ТРУБКА-ФОТОУМНОЖИТЕЛЬ С УМЕНЬШЕННЫМИ ВРЕМЕННЫМИ ЗАДЕРЖКАМИ ПЕРЕДАЧИ
PHOTOMULTIPLIER TUBE WITH SHORTER TRANSMISSION DELAY TIME

Область техники
Настоящее изобретение относится к одноканальной трубке электронного умножителя.
Уровень техники
Трубка-фотоумножитель в целом содержит в полом не содержащем газа корпусе светочувствительный электрод, называемый фотокатодом, электронную фокусирующую оптику, вторично-электронный умножитель для размножения электронов, эмитируемых фотокатодом, и анод, собирающий размноженные электроны.
В патентной заявке FR 1288477, соответствующей патенту США с регистрационным номером 27066, выданному на имя Radio Corporation of America, описана со ссылками на единственную имеющуюся в этом патенте фигуру трубка одноканального фотоэлектронного умножителя, имеющая герметичный корпус 10. Герметичный корпус 10 включает в себя стенку, образующую прозрачное для фотонов окно 12. Окно 12 имеет наружную поверхность и внутреннюю поверхность. Внутренняя поверхность обладает вогнутостью, имеющей центральную ось. Вогнутость обращена внутрь трубки. Она обладает плоскостью симметрии, включающей центральную ось.
Фотокатод 14 расположен на внутренней поверхности стенки, образующей прозрачное окно, таким образом, чтобы принимать проходящие через прозрачное окно светофотоны.
Система оптической фокусировки, включающая в себя несколько электродов, фокусирует выходящие из фотокатода электроны на первый динод 31 вторично-электронного умножителя с линейно фокусируемой структурой, расположенного далее в оптической системе в направлении пробега электронов. Умножитель имеет множество динодов 31-40, в том числе первый динод 31, промежуточные диноды, предпоследний динод и последний динод. Трубка содержит также анод 42. Соединительные средства 18 проходят через герметичный корпус 10 и имеют соединительные контакты снаружи корпуса 10, которые, в свою очередь, соединены с внутренними электрическими связями и обеспечивают соединение соответственно динодов, фотокатода 14, электродов 16, 20, 22 и 24, совместно образующими оптическую систему фокусировки, и анод 42 с соответствующим их функции напряжением.
Описанную в этой заявке одноканальную трубку используют в приложениях, где существенным фактором является постоянство времени прохождения, начиная с момента эмиссии электрона фотокатодом и кончая моментом образования пакета электронов в результате размножения этого электрона умножителем. Идеальной является трубка, в которой времена прохождения электронов между этими двумя моментами одинаковы вне зависимости от места эмиссии на фотокатоде и начальной энергии эмитируемого электрона. В описанных выше одноканальных трубках разброс времени прохождения от фотокатода до первого динода уменьшен вследствие того, что фотокатод установлен на полусферической поверхности. Благодаря такой форме расстояние между различными точками фотокатода и центром одинаково. Эта геометрия способствует уменьшению разброса времени прохождения в зависимости от места эмиссии электрона на фотокатоде.
Сущность изобретения
Целью изобретения является одноканальная трубка-фотоумножитель, предлагающая временное решение, улучшенное по сравнению с известными одноканальными трубками существующего уровня техники. Эта цель достигается тем, что трубка включает в себя вторично-электронный умножитель, состоящий из нескольких умножающих частей, физически различимых одна от другой и обладающих совместно симметрией вращения относительно центральной оси вогнутости. Каждая умножающая часть фактически является отдельным умножителем.
В этом случае полусферический фотокатод виртуально разделен на такое число частей катода, которое равно числу частей умножителя. Когда фотокатод имеет форму обращения вокруг некоторой оси, части фротокатода представляют собой угловые секторы, вершина которых совмещена с осью вращения. Каждый сектор фотокатода соответствует определенному умножителю. Благодаря симметрии вращения секторы являются одинаковыми. Таким образом, согласно изобретению в зоне, где эмитированные каждым из секторов фотокатода электроны совместно фокусируются с помощью общей оптической системы фокусировки, располагается столько же первых динодов, сколько имеется секторов. Каждый первый динод является динодом отдельного умножителя, размножающего электроны, приходящие с сектора фотокатода, соответствующего этому диноду. Взятые вместе эти первые диноды каждого из умножителей обладают симметрией вращения относительно оси трубки.
Поскольку электроны, приходящие только с одного сектора фотокатода, обладают траекториями, которые имеют меньшие углы расхождения относительно друг друга, чем углы расхождения, которые возникают между траекториями электронов, приходящих от всего катода в целом, и, следовательно, меньшей является разница в длине пробега, то различия во времени прохождения электронов от фотокатода до первого динода каждого умножителя также являются меньшими.
С другой стороны, траектории разных электронов между первым динодом D1 и вторым динодом D2 каждого умножителя также имеют меньшую разницу в длине пробега по сравнению с разницей в длине пробега, которая бы имелась в случае единственного большого первого динода, посылающего электроны к единственному большому второму диноду. Благодаря этому также уменьшается и разница во времени прохождения электронов между первым и вторым динодами каждого умножителя. То же самое, хотя и в меньшей степени, относится ко времени прохождения между последовательными ярусами каждого из умножителей.
Благодаря этому мы имеем одноканальную трубку, характеризующуюся разбросом времени передачи меньшем разброса времени передачи у трубок существующего уровня техники.
Таким образом, изобретение относится к одноканальной трубке-фотоумножителю с уменьшенными временными задержками передачи, включающей в себя:
- герметичный корпус, имеющий стенку, образующую прозрачное для фотонов окно и имеющую наружную поверхность, и внутреннюю поверхность, обладающую вогнутостью, имеющей центральную ось, обращенную внутрь трубки и обладающую плоскостью симметрии, включающей центральную ось,
- фотокатод, расположенный на внутренней поверхности стенки, образующей прозрачное окно, таким образом, чтобы принимать светофотоны, проходящие через прозрачное окно,
- систему оптической фокусировки, включающую в себя один или несколько электродов,
- вторично-электронный умножитель с линейно фокусируемой структурой, расположенный далее в оптической системе в направлении пробега электронов и имеющий множество динодов, в том числе первый динод, промежуточные диноды, предпоследний динод и последний динод,
- анод,
- соединительные средства, проходящие через герметичный корпус и имеющие соединительные контакты снаружи корпуса 10, которые, в свою очередь, соединены с внутренними электрическими коммуникациями, обеспечивающими соединение соответственно динодов, фотокатода, электродов, совместно образующих оптическую систему фокусировки, и анода с соответствующим их функции напряжением,
отличающейся тем, что
- вторично-электронный умножитель состоит из физически различимых одна от другой частей, каждая из которых образует отдельный умножитель и при этом независимые умножители обладают совместно симметрией вращения относительно центральной оси вогнутости.
В одном из вариантов осуществления герметичный корпус включает в себя изолированную цилиндрическую гильзу, центрированную по центральной оси вогнутости, на которой находится фотокатод, и при этом стенка образует прозрачное окно, соединенное с одним из торцов указанной гильзы, а система оптической фокусировки включает в себя ускоряющий и фокусирующий электрод, корректирующий фокусировку электрод, образованный тонким проводящим слоем в виде части цилиндрической поверхности, нанесенным на внутреннюю стенку гильзы, у которой ближний к фотокатоду торец находится в зоне, расположенной между фотокатодом и ускоряющим электродом, способствующим начальному ускорению фотоэлектронов периферической зоны путем усиления электрического поля вблизи фотоэлектронов.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления трубка содержит два умножителя, вогнутость является полусферической, а система оптической фокусировки и два умножителя имеют плоскость симметрии, которая является плоскостью симметрии вогнутости. Такое решение позволяет устанавливать два ускорителя параллельно общей оси на плоскости симметрии.
В этом варианте осуществления угловые секторы имеют углы, равные 180°.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления первые диноды каждого умножителя имеют часть, которая наиболее близка к тангенциальному фотокатоду в одной и той же точке на указанной плоскости симметрии, и каждый из них имеет вогнутость, причем соответствующие вогнутости каждого из первых динодов не обращены одна к другой. Такое решение позволяет устанавливать два ускорителя параллельно с общей точкой на плоскости симметрии.
Краткое описание чертежа
Далее изобретение описывается с помощью прилагаемого чертежа.
Чертеж представляет продольный разрез трубки фотоумножителя согласно изобретению, выполненный в плоскости симметрии трубки. Представлены также траектории электронов в этой плоскости симметрии между первой половиной фотокатода и первым динодом первого вторично-электронного умножителя.
Подробное описание изобретения
Чертеж представляет продольный разрез трубки-фотоумножителя 1 с двумя умножителями согласно изобретению.
Трубка-фотоумножитель 1 включает в себя корпус 4, образованный совокупностью собранных друг с другом стенок. В приведенном примере первая стенка 3 имеет форму цилиндрической гильзы с осью АА'. Цилиндрическая гильза выполнена преимущественно из изоляционного материала, например из стекла. Гильза завершается на одном из торцов стенкой 5, образующей прозрачное для фотонов окно. На другом торце гильза заканчивается донной стенкой 8. Через эту донную стенку 8 пропущены стандартным способом без нарушения герметичности соединительные штыри 12 разных электродов, расположенных внутри герметичного корпуса 4. Во время работы трубки эти штыри 12 подсоединены соответственным образом к источникам напряжения, прикладывающим рабочее напряжение к разным электродам трубки.
Стенка 5, образующая прозрачное окно трубки, имеет плоскую наружную поверхность 6 и внутреннюю поверхность 7, имеющую вогнутость, обращенную внутрь трубки. Эта вогнутость представляет собой, например, сферический колпак, центр которого расположен на оси АА' трубки. Вследствие этого трубка обладает плоскостью симметрии, отображенной на чертеже осью АА'. Чертеж представляет осевой разрез по плоскости, включающей эту ось симметрии. Один из фотокатодов 2 расположен на внутренней поверхности стенки 5, образующей прозрачное окно 5 таким образом, чтобы принимать светофотоны, проходящие через прозрачное окно 5. Фотокатод 2 образован стандартным способом слоем фотоэмитирующего материала, например слоем многощелочного, серебряно-кислородно-цезиевого или цезиево-сурьмяного материала. Им может быть также и другой фотоэмитирующий материал. Материал выбирают в зависимости от спектральных характеристик его фотоэмиссии и длин волн фотонов, на которых будет работать трубка фотоумножителя. Фотокатод 2 условно поделен на две части 21 и 22, взаимно симметричные относительно плоскости симметрии, пересечение которой с плоскостью фигуры отображено на чертеже осью симметрии АА' сферического колпака.
В направлении от фотокатода 2 к донной стенке 8 трубка содержит, по порядку, систему 9 оптической фокусировки, включающую в себя корректирующий и фокусирующий электрод 15. В приведенном примере этот корректирующий и фокусирующий электрод 15 образован тонким проводящим слоем в виде части цилиндрической поверхности, нанесенным на внутреннюю поверхность гильзы 3. Корректирующий и фокусирующий электрод 15 имеет в осевом направлении ближний к фотокатоду 2 конец в зоне, расположенной между фотокатодом 2 и наименее удаленной частью ускоряющего и фокусирующего электрода 13. В данном контексте под удаленным подразумевается удаление в направлении пробега потока электронов, проходящего от начала фотокатода и направляющегося к его концу, т.е. к аноду. Система 9 оптической фокусировки является, таким образом, общей для обоих отдельных вторично-электронных умножителей 24, 26 трубки 1.
В конце системы 9 оптической фокусировки трубка 1 имеет вторично-электронный умножитель 11, образованный совокупностью двух частей умножителя 24, 26, физически различимых одна от другой и симметричных одна другой относительно плоскости симметрии трубки. Эти части умножителя образуют отдельные умножители 24, 26. Каждый из умножителей 24, 26 включает в себя диноды с линейно фокусирующей структурой, называемой структурой Райхмана. Под физически различимыми понимается то, что диноды, образующие каждый из умножителей, физически различимы от динодов, образующих другой умножитель. Это не исключает того, что диноды одного и того же ранга двух умножителей 24, 26 могут подключаться к одному и тому же источнику напряжения и, следовательно, у них имеется общая соединительная часть. Эта общая соединительная часть может быть расположена снаружи или внутри корпуса 4. При этом не исключается также и то, что диноды одного и того же ранга умножителей 24, 26 могут иметь точку или зону взаимного контакта.
Каждый вторично-электронный умножитель 24, 26 имеет множество динодов, в том числе первый динод соответственно 31, 32, второй динод соответственно 23, 25, промежуточные диноды соответственно 33, 34, предпоследний динод соответственно 35, 36 и последний динод соответственно 37, 38, расположенные после системы 9 оптической фокусировки по направлению пробега электронов.
После последнего динода 37, 38 по направлению пробега электронов трубка содержит анод 16, образованный двумя проводниками соответственно 17, 18, электрически соединенными один с другим с целью образования единого анода умножителя 11.
Таким образом, первая схема умножения трубки 1 осуществляется с помощью первой половины 21 фотокатода 2, общей оптической системы 9, первого умножителя 24 и части 17 анода 16. Вторая схема умножения трубки 1 осуществляется с помощью второй половины 22 фотокатода 2, общей оптической системы 9, первого умножителя 26 и части 18 анода 16.
В примере, приведенном на чертеж, диноды 32, 34, 36, 38 и 31, 33, 35, 37 одного и того же ранга двух умножителей 24, 26, за исключением динода 30, 39 регулировки усиления в каждом умножителе, подсоединены соответственно к одному и тому же соединительному штырю. Регулировочные диноды 30, 39 каждого из двух умножителей 24, 26 соответственно имеют соединение, позволяющее независимую для каждого из них регулировку напряжения.
В приведенном на чертеже примере первые диноды 31, 32 каждого умножителя 24, 26 соответственно являются взаимно симметричными относительно плоскости симметрии вогнутости прозрачного окна 5. Каждый из этих первых динодов 31, 32 имеет часть 27, 28 соответственно, наиболее близкую к фотокатоду 2. Части 27, 28 каждого из первых динодов 31, 32 являются соответственно касательными в одной точке одна по отношению к другой и к указанной выше плоскости симметрии. Первые диноды 31, 32 обладают вогнутостью, соответствующие центры кривизны которых взаимно симметричны относительно плоскости симметрии. Центры кривизны каждого из первых динодов соответственно 31, 32 расположены на той же стороне плоскости симметрии, что и соответствующий динод. На чертеже можно видеть, что каждый из первых динодов образован совокупностью четырех плоских частей и при этом кривизна этой совокупности возникает в результате того, что две последовательные плоские части образуют двугранный угол. В приведенной плоскости сечения предполагается, что центр кривизны одного двугранного угла является центром окружности касательной к каждой из двух поверхностей плоских частей, образующих двугранный угол.
Функционирование состоит в следующем.
Известным образом, когда электрон эмитируется фотокатодом 2, этот электрон ускоряется и направляется оптической системой 9 к одному или другому из первых динодов 31, 32. На чертеже изображены упорядоченные во времени траектории электронов, эмитированных частью 21 фотокатода 2. Электроны, приходящие от части 21, направляются в основном к первому диноду 31, принадлежащему первому умножителю 24. Электроны размножаются первым динодом 31 первого умножителя 24. Электроны, приходящие от первого динода 31, направляются на второй динод 23 первого умножителя 24. Далее электроны размножаются от динода к диноду и размноженный поток достигает части 17 единого анода 16.
Средние значения времени пробега разных электронов между фотокатодом 2 и первым динодом 31 первого умножителя 24 приведены рядом со стартовыми точками электронов на фотокатоде 2. Эти средние значения времени пробега варьируют от 6,24 до 6,40 нс. Таким образом, начальные различия во времени пробега очень малы. Эти различия во времени пробега становятся еще более слабыми в процессе размножения. Улучшение постоянства времени прохождения обусловлено меньшим расхождением в пробегах среди электронов, выходящих из одного из секторов (21 или 22) фотокатода, [между сектором] и первым динодом каждого умножителя. То же самое имеет место между первым и вторым динодами каждого умножителя.
Поскольку трубка обладает симметрией, все, что было сказано в отношении первой схемы умножения относится (с внесением соответствующих изменений) ко второй схеме умножения. Электроны, эмитируемые второй частью 22 фотокатода направляются в основном к первому диноду 32 второго умножителя 26. Сигнал принимается на части 18 единого анода 16.
Несмотря на усилия, предпринимаемые для того, чтобы добиться по возможности большей симметрии между двумя схемами, производственные допуски становятся причиной того, что две схемы не являются столь взаимно симметричными, как бы этого хотелось. Из этого факта следует, что целесообразно предусмотреть в каждом из умножителей 24, 26 один динод регулировки усиления соответственно 30, 39. Диноды регулировки усиления представляют собой диноды, которые, в отличие от других динодов того же ранга каждого умножителя, не подсоединены к источникам напряжения того же уровня. Таким образом, каждый их этих динодов 30, 39 имеет соответствующий ему соединительный штырь 12, который может быть соединен с источником напряжения, который соответствует каждому диноду регулировки усиления. Диноды 30, 39 позволяют уравновешивать общее усиление каждого их умножителей 24, 26 и выравнивать времена прохождения между схемами умножения.