本發(fā)明涉及一種真空光電探測器件，具體地講是一種光電倍增管，特別是將大尺寸光陰極產(chǎn)生的光電子通過靜電聚焦電極聚焦到由微通道板組件構(gòu)成的電子倍增器上的光電倍增管。技術(shù)背景作為把微弱的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電倍增管(PMT)，由于其具有較高的靈敏度和快的時間響應(yīng)，被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。從目前應(yīng)用的發(fā)展方向來看，一種是微型化，另一種是巨型化，后者在高能物理的中微子探測中將發(fā)揮無可替代的作用。日本濱松光子株式會社和法國的Photonis公司，先后開發(fā)出8吋、10吋、12吋、13吋和20吋橢球形或近球形的光電倍增管，其光陰極覆蓋內(nèi)球面的一部分，采用靜電聚焦設(shè)計，使得由光陰極產(chǎn)生的光電子被聚焦到比較大的打拿極上，實現(xiàn)光電子的倍增，從而在高能物理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著高能物理的發(fā)展，其對光探測器的要求不斷提高，首先，由于上述大尺寸的光電倍增管光陰極的本身覆蓋度不高，如構(gòu)成陣列，則很難達(dá)到80％，也由于其聚焦電極和打拿極的設(shè)計，從不同方向過來的光電子，經(jīng)過聚焦電極和打拿極后，電子的渡越時間分布變寬，不利于中微子的精確測量。近年來，美國Argonne國家實驗室聯(lián)合其國內(nèi)與微通道板(簡稱MCP)和光陰極相關(guān)單位組成合作組，開發(fā)200×200mm的近貼聚焦型微通道板光電倍增管(MCP-PMT)，采用轉(zhuǎn)移陰極工藝和ALD技術(shù)，試圖解決上述大尺寸光電倍增管所面臨的困難，但技術(shù)難度大，目前進(jìn)展緩慢。中科院高能物理所的科學(xué)家們，提出在球形透明真空容器內(nèi)制作全部覆蓋其內(nèi)表面的光陰極，將MCP或類似電子倍增器置于球體的中心，通過電子光學(xué)設(shè)計，使得來自各處的光電子都能有效地打到電子倍增器上，于2009年6月10日向國家知識產(chǎn)權(quán)局提出專利申請，并于2012年6月27日獲得專利權(quán)(發(fā)明創(chuàng)造名稱：一種光電倍增管，申請?zhí)枺?00910147915.4，授權(quán)公告號：CN101924007B)，該專利首次提出充分利用透射式陰極和反射式陰極的特性，進(jìn)而提高了光陰極的量子效率，采用合理的電子光學(xué)設(shè)計，確保電子倍增器能夠收集到接近4π立體角內(nèi)的光電子，但就其使用MCP作為電子倍增器而言，特別是2到3塊直接串聯(lián)來作為電子倍增器，在實際制作中，電子清刷除氣困難，除氣后每塊MCP的電阻難以預(yù)料，很難實現(xiàn)每塊MCP都處在最佳工作狀態(tài)，2塊MCP的直接串聯(lián)，其增益一般在～105量級，即便加放大器，有時很難探測到單光電子。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明就是針對上述缺陷而提出的一種靜電聚焦微通道板光電倍增管，首先，根據(jù)設(shè)計的這款光電倍增管的特點，準(zhǔn)確定義為靜電聚焦微通道板光電倍增管，它包括：由玻璃構(gòu)成的球形或橢球形真空容器并在其內(nèi)表面上制作的用來接收光子并產(chǎn)生光電子的光陰極，用來接收從光陰極發(fā)射出來的光電子并產(chǎn)生倍增電子的由微通道板組件構(gòu)成的電子倍增器，用來將光電子聚焦使其落在所述電子倍增器有效區(qū)域上的聚焦電極，用來收集所述電子倍增器所產(chǎn)生的倍增電子的陽極，用來供電給所述光陰極、聚焦電極、電子倍增器、陽極的供電極以及支撐它們的支撐柱，所述聚焦電極、電子倍增器和陽極置于玻璃真空容器內(nèi)，所述陽極的信號引線和所述供電極的引線通過穿過玻璃真空容器的芯柱與外部電路相連，所述聚焦電極、電子倍增器、陽極的中心共軸，并與供電極以及支撐它們的支撐連接成一體。所述電子倍增器為MCP組件，所述組件是由兩對并列放置的兩塊微通道板以一定間隙并在間隙中施加電場構(gòu)成的，以豎直布置的方式置于所述陽極的兩側(cè)，這種結(jié)構(gòu)便于制造過程中排氣和獨立控制MCP及其間隙電壓，實現(xiàn)電子倍增器的高增益和好的單光電子譜。通過調(diào)節(jié)兩塊微通道板的間隙和電壓，使得從第一塊微通道板出來的電子被加速并適當(dāng)聚焦，這樣盡早使得第二塊微通道板處于飽和狀態(tài)，進(jìn)而改善單光電子譜中的峰谷比和增益，其技術(shù)途徑是通過改變兩塊微通道板的電極和絕緣墊片的厚度，來有效調(diào)節(jié)間隙厚度，所述微通道板組件中的間隙厚度由微通道板的輸入、輸出電極以及絕緣墊片的厚度決定，總厚度在60μm～500μm之間。為了在間隙獲得電場，視間隙的大小，真空衛(wèi)生的好壞，在不放電打火的前提下，所述微通道板組件的間隙電壓在50～1000V可調(diào)?？紤]到要把球形或橢球形陰極不同位置產(chǎn)生的光電子盡可能打到微通道板組件的有效區(qū)內(nèi)，在微通道板組件的外圍設(shè)計聚焦電極，所述聚焦電極為薄金屬環(huán)帶，豎直環(huán)繞在所述電子倍增器外圍，其中心與微通道板同心。為了把與微通道板端面平行的光電子聚焦到該有效區(qū)域，在所述聚焦電極的外圍，設(shè)置一細(xì)金屬圓環(huán)作為輔助聚焦電極，并與所述聚焦電極位于同一平面且同心。由于兩組MCP的增益可能不同，通過調(diào)整電壓，盡可能保證兩者增益一致，設(shè)計陽極為兩個相同的結(jié)構(gòu)單元，分別接收所述兩組微通道板的倍增電子?？紤]到陽極輸出信號的高頻反射，導(dǎo)致信號失真，把陽極結(jié)構(gòu)單元設(shè)計成金屬柵網(wǎng)加金屬薄片的陽極結(jié)構(gòu)，或者采用微帶線陽極結(jié)構(gòu)。上述陽極實際上是雙陽極，如調(diào)節(jié)好兩組微通道板的增益(通過調(diào)節(jié)兩塊MCP及其間隙電壓是能夠?qū)崿F(xiàn)的)，可以采用單陽極結(jié)構(gòu)，即設(shè)計的單陽極為兩個金屬柵網(wǎng)加一個陽極片構(gòu)成，或者在一個基片的兩側(cè)制作微帶線陽極結(jié)構(gòu)，兩側(cè)面上的蛇形導(dǎo)電層與匹配的導(dǎo)線連接后，饋入陽極信號線。為了支撐聚焦電極、微通道板組件、陽極，特設(shè)計支撐柱，所述支撐柱將所述電子倍增器支撐到所述玻璃真空容器的內(nèi)部中心處，其形狀設(shè)計柱體，軸截面為圓形或矩形。考慮到屏蔽和給上述陰極、聚焦電極、微通道板以及陽極施加電壓，并把陽極信號通過引線引出，把所述支撐柱內(nèi)部設(shè)定為帶孔的絕緣材料，把聚焦電極、微通道板以及陽極的電壓引線和信號線通過所述支撐柱內(nèi)部孔引出。也為了確保環(huán)繞在支撐柱上端附近的光電子能充分進(jìn)入微通道板有效區(qū)域，支撐柱上端的外表面絕緣，其長度在15～35mm，下端外部為導(dǎo)電層，例如采用金屬包層或鍍層，通過固定三爪與陰極相連，并從下端與玻璃芯柱的規(guī)定插針實現(xiàn)電連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為：通過靜電聚焦電極和特殊設(shè)計的支撐柱把由光陰極產(chǎn)生的絕大多數(shù)光電子聚焦到微通道板組件的有效區(qū)域，降低了不同區(qū)域過來的光電子的渡越時間差；采用的微通道板組件是由兩對并列放置的兩塊微通道板以一定間隙并在間隙中施加電場構(gòu)成的電子倍增器，通過獨立調(diào)節(jié)微通道板組件各級電壓，實現(xiàn)高增益和好的單光電子譜；由此倍增的光電子最后由微帶線陽極或柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)陽極收集并從信號線引出，這種陽極的特殊設(shè)計有效地降低了信號失真。附圖說明圖1為本發(fā)明的光電倍增管的第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的光電倍增管第一實施例的支撐柱上端的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的光電倍增管第一實施例中整個組件的裝配圖。圖4為本發(fā)明的光電倍增管第一實施例中微通道板組件的剖面圖。圖5本發(fā)明采用的帶有輔助聚焦電極的組件及其支撐柱正視圖。圖6本發(fā)明采用的帶有輔助聚焦電極的微通道板及陽極組件剖面圖。圖7為本發(fā)明的光電倍增管的第一實施例中的微帶線陽極結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為第一實施例中的支撐柱。圖9為本發(fā)明的第二實施例中由微通道板及陽極組件構(gòu)型圖。圖10為本發(fā)明的第二實施例中微通道板及陽極組件的正視圖。圖11為本發(fā)明的第二實施例中組件、支撐柱固定連接方式正視圖。圖12為本發(fā)明光電倍增管的單光電子譜圖。(a)一組MCP+金屬柵網(wǎng)+金屬薄片，MCP@2000V、P/V～1.6，G＝1.5×107；(b)另一組MCP+金屬柵網(wǎng)+金屬薄片，MCP@2000V、P/V～1.55，G＝3.0×107；(c)一組MCP+微帶線單陽極結(jié)構(gòu)，MCP@2000V、P/V～2.6，G＝2.0×107；(d)另一組MCP+微帶線單陽極結(jié)構(gòu)，MCP@2000V、P/V～3.8，G＝7.5×107。圖13為兩MCP直接串聯(lián)獲得的光電子譜圖。(a)一組MCP+陽極結(jié)構(gòu)獲得的光電子譜圖；(b)另一組MCP+陽極結(jié)構(gòu)獲得的光電子譜圖。圖14為陽極光信號對比圖；其中，(a)為本發(fā)明陽極光信號圖，(b)傳統(tǒng)陽極光信號圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖及優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的實施例只用于舉例說明，并不限制本發(fā)明。如圖1所示，本發(fā)明的第一實施例的光電倍增管主要包括由玻璃構(gòu)成的球形或橢球形真空容器1、依附在玻璃內(nèi)表面的光陰極5、聚焦電極2、電子倍增器3、陽極6(見圖2)以及支撐柱4，聚焦電極2、電子倍增器3、陽極6通過陶瓷骨架7構(gòu)成一體(如圖2所示)，三者的中心共軸，且通過支撐柱4固定于所述真空容器1的中心處，支撐柱4通過三爪10以及下面的玻璃芯柱11固定。本發(fā)明的電子倍增器采用兩對并列放置的兩塊微通道板以一定間隙并在間隙中施加電場構(gòu)成的，以豎直布置的方式置于所述陽極6的兩側(cè)(見圖2)。圖3即為把電子倍增器3(實際上是微通道板組件)、陽極、聚焦電極通過陶瓷骨架7和壓簧18構(gòu)成一體，其中各電極環(huán)的引出端9從陶瓷骨架豁口處引出。兩塊微通道板(圖4中51、52和53、54)之間的間隙由微通道板電極環(huán)91和絕緣環(huán)墊片8的厚度確定，一般而言，絕緣環(huán)墊片8的厚度可以做到20μm(如氟金云母)，電極環(huán)的厚度也可以做到20μm，這樣，兩塊微通道板的最小間隙可以做到60μm，當(dāng)然，考慮到電極環(huán)91的強(qiáng)度，可以采用較厚的電極環(huán)，其厚度為0.1mm，這樣，絕緣環(huán)墊片8可以采用陶瓷環(huán)，厚度控制在0.3mm，由此得到微通道板之間的間隙為500μm。可見，微通道板的間隙通過電極環(huán)91和絕緣環(huán)墊片的厚度來調(diào)整，控制在60μm～500μm之間。另外，可以在間隙中施加電場，來控制從一塊MCP的輸出面到另一塊MCP的輸入面電子束斑的大小，進(jìn)而改善整過電子倍增器的增益，并提高其探測單光電子的峰谷比。這個電壓根據(jù)間隙大小、真空衛(wèi)生的好壞進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)間隙比較小時，施加的電壓較小，如間隙為60μm時，電壓可以加到50～100V，間隙為150μm時，電壓為150～300V,間隙為500μm時，電壓為800～1000V?？紤]到要把球形或橢球形陰極不同位置產(chǎn)生的光電子盡可能打到微通道板組件的有效區(qū)內(nèi)，在微通道板組件的外圍設(shè)計聚焦電極2，所述聚焦電極為薄金屬環(huán)帶，豎直環(huán)繞在所述電子倍增器外圍，其中心與微通道板同心。為了把與微通道板端面平行的光電子聚焦到該有效區(qū)域，在所述聚焦電極的外圍，設(shè)置一細(xì)金屬圓環(huán)15作為輔助聚焦電極(如圖5、圖6所示)，并與所述聚焦電極位于同一平面且同心。這種輔助聚焦電極往往在較小尺寸的光電倍增管中采用，如8吋、9吋的管型。由于兩組微通道板的增益可能不同，通過調(diào)整電壓，盡可能保證兩者增益一致，設(shè)計陽極6為兩個相同的結(jié)構(gòu)單元，分別接收所述兩組微通道板的倍增電子?？紤]到陽極輸出信號的高頻反射，導(dǎo)致信號失真，把陽極6制作成微帶線陽極結(jié)構(gòu)(如圖7所示)，該陽極包括蛇形導(dǎo)電層12、介電質(zhì)層13和金屬接地層14構(gòu)成，通過精確設(shè)計蛇形導(dǎo)電層12寬度、厚度、介電質(zhì)層13材料(考慮其介電常數(shù))的厚度，可以計算出其特性阻抗，再與阻抗匹配的導(dǎo)線聯(lián)接，進(jìn)而降低高頻信號在傳輸過程中的反射，獲得比較好的光電子信號。關(guān)于微帶線陽極的設(shè)計與制造，為本行業(yè)技術(shù)人員通用技術(shù)，在此不做過多闡述。為了支撐聚焦電極、微通道板組件、陽極，特設(shè)計支撐柱4，所述支撐柱將所述電子倍增器3及陽極6、聚焦電極2支撐到所述玻璃真空容器的內(nèi)部中心處，其形狀設(shè)計成圓柱形(見圖8)。考慮到屏蔽和給上述聚焦電極、微通道板以及陽極施加電壓，并把陽極信號通過引線引出，把所述支撐柱內(nèi)部設(shè)定為帶孔19的絕緣材料，把電壓引線和信號線通過所述支撐柱內(nèi)孔19引出。也為了確保環(huán)繞在支撐柱4與上述聚焦電極、微通道板以及陽極構(gòu)成的組件附近的光電子能充分進(jìn)入微通道板有效區(qū)域，芯柱上端的外表面17為絕緣層，其在8吋玻殼內(nèi)，長度設(shè)計為15～20mm，對于20吋玻殼，設(shè)計長度為24～35mm，下端外部為金屬包層16，在所述金屬包層通過固定的三爪10與光陰極5電連接，其下端與玻璃芯柱11相應(yīng)的插針實現(xiàn)電連接，這樣，三者通過該插針饋送的電壓，保持同電位。上述支撐柱本體材料選擇陶瓷圓柱筒，其外表面導(dǎo)電層(金屬層)可以采取電鍍或真空鍍膜的方式，該金屬膜層，確保打到該處的電子能夠?qū)С觥１景l(fā)明的第二實施例的光電倍增管主體結(jié)構(gòu)與第一實施例相同，只是內(nèi)部聚焦電極、微通道板組件、陽極以及支撐柱的結(jié)構(gòu)有部分改變，表現(xiàn)在微通道板及其陽極夾具的變化上，如圖9所示即為該組件的對稱部分的一半，該夾具82包括陶瓷骨架107、陽極片200、絕緣環(huán)201、金屬柵網(wǎng)202、第一電極環(huán)203、微通道板105、第二電極環(huán)204、絕緣環(huán)墊片205、第三電極環(huán)206、微通道板105、壓環(huán)電極環(huán)207、固定蓋板108、壓蓋聚焦環(huán)104和骨架蓋板103(骨架107的另一側(cè)具有對稱的結(jié)構(gòu)，圖9展示的骨架107其中一側(cè)的結(jié)構(gòu))。在陶瓷骨架107的凹槽內(nèi)，依次安裝陽極片200、絕緣環(huán)201、金屬柵網(wǎng)202、絕緣環(huán)201、第一電極環(huán)203、微通道板105、第二電極環(huán)204、絕緣環(huán)墊片205、第三電極環(huán)206、微通道板105、壓環(huán)電極環(huán)207、固定蓋板108、壓蓋聚焦環(huán)104，隨后用螺釘通過螺孔102固定在陶瓷骨架107的凹槽內(nèi)。兩個微通道板及陽極夾具82疊加在一起并應(yīng)用螺絲通過螺孔102固定在一起，組成微通道板及陽極組件10A(見圖10)。微通道板及陽極夾具82使得微通道板具有一個電子收集面，即，微通道板具有2π的電子收集立體角，把兩個微通道板及陽極夾具82疊加在一起組成微通道板及陽極組件10A，使得該組件10A具有兩個電子收集面，即該組件10A具有4π的電子收集立體角。在微通道板及陽極夾具82中，優(yōu)選絕緣環(huán)墊片205厚度為20-300μm，作為這種絕緣材料，如厚度要求比較薄的，例如100μm以內(nèi)的，宜選氟金云母，超過這個數(shù)值，也可以選擇陶瓷，考慮到金屬電極環(huán)的厚度最小可加工到20μm，這樣，兩塊微通道板間隙厚度是第二電極環(huán)204、絕緣環(huán)墊片205、第三電極環(huán)206三者厚度之和，考慮到電極環(huán)厚度超過0.2mm剛性大而不合適，這樣整過間隙的厚度在60～500μm。如同第一實施例一樣，間隙電壓的調(diào)整范圍也在50V～1000V。這里的陽極結(jié)構(gòu)單元是由金屬柵網(wǎng)202和陽極片200構(gòu)成。將金屬聚焦電極環(huán)106環(huán)繞在所述微通道板及陽極組件10A上，并固定于骨架蓋板103內(nèi)，并確保聚焦電極環(huán)所在的平面與所述微通道板及陽極組件10A中心橫截面在一個平面內(nèi)且同心，爾后把帶有金屬聚焦電極環(huán)的微通道板及陽極組件10A通過骨架蓋板孔102與支撐柱101通過螺釘固定(見圖11)，支撐架101是一個橫截面為長方形內(nèi)部有孔的柱形陶瓷體，如同本發(fā)明第一實施例所描述的那樣，內(nèi)孔用于把聚焦電極、微通道板以及陽極電壓引線和陽極信號引出，支撐柱101上端裸露而下端的導(dǎo)電層采用包上導(dǎo)電材料(如不銹鋼皮)，其裸露部分連同蓋板部分的長度與第一實施例相同。支撐柱101下端焊接在固定底座上100上，其細(xì)節(jié)與一般光電倍增管制作工藝相當(dāng)，在此不作展開說明。注意：本實施例中壓蓋聚焦環(huán)104相當(dāng)于實施例1中的聚焦電極環(huán)2，而其聚焦環(huán)106則相當(dāng)于實施例1中的輔助聚焦電極環(huán)15。上述兩個實施例中均采用兩個陽極，也可以采用一個陽極，采用單陽極結(jié)構(gòu)，即設(shè)計的單陽極為兩個金屬柵網(wǎng)加一個陽極片構(gòu)成，或者在一個基片的兩側(cè)制作微帶線陽極結(jié)構(gòu)，兩側(cè)面上的蛇形導(dǎo)電層與匹配的導(dǎo)線連接后，饋入信號線。通過兩個實施例，獲得的單光電子譜(如圖12)，其中圖12(a)為實施例1中的一組MCP+金屬柵網(wǎng)+金屬薄片獲得的單光電子譜，整個組件的電壓為2000V(為了方便，記作MCP@2000V)時、單光電子峰谷比P/V～1.6，增益G＝1.5×107；而圖12(b)則為本實施例同一個MCP-PMT另一組MCP+金屬柵網(wǎng)+金屬薄片，其MCP@2000V時、P/V～1.55，G＝3.0×107；圖12(c)第二實施例中一組MCP+微帶線單陽極結(jié)構(gòu)，當(dāng)MCP@2000V時、P/V～2.6，G＝2.0×107；圖12(d)與圖12(c)為同一MCP-PMT的另一組MCP+微帶線單陽極結(jié)構(gòu)，當(dāng)MCP@2000V時、其P/V～3.8，G＝7.5×107。直接串聯(lián)的MCP，其光電子譜如圖13所示，其中圖13(a)為一組MCP+陽極構(gòu)成的組件，其增益為5.7×105，測不出臺階，因而探測不到單光電子，更談不上峰谷比的數(shù)值了，圖13(b)為另一組MCP+陽極構(gòu)成的組件，其增益為1.8×105，也測不出臺階，照樣探測不到單光電子，盡管在信號引出端增加了放大器。改變傳統(tǒng)的金屬陽極結(jié)構(gòu)，通過本發(fā)明獲得的光電子信號，高頻反射小，如圖14(a)所示，而早期采用的傳統(tǒng)的金屬陽極結(jié)構(gòu)，得到的信號震蕩明顯，見圖14(b)。