может использовать сферический, эллипсоидальный или цилиндрический стеклянный контейнер.
Предпочтительно, электронный умножитель содержит анод и катод, в котором катод для каждой группы микроканальной пластины расположен обращенным к фотокатоду, и анод для каждый группы микроканальной пластины расположен обращенным к коллектору электронов.
В зависимости от требуемого усиления каждая группа микроканальной пластины содержит один лист микроканальной пластины или множество листов микроканальных пластин, которые соединены последовательно.
По отношению к каждой группе электронного умножителя коллектор электронов может являться общим коллектором для одновременного приема умноженных электронов, возбужденных каждой группой электронного умножителя, или множеством коллекторов электронов для соответствующего приема умноженных электронов, возбужденных каждой группой электронного умножителя.
Электронный умножитель расположен во внутреннем центре прозрачного вакуумного контейнера посредством изолирующего опорного стержня.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - структурный, схематичный вид, показывающий фотоумножительную трубку для фотокатода, работающего на просвет, предшествующего уровня техники;
фиг.2 - структурный, схематичный вид, показывающий вариант выполнения фотоумножительной трубки настоящего изобретения;
фиг.3 - структурный схематичный вид, показывающий другой вариант выполнения фотоумножительной трубки настоящего изобретения; и
фиг.4 - структурный схематичный вид, показывающий микроканальную пластину, использованную в фотоумножительной трубке настоящего изобретения.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Примеры вариантов осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны ниже. Отметим, что варианты осуществления, описанные здесь, предназначены для пояснения, но не ограничения настоящего изобретения.
Фиг.2 - структурный, схематичный вид, показывающий вариант осуществления фотоумножительной трубки настоящего изобретения.
Как показано на фиг.2, фотоумножительная трубка настоящего изобретения главным образом содержит фотокатод 14, электронный умножитель 10, коллектор 11 электронов и питающий и сигнальный провод 12. Все вышеупомянутые компоненты фотоумножительной трубки настоящего изобретения обеспечены в большом прозрачном вакуумном контейнере 8. Прозрачный вакуумный контейнер 8 может являться сферическим, почти сферическим и цилиндрическим стеклянным сосудом. Здесь рассматривается почти сферический прозрачный вакуумный контейнер для пояснения настоящего изобретения, и это не ограничивает объем притязаний настоящего изобретения. Фотокатод нанесен, чтобы покрывать внутреннюю поверхность вакуумного контейнера 8. За исключением незначительной поверхности вакуумного контейнера 8 для питающего и сигнального провода, вся оставшаяся внутренняя поверхность вакуумного контейнера 8 покрыта материалом для фотокатода. Дополнительно, чтобы принимать все падающие фотоны с фотокатода, электронный умножитель 10 расположен во внутреннем центре вакуумного контейнера 8, принимает фотоэлектроны со всех направлений и возбуждает умноженные электроны. Затем умноженные электроны собираются коллектором 11 электронов, и усиленный сигнал тока выводится коллектором 11 электронов. Здесь, питающий и сигнальный провод 12 содержит линию подвода энергии и сигнальный провод (обозначенные одной линией на фиг.2 для простоты изображения). Линия подвода энергии выполняет функцию подачи питания на фотокатод 14, электронный умножитель 10 и коллектор 11 электронов для того, чтобы впоследствии навести разность потенциалов между ними. Сигнальный провод может выполнять функцию сигнальной линии коллектора 11 электронов для передачи усиленного сигнала тока.
В вышеописанном способе конфигурирования, в котором фотокатод нанесен практически на всю внутреннюю поверхность вакуумного контейнера, когда падающие фотоны проходят сквозь стенку вакуумного контейнера, часть падающих фотонов преобразуется в фотоэлектроны на бомбардируемой части фотокатода, в то время как другая часть падающих фотонов, которые проходят сквозь слой фотокатода без взаимодействия с фотокатодом, получает второй шанс вызвать фотоэлектрический эффект с фотокатодом при столкновении с противоположной поверхностью вакуумного контейнера путем использования принципа фотокатода, работающего на отражение, и быть преобразованными в фотоэлектроны. В результате, падающие фотоны максимально детектируются, так что квантовая эффективность, посредством которой фотоумножительная трубка детектирует фотоны, может быть существенно увеличена.
Вышеописанный способ построения фотокатода подходит для принятия падающего света со всех направлений вокруг фотоумножительной трубки или света только с лицевой стороны фотоумножителя.
Если падающий свет поступает со всех направлений, то есть падающие фотоны находятся со всех сторон вакуумного контейнера, фотокатод, выполненный из подходящих фотокатодных материалов, может быть нанесен равномерной толщиной на всю внутреннюю поверхность прозрачного вакуумного контейнера. Фотокатодным материалом могут быть двухщелочные или многощелочные металлы, и толщина и структура во время процесса нанесения определяются согласно конкретным применениям.
Если падающий свет поступает только с одного направления, только если с лицевой стороны фотоумножительной трубки, половина внутренней поверхности стенки вакуумного контейнера 8, обращенной к падающему свету, покрыта фотокатодным материалом заданной толщины, другая половина внутренней поверхности вакуумного контейнера 8 покрыта фотокатодным материалом другой толщины. Толщина фотокатодного материала, нанесенного на другую половину внутренней поверхности, несколько больше толщины на половине внутренней поверхности, обращенной к падающему свету. Далее рассматривается сферический или почти сферический вакуумный контейнер. Передняя полусферическая поверхность сферического или почти сферического вакуумного контейнера покрыта фотокатодным материалом предварительно заданной толщины для того, чтобы образовать фотокатод, работающий на просвет, и задняя полусферическая поверхность покрыта фотокатодным материалом другой толщины для того, чтобы образовать фотокатод, работающий на отражение. Как показано на фиг.3, передний полусферический обозначенный пунктиром участок 15 является фотокатодом, работающим на просвет, и задний полусферический обозначенный линией сплошной участок 16 является фотокатодом, работающим на отражение. Более того, чтобы дополнительно улучшить эффективность детектирования света фотокатода, работающего на отражение, перед нанесением фотокатодного материала на заднюю полусферическую внутреннюю поверхность наносится тонкий слой Al пленки с высокой степенью отражения или другие материалы, и затем материал фотокатода, работающего на отражение, который имеет толщину, равную или большую толщины материала фотокатода, работающего на просвет, нанесенного на переднюю полусферическую внутреннюю поверхность, наносится на эту металлическую пленку. Таким образом, общая площадь, покрытая фотокатодом, работающим на просвет, и фотокатодом, работающим на отражение, приближается ко всей поверхности вакуумного контейнера, так что в этом способе конфигурирования обеспечивается то, что в случае, когда падающий свет поступает только с лицевой стороны фотоумножительной трубки или под некоторым углом, квантовая эффективность фотоэлектрического преобразования больше значения, получаемого использованием вышеупомянутого фотокатода с равномерной толщиной и такой же конструкцией, но без использования тонкого металлического отражающего слоя.
Электронный умножитель в вышеупомянутой фотоумножительной трубке может использовать микроканальную пластину, полупроводниковый диод большой площади, полупроводниковый лавинный диод большой площади или другие электронные умножители небольшого объема и малой толщины. Электронные умножители расположены соответствующим образом в центре вакуумного контейнера, электронные умножители могут быть расположены в виде двух групп, содержащих верхнюю группу и нижнюю группу, причем две группы содержат правую группу и левую группу, или множество групп в соответствующих направлениях, в которых множество групп в соответствующих направлениях, например, могут быть расположены таким образом, что три или более групп электронных умножителей тангенциально сгруппированы в треугольник, окружающий центр вакуумного контейнера, в соответствии с конструктивными и техническими требованиями. Как показано на фиг.2-3, электронные умножители на фиг.2 сгруппированы в левую группу и правую группу, в то время как электронные умножители на фиг.3 сгруппированы в верхнюю группу и нижнюю группу, в которых двумя вышеупомянутыми образами каждая группа электронных умножителей выводит электрон по направлению к коллектору электронов. Потенциал электронного умножителя выше потенциала фотокатода, так что электронный умножитель может эффективно принимать все фотоэлектроны, испущенные с фотокатода во всех направлениях. Кроме того, площадь электронного умножителя намного меньше площади фотокатода, так что распределение электрического поля, которое приблизительно центросимметрично и направлено из сферического центра к сферической поверхности, устанавливается между фотокатодом и электродом умножения электронов. Приблизительно центросферическое симметричное электрическое поле имеет относительно меньше помех, что помогает улучшить устойчивость в плане времени сбора фотоэлектронов. В то же время, относительно малая часть фотонов, которые проходят сквозь фотокатод, чтобы поступить в вакуумный контейнер, блокируется и поглощается электронными умножителями или их вспомогательными частями, что облегчает улучшение эффективности фотоэлектрического преобразования и эффективности сбора фотоэлектронов.
Предпочтительно, посредством фокусирующего электрода 2, который расположен по периферии электронного умножителя и также соединен с питающей линией, фокусирующее электрическое поле устанавливается между фотокатодом и фокусирующим электродом, так что фотоэлектроны, испущенные с фотокатода, могут быть собраны с высокой эффективностью, близкой к 100%.
Когда микроканальная пластина используется в качестве электронного умножителя, катод 17 каждой группы микроканальной пластины ориентирован по направлению к фотокатоду и принимает фотоэлектроны, испущенные фотокатодом. Электроны умножаются в полом стеклянном волокне 19 микроканальной пластины, и, таким образом, умноженные электроны выводятся к коллектору 11 электронов через анод 18. Каждая группа микроканальной пластины, в качестве электронного умножителя, описанного выше, может являться микроканальными пластинами, которые соединены последовательно в один ярус, два яруса или три яруса. Подходящее напряжение прикладывается между катодом 17 и анодом 18 микроканальной пластины, так что достаточный коэффициент фотоэлектронного усиления может быть получен, когда фотоумножительная трубка детектирует слабый свет или учитывает каждый измеренный фотон. Характеристика скорости срабатывания и шумовая характеристика микроканальная пластина-электронный умножитель превосходит характеристики комбинации динод-электрод, которая выполняет функцию электронного умножителя в традиционной фокусирующей фотоумножительной трубке, так что фотоумножительная трубка имеет признак высокой скорости срабатывания и низкого шума.
Коллектор 11 электронов может являться общим коллектором, который одновременно принимает электронный ток от каждой группы электронного умножителя. Коллектор 11 электронов также может являться двумя или более коллекторами электронов, которые принимают электронный ток, вырабатываемый двумя или более группами электронных умножителей, и затем два или более выходных тока объединяются в один канал. Коллектор электронов может быть выполнен из медной пластины или других металлических материалов, как в случае с традиционной фотоумножительной трубкой. В настоящем изобретении, если микроканальная пластина используется в качестве электронного умножителя, необходимо, чтобы площадь коллектора электронов была больше или равна площади анода микроканальной пластины для того, чтобы лучше собирать электронный ток с микроканальной пластины.
Когда используется полупроводниковый диод, лавинный диод или другой тип полупроводникового электронного умножителя, необходимо, чтобы высокое напряжение прикладывалось к этим устройствам так, чтобы фотоэлектроны ускорялись для получения достаточной кинетической энергии, чтобы пройти сквозь защитный слой на поверхности полупроводникового электронного умножителя, и обеспечивался достаточный коэффициент умножения в полупроводниковом электронном умножителе. Вследствие использования такого полупроводникового электронного умножителя относительно высокое напряжение может быть приложено, что может дополнительно улучшить скорость срабатывания фотоумножительной трубки.
Микроканальная пластина или электрод полупроводниковых электронных умножителей и фокусирующий электрод, объединенный с ней/ним, поддерживаются изолирующей опорой 13, которая обычно представляет собой стеклянную трубку. Питающий и сигнальный провод 12, необходимый для электронного умножителя, может быть расположен внутри изолирующей опоры, и реализуется метод сварки, чтобы добиться вакуумного уплотнения между металлическим проводом 12 и стеклянной опорой 13.
Таким образом, после прикладывания рабочего напряжения к фотокатоду, электронному умножителю и коллектору электронов фокусирующее электрическое поле устанавливается между фотокатодом и электронным умножителем, и собирающее электрическое поле устанавливается между электронным умножителем и коллектором электронов. Часть светового излучения проходит сквозь корпус герметизированного контейнера и поступает непосредственно в фотокатод, работающий на просвет, чтобы возбудить фотоэлектроны, и другая часть дополнительно отражается фотокатодом, работающим на отражение, чтобы возбудить больше фотоэлектронов, после прохождения сквозь фотокатод, работающий на просвет. Все электроны, возбужденные фотокатодом, сталкиваются с электронным умножителем путем ускорения в фокусирующем электрическом поле, электронный ток, который был умножен электронным умножителем, поступает в коллектор электронов путем ускорения в собирающем электрическом поле, и, таким образом, собранный сигнал тока выводится в виде сигнала.
Несмотря на то, что изобретение было описано применительно к типичным вариантам осуществления, будет понятно, что терминология, использованная здесь, является пояснительной и примером терминологии, и не подразумевается ограничивающей. Поскольку настоящее изобретение может быть осуществлено в различных формах без отступления от идеи и сущности настоящего изобретения, варианты выполнения, упомянутые выше, не ограничены деталями, изложенными здесь, и должны рассматриваться широко согласно идее и сущности, определенным формулой изобретения. Следовательно, формула изобретения охватывает все модификации и изменения, которые подпадают под следующую формулу изобретения, и их эквиваленты.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Согласно настоящему изобретению, фотокатод покрывает всю внутреннюю поверхность вакуумного контейнера, так что падающие фотоны, поступающие в вакуумный контейнер, преобразуются в фотоэлектроны на бомбардируемом участке фотокатода. С другой стороны, другая часть фотонов, которая проходит сквозь фотокатодный слой, не сталкиваясь с фотокатодом, имеет второй шанс для взаимодействия с фотокатодом и преобразования в фотоэлектроны путем использования принципа фотокатода, работающего на отражение, при столкновении с противоположной поверхностью вакуумного контейнера. В результате, квантовая эффективность фотоумножительной трубки по существу увеличена, так что площадь фотокатода эффективно используется, и дополнительно квантовая эффективность преобразования улучшена.