光电倍增管双电位聚焦系统设计研究.pdf

V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 基金项目:国家重点研发计划资助项目(Y F F ,Y F F );国家自然科学基金项目(U )理论设计光电倍增管双电位聚焦系统设计研究张杰,王浩东,邓涛,曹磊,朱德飞,方莉(南京三乐集团有限公司,江苏 南京 )摘要:光电倍增管聚焦系统收集效率是影响光电倍增管性能的关键因素.本文提出了一种双电位聚焦技术,通过二次聚焦,将光电阴极产生的电子束进一步聚焦,通过C OM S O L M u l t i p h y s i c s仿真软件对电位差、聚焦极直径、高度等参数进行了仿真优化,使得收集效率可达 以上.通过装管验证,光电倍增管增益提高了 .关键词:光电倍增管;聚焦系统;双电位;收集效率中图分类号:T N ;O 文献标识码:A文章编号:()d o i:/j c n k i c n /t n D e s i g na n dR e s e a r c ho fD u a lP o t e n t i a lF o c u s i n gS y s t e mf o rP h o t o m u l t i p l i e rT u b e sZ HANGJ i e,WANG H a o d o n g,D E NGT a o,C AOL e i,Z HUD e f e i,F ANGL i(N a n j i n gS a n l eG r o u pC o L t d,N a n j i n gJ i a n g s u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo f t h e f o c u s i n gs y s t e mi sak e yf a c t o ra f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep h o t o m u l t i p l i e r t u b e Ad u a l p o t e n t i a l f o c u s i n gt e c h n i q u e i sp r o p o s e d,w h i c hf u r t h e r f o c u s e s t h ee l e c t r o nb e a mg e n e r a t e db yt h ep h o t o c a t h o d et h r o u g hs e c o n d a r yf o c u s i n g T h eC OM S O L M u l t i p h y s i c ss o f t w a r e i su s e dt os i m u l a t ea n do p t i m i z ep a r a m e t e r ss u c ha sp o t e n t i a ld i f f e r e n c e,f o c u s i n ge l e c t r o d ed i a m e t e ra n dh e i g h t,r e s u l t i n g i nac o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo fo v e r T h ep r o t o t y p et u b ev e r i f i c a t i o ns h o w st h eg a i no f t h ep h o t o m u l t i p l i e r t u b e i s i n c r e a s e db y K e y w o r d s:P h o t o m u l t i p l i e rt u b e,F o c u s i n gs y s t e m,D u a lp o t e n t i a l f o c u s i n gs y s t e m,C o l l e c t i o ne f f i c i e n c y光电倍增管是一种用于将微弱光信号转换成电信号并进行放大 倍的真空光电器件.光电阴极接收光信号产生光电子,通过聚焦系统收集进入倍增系统,逐级倍增放大后输出为可测电信号.在透射式阴极的光电倍增管中,大部分透射式阴极的面积数倍于第一倍增极的面积,如要接收全部光电子,就需有特殊的聚焦系统.聚焦系统的主要作用对光电阴极内表面产生的光电子收敛、加速,收集于第一倍增极.收集到第一倍增极电子数与光电阴极产生的光电子数之间的比率称为收集效率,一般用来衡量光电倍增管对光电子的收集能力.通过提高收集效率可使得更多光电子进入倍增系统,从而提高光电倍增管的输出电流.本文利用C OM S O L M u l t i p h y s i c s仿真软件针对光电阴极尺寸为 mm,管壳尺寸为 mm的光电倍增管的聚焦系统结构进行 D建模,并对电位分布和粒子轨迹进行了三维仿真,分别拟合了收集效率与聚焦极尺寸和电位的关系曲线,设计了一款高收集效率的收集系统结构.工作原理光电倍增管是一种光敏电真空器件,这种器件可把微弱的紫外光、可见光、红外辐射能转变成电讯号并加以放大.它是由光电阴极、聚焦系统、倍增系统和输出系统组成,典型结构和工作原理图如图真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 所示.图光电倍增管典型结构图光电阴极是受到辐射照射能发射光电子的光敏层.倍增极是受到初级电子轰击时能发射出次级电子且次级发射系数大于的活性电极.光电阴极与第一倍增极之间的结构称为聚焦系统,一般由聚焦极构成.倍增极按一定的几何位置排列而构成倍增系统,末级倍增极和阳极构成输出系统.为了收集从光电阴极到第一倍增极和第一倍增极到以下各级倍增极的电子,需利用带电粒子在电场和磁场中运动的规律来解决.根据处于电场和磁场中的电子运动方程,磁场作用于电子的力垂直于它的速度,所以要改变电子能量,只有改变电场作用力.电子在静电场中所增加的能量We(VV)()式中:e为电子电荷;V和V分别为电子路程起点和终点的场电位.当电子沿着成等位面移动时,不能改变速度.为了计算电子在电场中的运动轨迹,必须知道电子在每一点的电位.如果电子在空间运动,在某一界面上空间电位突然发生变化(如图所示),那么沿此界面法线方向的作用力,将使电子的法向速度分量发生改变,而电子的切向速度分量不变,它的合成速度可用式()计算:vs i nvs i n()式中:v和v分别为电子到达界面前后的速度,和分别为入射角和折射角.因为电子的动能为m ve V()所以s i ns i nvvVV()vtvnvtv2vnv1vv图带电粒子通过两个等位区的界面对任意静电场来说(如图所示),只有在等位面处,电子轨迹才会突然发生变化.因此,一般通过对聚焦系统的电势分布进行优化来提高光电子的收集效率,而电势分布又取决于各个倍增极的形状和相对电位.v1v2v1v3v2v4v3图电子轨迹在等位面上产生折射为了把来自光电阴极的电子尽其可能地收集到比光电阴极面小若干倍的第一倍增极工作面上,必须对影响电子轨迹的各种参数进行精准设计.本文将利用C OM S O LM u l t i p h y s i c s软件在传统聚焦系统的基础上对聚焦极直径、高度和电位三个方面进行优化.模型建立与仿真计算 双电位聚焦系统建模经典聚焦结构中(如图所示),光电阴极直径D、第一倍增极接收面到光电阴极间距h,D/h .本次研究选用光电倍增管D mm(曲率半径RD),h mm.图典型聚焦系统结构图V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 研究的光电倍增管工作时,在光电阴极施加负高压,末极接地,通过分压电阻控制各个倍增极上的电位.经典聚焦结构中,在光电阴极与第一倍增极之间的玻壳内表面区域蒸镀导电层(通常为铝层),并与阴极等电位,低于第一倍增极上的电位,对光电子进行聚焦.这种单电位聚焦方式对于 mm光电阴极仿真计算收集效率仅约 (阴极和第一倍增极电位差 V),因此需要对聚焦结构进行优化.在经典聚焦结构的基础上,增加直径为Df、高度为Hf的聚焦极(杯形聚焦筒),装配在玻壳导电层和第一倍增极之间,并施加电位Vf,Vf大小介于阴极和第一倍增极电位之间(如图所示),形成相对于第一倍增极的双电位聚焦,可对阴极光电子进一步汇聚,聚焦效率可明显提升.图双电位聚焦系统结构示意图 聚焦极尺寸对收集效率的影响分析为了进一步对杯形聚焦筒的尺寸进行优化,将聚焦筒直径Df分别设置为 、mm,并进行仿真计算(阴极和聚焦极电位差 V),结果如表所示.表不同聚焦筒直径的收集效率聚焦筒直径Df/mm收集效率/66.9079.6084.9080.4068.806065707580859020212223242526/%Df/mm图聚焦筒直径Df与收集效率趋势图从表不同聚筒直径的收集效率可以看出,随着聚焦筒直径的增加,收集效率逐渐提升.当直径大于 mm时,随着直径的增加,收集效率迅速下降(如图所示).因此,聚焦筒的最佳直径选取为 mm.保持聚焦筒直径 mm不变,将聚焦筒高度Hf分 别 设 置 为 、mm,并进行仿真计算(阴极和聚焦极电位差 V),结果如表所示.表不同聚焦筒高度的收集效率聚焦筒高度Hf/mm收集效率/聚焦筒高度Hf/mm收集效率/从表不同聚焦筒高度的收集效率可以看出,当聚焦筒高度在 mm之间时,收集效率标准差 ,无明显变化.直至聚焦筒高度超过一定值后,聚焦效率才会明显下降(如图所示).根 据 仿 真 结 果,聚 焦 筒 高 度 最 终 确 认 为 mm.聚焦筒和阴极电位差对收集效率的影响分析在聚焦极尺寸优化为直径Df mm、Hf mm的基础上,对聚焦筒与阴极之间的电位差进行仿真计算.保持其他倍增极之间电位差不变,将阴极和聚焦极之间电位差分别设置为、V,并进行仿真计算,结果如表所示.真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S /%Df/mm80.20 81.10 82.0081.80 80.60 76.8075777981838510.511.512.513.514.515.516.517.5图聚焦筒高度Hf与收集效率趋势图表不同聚焦筒与阴极电位差下收集效率电位差/V收集效率/电位差/V收集效率/6.9092.1084.9078.6072.3068.5065.6002040608010050100150200250300/%/V图电位差与收集效率趋势图从表不同聚焦筒与阴极电位差下收集效率可得出,与传统聚焦结构相比,在收集电压同样为 V时,增 加 聚 焦 筒 后 收 集 效 率 可 从 提 高 至 ,改善效果明显.另外,当聚焦筒与阴极电位差为时,收集效率仅 ,几乎没有收集效果.当聚焦筒与阴极之间具备一定电位差时,阴极电子收集效果明显提升,随着电位差逐渐增大,收集效率不断降低.根据图电位差与收集效率趋势图可得,当 收 集 电 压 V时,收 集 效 率 最 高 可 达 .根据仿真结果,阴极和聚焦极之间电位差确认为 V,最终聚焦系统电势分布和电子运动轨迹如图所示.(a)(b)图双电位聚焦的电势分布与电子运动轨迹模拟结果从图可以看出,光电子在阴极表面均匀分布,在双电位聚焦结构形成的电场力作用下,被聚拢收集至第一倍增极,聚焦后的电子束几乎全部落在第一倍增极接收面上,聚焦作用明显.双电位聚焦系统工程应用结果分析为了将双电位聚焦系统应用至光电倍增管进行装管验证,梳理了影响光电倍增管增益的主要因素包括:聚焦系统结构、倍增系统结构、输出系统结构和发射层二次电子发射系数.为了排除聚焦系统结构以外其他因素,采用相同的倍增系统和输出系统结构,并采用同一批次敏化的铜铍合金材料保证倍增极二次电子发射系数的一致性.在规避影响增益的其他因素后,分别采用传统聚焦系统结构和双电位聚焦系统结构装配光电倍增管只,排 气激活后进 行测试,增益 分布如下表所示.表聚焦系统优化后实测增益对比表参数传统聚焦系统双电位聚焦系统 参数变化率/增益最小值 增益最大值 增益平均值 表为聚焦系统优化前后实测增益数值.由表中可以得出,在控制其他影响因素不变的情况下,采用优化后的双电位聚焦系统的样管增益最小值大于传统聚焦系统样管增益最大值,只样管增益平均值提高了 ,增益水平明显提升.结论本文基于光电倍增管的工作原理,设计了一款双电位聚焦系统.先后对聚焦筒的直径、高度和与阴极之间的电位差进行了优化,当聚焦筒直径Df mm,高度Hf mm,与阴极电位差为 V时,收集效率最高,仿真计算可达 .使用V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 同一批次敏化倍增极零件进行装管验证,测得增益平均值比优化前提高了 ,验证了研究结果可行.这款高收集效率电子光学输入系统装配简单、加工难度低,可推广至同尺寸其他类型产品,同时该研究方法为解决光电倍增管结构优化问题提供了参考思路.参考文献武兴建,吴金宏光电倍增管原理、特性与应用J电子设计工程,():周荣楣光电发射、次级电子发射与光电倍增管M成都:电子科技大学出版社,:史久德光电管与光电倍增管M北京:国防科技工业出版社,:郑毅松,吕继东,杨红军,等一种具有折线结构倍增面的 光 电 倍 增 管 电 子 光 学 输 入 系 统 P中 国:C N ,周荣楣,涂国盛小型高温快速大电流光电倍增管的研制J真空电子技术,():郭乐慧,田进寿,卢裕,等一种用于中微子探测的 i n c h光电 倍 增 管 的 优 化 设 计 J物 理 学 报,():收稿日期:作者简介:张杰(),硕士研究生,桂林电子科技大学,真空光电探测器件,E m a i l:q q c o m.(上接第 页)J u n g I LK i m,S e o k G yJ e o n,G e u n J uK i m,e ta lI n v e s t i g a t i o no f M i l l i m e t e r W a v e l e n g t h V a n eS p a t i a l H a r m o n i cM a g n e t r o nU s i n gT h r e e D i m e n s i o n a lP a r t i c l e i n C e l lS i m u l a t i o nJ I E E E T r a n s P l a s m aS c i e n c e,():S c h u n e m a nK,S o s n y t s k i ySV,V a v r i vD M S e l f c o n s i s t e n tS i m u l a t i o no ft h eS p a t i a l H a r m o n i c M a g n e t r o nw i t h C o l d S e c o n d a r y E m i s s i o n C a t h o d eJ I E E ET r a n s P l a s m aS c i,():S o s n y t s k i ySV,V a v r i vD M T h e o r yo ft h eS p a t i a l H a r m o n i c M a g n e t r o n:A n E q u i v a l e n t N e t w o r k A p p r o a c hJI E E E T r a n s P l a s m aS c i,():S c h u n e m a n nK,S e r e b r v a n n i k o vAE,S o s n y t s k i tSV,e ta l O p t i m i z i n g t h e S p a t i a l H a r m o n i c M i l l i m e t e r W a v e M a g n e t r o nJ P h y s P l a s m a,():收稿日期:作者简介:姚昉(),男,工程师,主要研究方向为正交场器件,E m a i l:x d y f_ c o m.武朝辉(),女,高级工程师,主要研究方向为磁控管研制,E m a i l:w u_z h a o_h u i c o m.