本發(fā)明涉及光電探測器件領(lǐng)域，具體而言涉及一種高量子效率的微通道板型光電倍增管及其制備方法。

背景技術(shù)：

光電倍增管是一種光探測器件，能夠廣泛應用于極微弱光探測、光子探測、化學發(fā)光、生物發(fā)光等研究領(lǐng)域，具有探測效率高，時間分辨率高等特點。光電倍增管作為一種真空器件，主要包括光電陰極、聚焦電極、電子倍增器等組成。光電倍增管的核心部分是光電陰極，其主要性能參數(shù)為量子效率(量子效率指光電陰極每接收100個光子所能發(fā)射的光電子數(shù))，量子效率越高，光電倍增管的探測效率就越高，信噪比就越好。目前用于可見光波段微弱光探測的光電倍增管普遍使用K₂CsSb雙堿光電陰極。

而高量子效率的光電陰極制備方法與其各種物理特性、結(jié)構(gòu)成分的關(guān)系仍然是個難題，特別是對光電陰極的表面結(jié)構(gòu)的認識一直存在爭議，采用現(xiàn)代分析儀器，例如AES、XPS、UPS和ESCA所得到的結(jié)論差別也很大。其主要原因是利用不同的制備工藝可以導致不同的表面結(jié)構(gòu)或成分。

光電倍增管的制備主要的方法有光電流監(jiān)控法和反射率監(jiān)控法，技術(shù)熟練的操作人員可以根據(jù)光電流的大小和光電陰極薄膜顏色變化來判斷膜層的生長過程；后者在光電陰極制備和研究中可以得到更多的信息，通過求解折射率、消光系數(shù)，可以得到反射率和膜層厚度的關(guān)系。無論是光電流監(jiān)控還是反射率監(jiān)控的方法，都是針對真空蒸鍍法制備工藝，光電流監(jiān)控和發(fā)射率監(jiān)控相結(jié)合，將更加有利于實現(xiàn)對光電陰極鍍膜過程中關(guān)鍵參數(shù)的精確控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種高量子效率的微通道板型光電倍增管及其制備方法。

本發(fā)明的上述目的通過獨立權(quán)利要求的技術(shù)特征實現(xiàn)，從屬權(quán)利要求以另選或有利的方式發(fā)展獨立權(quán)利要求的技術(shù)特征。

為達成上述目的，本發(fā)明提出一種高量子效率的微通道板型光電倍增管，包括：

玻璃真空容器；

用來探測光信號并產(chǎn)生光電子的雙堿光電陰極；

用來加速光電陰極發(fā)射出來光電子并對其運行軌跡進行校正的聚焦電極；

用來接收聚焦電極匯聚的光電子并產(chǎn)生增殖電子的微通道板型電子倍增極；

用來供電給所述光電陰極、聚焦電極和微通道板型電子倍增器電子倍增極的供電極；

其中，所述光電陰極、聚焦電極、微通道板型電子倍增極置于所述玻璃真空容器內(nèi)，所述供電極穿過所述玻璃真空容器與外部電路相連。

所述玻璃真空容器是一種透光容器，所述雙堿光電陰極覆蓋在所述玻璃真空容器內(nèi)表面上。

所述聚焦電極置于所述玻璃真空容器中心偏下位置，匯聚所述光電陰極產(chǎn)生的光電子。

所述微通道板型電子倍增極電子倍增器置于所述玻璃真空容器中心一定距離以下，接收所述光電陰極產(chǎn)生的光電子并產(chǎn)生增殖電子。

高量子效率的光電倍增管，要求雙堿光電陰極具有較完整的陰極結(jié)構(gòu)和成分，其制備步驟是：

將已經(jīng)鍍好反光膜的玻璃真空容器安裝到鐘罩式真空系統(tǒng)中，該系統(tǒng)內(nèi)部分別設(shè)置多個環(huán)狀、條狀的鎧裝絲和熱電偶，保證玻璃真空容器頂端、四周和中心位置的溫度均勻性，在玻璃真空容器的正上方的鐘罩安裝石英棒，石英棒一端接觸到玻璃真空容器頂端，另一端連接用于測量反射率的光纖；

在玻璃真空容器下半球內(nèi)表面上蒸鍍反光膜，從上半球入射的光從會首先被上半球光電陰極吸收，透過的部分會被下半球的反光膜反射回光電陰極進行二次吸收，當光照射在光電陰極上時，光電陰極吸收入射光子并從表面發(fā)射出電子，電子會在光電陰極與聚焦電極之間的電場作用下被聚焦電極收集，然后通過微通道板型電子倍增極進行電子增殖，最終在陽極接收并形成光電流信號；

然后將包括鉀源、銫源和銻球的陰極組件伸入到玻璃真空容器中，同時調(diào)整銻球在玻璃真空容器中赤道平面偏下的位置；當溫度從大于300℃的烘烤溫度降低到小于100℃溫度時，調(diào)節(jié)照明燈電流為5.5A，電壓為106V，然后開始進行鉀源、銫源和銻球除氣，電流分別為3.5A、2.0A和0.5A，然后按照0.2A/分鐘的增長速度調(diào)整鉀源電流，當?shù)竭_5.5A時，鉀蒸汽開始析出并吸附在玻璃真空容器內(nèi)表面上，此時監(jiān)測的光電流曲線開始上升，當光電流達到峰值保持恒定時，玻璃真空容器內(nèi)部鉀的含量趨于飽和，整個底鉀蒸鍍過程的反射率保持不變；接著進行鉀與銻同時蒸鍍，保持底鉀電流不變逐漸增加銻球電流，當光電流開始上升并保持斜率在50°～70°之間時，銻球電流約為1.7A，然后按照0.05A/每分鐘的增長速度調(diào)整鉀源電流，按照0.1A/每30分鐘增加銻球電流，使光電流維持50°～70°斜率的上升趨勢，此步驟反射率先下降到初始值的95％后開始上升，總時間約為1.5到2小時，此時在玻璃真空容器內(nèi)表面形成良好的K₃Sb光電陰極結(jié)構(gòu)，顏色呈淡紫色；接著將銻球電流增加0.5A，使光電流下降到最大值的一半，增加鉀源電流到7.8A，此時光電流曲線和反射率曲線均開始上升直到反射率曲線上升到底鉀階段的1到2倍左右，關(guān)閉銻球電流，此時光電陰極形成了最佳的K₃Sb陰極厚度；在保持一段時間后開始進行銫的蒸鍍，初始電流為4.5A，按照0.1A/分鐘增加到7A，光電流繼續(xù)上升，此時顏色由淡紫色逐漸轉(zhuǎn)為黃色，經(jīng)過1小時后，反射率上升到初始值的1.8倍，即銫原子充分將鉀原子從陰極表面置換形成了K₂CsSb光電陰極結(jié)構(gòu)；最后將銫源電流和銻球電流分別設(shè)置為4.8A和2.4A，使光電流繼續(xù)上升到最大，結(jié)束整個制備過程。

最終，通過本發(fā)明制備的光電倍增管的量子效率將從20％提高到30％以上。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：

1)本發(fā)明的微通道板型光電倍增管，光電陰極、聚焦電極、電子倍增極為軸對稱結(jié)構(gòu)，并且旋轉(zhuǎn)對稱軸共軸，該結(jié)構(gòu)形成軸對稱聚焦電場，光電陰極各個位置產(chǎn)生的光電子能夠入射到電子倍增極中并進行增殖。

2)本發(fā)明的高量子效率光電倍增管的光電陰極制備方法，采用鉀和銻共同蒸鍍的方法，二者反應充分可以使光電陰極結(jié)構(gòu)均勻。

3)本發(fā)明的高量子效率光電倍增管的光電陰極制備方法，采用光電流監(jiān)控，可以有效控制鉀和銻共同蒸鍍過程中二者的比例，從而形成良好的K₃Sb結(jié)構(gòu)。

4)本發(fā)明的高量子效率光電倍增管的光電陰極制備方法，采用反射率監(jiān)控，可以有效控制光電陰極蒸鍍過程中的膜層厚度，根據(jù)反射率節(jié)點進行蒸鍍，有利于降低操作人員主觀判斷導致的差異。

應當理解，前述構(gòu)思以及在下面更加詳細地描述的額外構(gòu)思的所有組合只要在這樣的構(gòu)思不相互矛盾的情況下都可以被視為本公開的發(fā)明主題的一部分。另外，所要求保護的主題的所有組合都被視為本公開的發(fā)明主題的一部分。

結(jié)合附圖從下面的描述中可以更加全面地理解本發(fā)明教導的前述和其他方面、實施例和特征。本發(fā)明的其他附加方面例如示例性實施方式的特征和/或有益效果將在下面的描述中顯見，或通過根據(jù)本發(fā)明教導的具體實施方式的實踐中得知。

附圖說明

附圖不意在按比例繪制。在附圖中，在各個圖中示出的每個相同或近似相同的組成部分可以用相同的標號表示。為了清晰起見，在每個圖中，并非每個組成部分均被標記。現(xiàn)在，將通過例子并參考附圖來描述本發(fā)明的各個方面的實施例，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的微通道板型光電倍增管的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的微通道板型光電倍增管的制備流程圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的微通道板型光電倍增管反射率曲線圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的微通道板型光電倍增管光電流曲線圖。

具體實施方式

為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。

在本公開中參照附圖來描述本發(fā)明的各方面，附圖中示出了許多說明的實施例。本公開的實施例不必定意在包括本發(fā)明的所有方面。應當理解，上面介紹的多種構(gòu)思和實施例，以及下面更加詳細地描述的那些構(gòu)思和實施方式可以以很多方式中任意一種來實施，這是因為本發(fā)明所公開的構(gòu)思和實施例并不限于任何實施方式。另外，本發(fā)明公開的一些方面可以單獨使用，或者與本發(fā)明公開的其他方面的任何適當組合來使用。

結(jié)合圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的實施例，一種微通道板型光電倍增管包括真空玻璃容器1，雙堿光電陰極2，反光膜3，聚焦電極4，微通道板型電子倍增極5以及供電極6。

本發(fā)明的雙堿光電陰極2，反光膜3，聚焦電極4，電子倍增極5極均置于玻璃真空容器1中。

所述玻璃真空容器1可以為球形或者橢球形，內(nèi)部保持真空狀態(tài)，本實施例以橢球形玻璃真空容器1來詳細說明本發(fā)明。

雙堿光電陰極2，置于所述玻璃真空容器1上半球內(nèi)表面上、用來接收光子并產(chǎn)生電子。雙堿光電陰極2的厚度依據(jù)具體使用需要而定。

反光膜3，置于所述玻璃真空容器1下半球內(nèi)表面上。

聚焦電極4，置于所述玻璃密封容器1之內(nèi)用來收集電子。聚焦電極4上平面位于所述玻璃真空容器1中心赤道偏下位置，可以保證陰極面2不同位置產(chǎn)生的光電子到電子倍增極5的渡越時間差別較小。

微通道板型電子倍增極5，置于所述聚焦電極4后端用來產(chǎn)生增殖電子。電子倍增極5位于所述聚焦電極4正下方，為多片微通道板疊加而成。

電子倍增極5與聚焦電極4之間通過點焊方式固定，所述雙堿光電陰極2、聚焦電極4、電子倍增極5通過金屬支撐帶進行位置固定并與供電極6連接。

供電極6，置于所述玻璃真空容器1尾部、用來供電給所述雙堿光電陰極2、聚焦電極4和微通道板型電子倍增極5。

如圖1，雙堿光電陰極2、聚焦電極4和微通道板型電子倍增極5均置于所述玻璃真空容器內(nèi)。

電極6穿過所述玻璃真空容器與外部電路相連。

雙堿光電陰極2、聚焦電極4和微通道板型電子倍增極5均為軸對稱結(jié)構(gòu)，并且旋轉(zhuǎn)對稱軸共軸。

作為可選的例子，玻璃真空容器1為一球形或者橢球形的低本底容器,直徑大于等于8吋并且小于等于30吋。

玻璃真空容器1下半球內(nèi)表面設(shè)置有由金屬鋁或者金屬銀形成的反光膜3。

雙堿光電陰極2，由鉀、銫等堿金屬材料與銻構(gòu)成的三元化合物半導體膜層，厚度在1nm～1000nm之間。

雙堿光電陰極2，占總數(shù)70％～100％的電子出射方向與入射光方向一致，并且0～30％的電子出射方向與入射光方向相反。

聚焦電極4為尺寸大于電子倍增極2的金屬擴張型聚焦極結(jié)構(gòu)。

電子倍增極5采用多片微通道板串聯(lián)疊加的連接方式，每片微通道板兩端單獨施加電壓在50～1000V之間。微通道板之間采用云母片隔絕，所述云母片開有供電子通過的通孔。

根據(jù)本公開，結(jié)合圖2，還涉及一種微通道板型光電倍增管的制備方法，其中的反光膜和雙堿光電陰極的制備包括以下步驟：

第一步、在常溫環(huán)境下，對所述玻璃真空容器1進行反光膜3的蒸鍍；

第二步、在大于300℃溫度下，對所述玻璃真空容器1進行高溫烘烤除氣；

第三步、在小于100℃溫度下，對鉀源、銫源和銻球進行除氣；

第四步、在小于100℃溫度下，進行底鉀蒸鍍；

第五步、在100℃～250℃溫度之間，進行鉀與銻同時蒸鍍；

第六步、在100℃～250℃溫度之間，進行鉀與銻交替蒸鍍；

第七步、在100℃～200℃溫度之間，進行銫蒸鍍；

第八步、在100℃～200℃溫度之間，進行銫與銻同時蒸鍍；

并且，在前述鉀、銫和銻的蒸鍍過程中，采用光電流與反射率同時監(jiān)控的方法來控制玻璃真空容器內(nèi)的雙堿光電陰極的膜層蒸鍍。

優(yōu)選地，在所述第一步進行反光膜3蒸鍍時，進行反射率監(jiān)控，隨著反光膜3厚度增加使其反射率大于70％。

優(yōu)選地，在所述第二步中，所述玻璃真空容器1周圍的溫度非均勻性小于2％；在大于300℃的溫度下保持8小時以上，同時烘烤的還有堿金屬源和銻球以及所述聚焦電極4、微通道板電子倍增極。

優(yōu)選地，所述底鉀蒸鍍之前，調(diào)節(jié)照明燈電流為5.5A，電壓為106V，鉀源、銫源和銻球分別采用3.5A、2.0A和0.5A的除氣電流。

優(yōu)選地，在所述第四步中，在3.5A基礎(chǔ)上，按照一定的增長速度調(diào)整鉀源電流，使得光電流上升，當光電流達到峰值后進行升溫，光電流再次上升一段后開始下降，保持整個過程中的反射率小幅減小后保持不變。

優(yōu)選地，在所述第五步，調(diào)整鉀源電流和銻球電流，使得光電流繼續(xù)保持一定斜率的上升趨勢，該階段的反射率先下降到初始值的95％以下然后開始緩慢上升。

優(yōu)選地，在所述第六步，將所述第五步的銻球電流增加0.5A，光電流下降到一半大小時關(guān)閉銻球電流，然后增加鉀源電流到7.8A，使光電流重新上升到最大值后，關(guān)閉鉀源電流，該步驟的反射率曲線需上升到初始值的1.4倍，如果沒有達到，再次重復鉀與銻交替蒸鍍。

優(yōu)選地，在所述第七步，所述銫蒸鍍的電流初始為4.5A，然后按照一定的增長速度到7A，此時光電流繼續(xù)上升，該階段需使反射率上升到初始值的1.8倍為止。

優(yōu)選地，在所述第八步，保持銫電流和銻球電流分別為4.8A和2.4A，使光電流繼續(xù)上升到最大后結(jié)束整個制備過程。

根據(jù)本公開，我們還更加具體地涉及一種雙堿光電陰極的制備方法以及由其制備的光電陰極。結(jié)合圖2所示，雙堿光電陰極的制備方法包括：

將已經(jīng)鍍好反光膜的玻璃真空容器安裝到鐘罩式真空系統(tǒng)中，該系統(tǒng)內(nèi)部分別設(shè)置多個環(huán)狀、條狀的鎧裝絲和熱電偶，保證玻璃真空容器頂端、四周和中心位置的溫度均勻性，在玻璃真空容器的正上方的鐘罩安裝石英棒，石英棒一端接觸到玻璃真空容器頂端，另一端連接用于測量反射率的光纖；

然后將包括鉀源、銫源和銻球的陰極組件伸入到玻璃真空容器中，同時調(diào)整銻球在玻璃真空容器中赤道平面偏下的位置；

當溫度從大于300℃的烘烤溫度降低到小于100℃溫度時，調(diào)節(jié)照明燈電流為5.5A，電壓為106V，然后開始進行鉀源、銫源和銻球除氣，電流分別為3.5A、2.0A和0.5A；

然后按照0.2A/分鐘的增長速度調(diào)整鉀源電流進行底鉀蒸鍍，當?shù)竭_5.5A時，鉀蒸汽開始析出并吸附在玻璃真空容器內(nèi)表面上，此時監(jiān)測的光電流曲線開始上升，當光電流達到峰值保持恒定時，玻璃真空容器內(nèi)部鉀的含量趨于飽和，整個底鉀蒸鍍過程的反射率保持不變；

接著進行鉀與銻同時蒸鍍，保持底鉀電流不變逐漸增加銻球電流，當光電流開始上升并保持斜率在50°～70°之間時，銻球電流約為1.7A，然后按照0.05A/每分鐘的增長速度調(diào)整鉀源電流，按照0.1A/每30分鐘增加銻球電流，使光電流維持50°～70°斜率的上升趨勢，此步驟反射率先下降到初始值的95％后開始上升，總時間約為1.5到2小時，此時在玻璃真空容器內(nèi)表面形成良好的K₃Sb光電陰極結(jié)構(gòu)，顏色呈淡紫色；

接著將銻球電流增加0.5A，使光電流下降到最大值的一半，增加鉀源電流到7.8A，此時光電流曲線和反射率曲線均開始上升直到反射率曲線上升到底鉀階段的1到2倍左右，關(guān)閉銻球電流，此時光電陰極形成了最佳的K₃Sb陰極厚度；

在保持一段時間后開始進行銫的蒸鍍，初始電流為4.5A，按照0.1A/分鐘增加到7A，光電流繼續(xù)上升，此時顏色由淡紫色逐漸轉(zhuǎn)為黃色，經(jīng)過1小時后，反射率上升到初始值的1.8倍，即銫原子充分將鉀原子從陰極表面置換形成了K₂CsSb光電陰極結(jié)構(gòu)；

最后將銫源電流和銻球電流分別設(shè)置為4.8A和2.4A，使光電流繼續(xù)上升到最大，結(jié)束整個制備過程。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的微通道板型光電倍增管反射率曲線圖。

圖中，前2小時為玻璃真空容器1高溫烘烤后的自動降溫過程以及所述鉀源、銫源和銻球除氣過程；在第2.2小時開始反射率曲線下降，即為所述底鉀蒸鍍過程；在第3小時，反射率曲線先下降然后緩慢上升，即為所述鉀與銻共同蒸鍍過程；在第4.4小時，反射率曲線上升到最大值然后保持水平，即為所述鉀與銻交替蒸鍍過程；在第5.9小時，反射率從保持水平轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖偕仙?，即為所述進銫蒸鍍過程。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的微通道板型光電倍增管光電流曲線圖。需要注意的是，本實例與圖3反射率曲線是相互獨立的。

圖中，前1.5小時為玻璃真空容器1高溫烘烤后的自動降溫過程以及所述鉀源、銫源和銻球除氣過程，可以看到玻璃真空容器1以及鉀源、銫源和銻球的放氣會導致光電流曲線呈不規(guī)則起伏；在第1.5小時，光電流曲線先上升后下降，即為所述底鉀蒸鍍過程；在第2.2小時，光電流曲線呈斜率50°￣70°的上升趨勢，即為所述鉀與銻的共同蒸鍍過程；在第3.7小時，光電流曲線先下降后上升，然后再次下降，即為所述鉀與銻交替蒸鍍過程中，第二次下降過程主要是由于將照明燈改成單色光照明所致；在第5.1小時，光電流曲線呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，即為所述進銫蒸鍍過程；在第7小時，光電流呈現(xiàn)大幅上升趨勢，即為所述銫與銻共同蒸鍍過程。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當視權(quán)利要求書所界定者為準。