高输出、宽线性光电倍增管的原理和研制技术

高输出、宽线性光电倍增管的原理和研制技术 高输出、宽线性光电倍增管的原理和研制技 术 2006年第47卷第2期光电技术EI正CTRO.OPTI(TECHNOLOGYVo1.47No.2.2006 高输出,宽线性光电倍增管的原理和研制技术 司曙光 f华东电子集团有限公司南京210028) 摘要近年来随着世界各国高能物理技术的发展.对探测用光电倍增管的脉冲线性电流性能 要求越来越高.国外已 有一种能够输出1.5A以上脉冲线性电流的光电倍增管.目前国内普通的光电倍增管只能够 输出100mA的脉冲线性电流. 本文结合作者多年来研制该种光电倍增管的经验,力求从理论上介绍该种光电倍增管的工 作原理和研制技术途径. 关键词脉冲电流材料光电倍增管 1前言 高能物理实验需要一种能够输出1.5A以上脉 冲线性电流的高输出,宽线性光电倍增管,该种光电 倍增管(普通的光电倍增管只能够输出100mA的脉 冲线性电流)是高能物理实验检测仪器中的关键部 件.这是因为高能物理实验的对象动态范围变化很 大,为了更好地捕捉到信号,必须将光电倍增管的线 性范围做得足够大,否则,当光辐射及射线辐射达到 一 定强度时,会因光电倍增管的输出电流发生饱和, 从而检测不出光辐射及射线辐射的真实值,从而影 响高能物理实验中的检测结果.目前我国每年要从 国外引进大量的高输出,宽线性光电倍增管来做高 能物理试验,因而尽快研制出我国的高输出,宽线性 光电倍增管的意义十分重大. 2工作原理和技术分析 该产品最大难点就是要输出1.5A以上的脉冲 线性电流,因而在结构设计上与其他光电倍增管有 很大的不同点.线性电流是指在不变的光源辐射光 谱和在一定的阳极电压条件下,光电流与光通量之 间的关系,称为光电倍增管的光电线性特性.光电 阴极一般被制于绝缘支承物上,当光照较弱,支取光 电流密度在每平方厘米几个微安之内时能够保持有 线性关系.但当用强光照射支取大电流时往往会发 生线性偏离,光电流有渐趋饱和的现象,不可能有太 大的电流输出;这是因为普通光电倍增管阴极面电 阻比较大,当阴极面失去电子形成空穴后,后面的电 子来不及补充,故阴极输出电流容易饱和.为维持 稳定的光电流输出,要求补充电子不很困难,在晶粒 间不至出现空间电荷,在面上不至形成大的电位 差,还必须有较好的导电性;因此需在阴极面上蒸上 一 层放射状的铬层以增强导电性,使得后面的电子 能够及时得到补偿.此外高输出,宽线性光电倍增 管所加的负高压不是通过压在铝层上的弹簧片传给 阴极面的,因为这种弹簧片是以点接触式连接的,在 小电流情况下不影响后面的电子补充能力,但在大 脉冲电流作用下,就会因形成瞬时接触电阻太大而 影响后面的补充电子能力,极易形成电流饱和,达不 到理想大电流输出效果.因此高输出,宽线性光电 倍增管是通过可伐和铝层涂覆内导石墨直接连接 的,这就解决了阴极面输出电流的饱和问题. 光电倍增管的倍增系统是根据电子轨迹来设计 的,目的是使倍增极有良好的电子收集效率.一般 把入射到第一倍增极有效部分的光电子的多少称为 收集效率(a).有效部分是指入射到第一倍增极的 光电子所产生的二次电子在第二倍增极以后各级都 能被有效倍增的部分.在第二倍增极以后,虽然也 存在有未被倍增的二次电子,但是因为达到后级的 电子数增加了,所以对收集效率的影响不大.因此, 第一倍增极的光电子收集效率是个重要的特性.高 输出,宽线性光电倍增管在设计时,增加了一个有效 的聚焦系统,目的就是提高从阴极到达第一倍增极 有效部分的光电子的收集效率.减少脉冲宽度也就 是提高响应时间,因此该产品在结构设计时充分考 第2期司曙光:高输出,宽线性光电倍增管的原理和研制技术35 虑了这些因素:首先把光电倍增管的端窗内表面做 成曲面,以使时间响应尽可能地小;其次是使倍增系 统各电极之间距离尽可能近,并使电压差较大,由以 下电磁场理论公式可知这种结构的渡越时间短: /.t=(口?E,k)=口{V/(n+1)}Kn=A?Vkn 此处A=ard(n+1)kn.由此式可知,电流增益与 工作电压的kn次方成正比.高输出,宽线性光电 倍增管工作电压很高,普通的光电倍增管最大工作 电压为2000V,而高输出,宽线性光电倍增管工作电 压高达4000V以上.目的就是提高电流增益,增大 电流输出. 此外高输出,宽线性光电倍增管倍增极材料与 普通光电倍增管的材料有很大的区别:普通的光电 倍增管倍增极材料均为镍皮,或银镁合金,铜铍合 金,而高输出,宽线性光电倍增管的倍增极材料为铜 铝合金;这是由于普通的光电倍增管所用材料能承 受的轰击电荷密度只为20cm2—1.5mA/锄2, 而铜铝合金每平方厘米上能够承受15mA以上的大 电流冲击.综上所述.高输出,宽线性光电倍增管的 工作原理较为复杂,与普通的光电倍增管差别很大. 3关键技术研究内容 高输出,宽线性光电倍增管的研究旨在解决以 下三大关键技术: 3.1倍增系统的结构 高输出,宽线性光电倍增管结构设计与众不同. 为了达到输出大电流的特性,高输出,宽线性光电倍 增管需在单位体积内尽可能地增加倍增极的有效发 射面积,因而倍增极形状复杂,绝不是通常的几大类 结构(直裂式,快速式,百叶窗式,圆笼式,盒子式,细 网式).它需具有高输出,宽线性倍增结构,这也正 是我们需要重点研究的关键技术难题. 3.2倍增极材料 高输出,宽线性光电倍增管所用材料为铜铝合 金,其表面含铝为13%.经查相关资料得知,铜铝 合金做冷阴极有以下几大优点: 1.高的二次发射系数 2.单位面积所能输出的电流较大 由于高输出,宽线性光电倍增管倍增极必须承 受大电流轰击,而普通的倍增极材料承受不了大电 流轰击;因为在大电流轰击下会造成表面发射材料 溅射,产生中毒现象;因而只能够用铜铝合金.含铝 13%的铜铝合金,延展性较差,成形不好,更别说加工 成形状极其复杂的零件了.此外铜铝合金含铝量的梯 度变化,退火,敏化工艺,目前我们还不具备,需要进行 大量的实验摸索,并需配置相应的专用工艺设备. 3.3阴极激活的问题 对高输出,宽线性光电倍增管的技术参数要求 很高,它的工作电压也要很高,所以管内稍有残余气 体,就会被电离,从而使阴极中毒.另外,我们现有 的排气设备也不能很好的控制碱金属的配比,完全 靠经验生产,而高输出,宽线性光电倍增管对脉冲性 电流技术参数要求高,这就必须要研究解决阴极激 活的技术难题. 4关键技术内容的研究情况 (1)我厂与某大学合作完成了高输出,宽线性倍 增管结构的聚焦性能试验计算机辅助设计.以下是 部分计算结果. 图1,图4表示在不同阳极电压下的电子轨迹 和等电位线示意图: 图1阳极电压为20V时的电子轨迹,等电位线图 图2阳极电压为30V时的电子轨迹,等电位线图 表1和图5表示在不同阳极电压下的电子通过 光电技术第47卷 图3阳极电压为IOOV时的电子轨迹,等电位线图 图4阳极电压为200V时的电子轨迹,等电位线图 图5不同阳极电压下的电子通过率 率,从表1和图5可以看到:阳极电压越高,电子通 过率越高. 20V25V30V40V50V1ooV150V200V 匾过率/%48.5268.8584.94193.7294.5595.6695.9396.03? 图6表示阳极电压为50V时,沿R方向10个 电子的电子轨迹,等电位线图,图中1,10表示每个 电子的编号: 图7表示在不同阳极电压下,沿R方向10个 电子的运动时间比较,从图7可以得出阳极电压越 高,电子的渡越时间就越短,而且R方向上不同位 置电子的渡越时间差别也越小. 图6阳极电压为50V时,沿R方向10个电子的电子轨 ‘ 迹,等电位线图 图7不同阳极电压下沿R方向10个电子的运 动时间比较 在结合以上计算的基础上,我们完成了整管的 结构设计,下图是高输出,宽线性光电倍增管的外形 示意图. 第2期司曙光:高输出,宽线性光电倍增管的原理和研制技术37 (2)我们先后与国内多家单位合作,完成了铜铝 合金倍增极材料的化验分析及小批量试制. 高输出,宽线性光电倍增管所用材料为铜铝合 金,其表面含铝为13%.但单纯的铜铝合金不能够 做倍增极材料,中间必须搀杂一些微量元素,在经一 定的工艺处理后(即通氧敏化),才能够有较大的二 同成分的含铝材料进行化验,其结果如下: 电子显微镜分析:采用日立3500N电镜 进行电子扫描,分析了四个样品横断口的元素分布, 除Cu基体外分别扫描了A,B2,C,D,E等元素的分 布状态,采用电子能谱分析了2号,4号冷阴极表面 和中心A,B2,C的含量. 次发射系数,我们先后送了四种经过敏化后具有不电子显微镜分析结果如表2: 表21,2,3,4号冷阴极样品元素线扫描浓度分布 A元素分布CuA1B2元素分布C元素分布元素分布特点 样品 最高电子强度富A层厚度最高电子强度富B2层厚度最高电子强度富C层厚度 A,B2元素在表面层最高,有明 12410t~m6010t~m1320t~m显突变 ,富A1,富02层很薄. A元素由表面向中心递减,B2元 22010~,n135—10m9均匀分布素在表面有空变.富氧层薄.C 均匀分布. 70—表面B2含量高,但富氧层薄.A3152310 t~m1020~,n80 Inn元素由表面内均匀递减 180~m180~m180~m 428910A,B2,C元素分布较均匀均匀分布均匀分布均匀分布 从图1,2,3,4及表1可以看出有以下特点:1) 分析结果表明,除Cu基体外,四个冷阴极材料只含 有A,B2,C元素,没有检测出其它元素.2)图1,2,3 表明都有明显的富A’层,富B2层.3)从图1,2,3,4 可以看出,A元素和B2的分布基本上是相对应的, 这表明在阴极制备时采用了氧化处理工艺.4)4号 样品虽然A的电子浓度较高,但分布区域较宽.B2 的浓度低,分布区域宽.这表明该阴极的表面氧化 工艺没有形成明显的富B2层. x光分析:在电镜分析的基础上,对2号,4号 样品进行了X光相结构分析,以便确定倍增材料的 金相结构,有助于确定样品的化学成分和制备工艺. X光分析结果 根据电镜的分析结果和样品的大小,对2号,4 号冷阴极样品进行x光相结构分析,以测出A与 B2的化合物,以及Cud的化合物,从而进一步确立 成份和加工工艺.主峰d=2.1095d=1.8275d= 1.2931均是A在Cu中固溶体的.对4号冷阴极样 品的分析结果表明,主要是A在Cu中的单一固溶 体,没有发现第二相.对2号,4号,X光相分析的 结果说明,是Cud合金冷阴极,A含量在产生第二 相临界成份.阴极表面的氧处理并没有形成化学式 A2B3.关于对Cud合金表面的氧化处理会形成何 种氧化物的问题,尚有待作进一步研究. 化学分析:对冷阴极进行了电镜能谱分析,x光 相结构分析和金相分析.并且又分别对2号,4号 冷阴极做了化学定量分析,其中采用容量法分析铜 含量,采用原子吸收法测定C元素含量. 化学分析结果 经电镜的微区能谱分析,得知2号样品表面的 A含量为6.98%,中心部位为3.57%.表面A1含 量为13.49%,截面A含量为5.34%,CO.39%. 在以上分析铜铝合金材料的基础上,我们正在 和某研究所合作,请他们帮助我们共同开发完全符 合要求的铜铝合金倍增极材料. (3)由于高输出,宽线性光电倍增管的零部件较 多,且每个零件形状复杂,这些零部件就需要经许多 模具加工而成.由于一个零件是经多达十几道模具 加工而成的,因而一个模具稍有偏差,就会影响零件 形状.我们与我厂工装模具厂,零件加厂等几家单 位共同攻关,终于加工成形状尺寸基本符合设计图 纸要求的零部件. 光电技术第47卷 (4)高输出,宽线性光电倍增管的外壳是用玻璃 金属封接的,尤其是以芯柱是以可伐环封接的,此外 还涉及到可伐与可伐之间的焊接.这么多道封接工 序,暂且不说封接处的退火慢漏难题,单就是这么多 封接工序的炸裂都是难以克服的难题.我们组织了 玻璃可伐封接攻关小组,在经过多次试验后,终于完 成了这道高难度的工序. 图9为该测试设备测试样管记录 (5)由于该管脉冲线型电流很大,故在测试大电 流脉冲输出时,为了使倍增极能正常工作,在脉冲持 续时间里获得较大的峰值电流,通常给分压器接入 电容,其电容值有赖于输出的电荷.此外,在大电流 输出脉冲时,极间电压保持不变,而随着入射光的增 强,输出会在某一点出现饱和.这是由于随着电极 间电荷密度的增加,逐渐增强的空间电荷效应扰乱 了电子束电流的缘故.为了降低空间电荷效应的影 响,对在电荷密度较高的后几个倍增极和阳极上所 加的电压应作适当的提高,以增强几个倍增极和阳 极的电压梯度.因而在测试每个高输出,宽线性光 电倍增管时都需要调节分压阻值和电容,并最终找 出最佳阻值提供给用户,所以难度较大.我们在国 内某科研院所的帮助下,建立了测试设备,从而解决 了样管的测试问题. 5下一步研究工作安排与设想 (1)解决的倍增系统的优化设计:我们已经与某 大学合作,完成了对高输出,宽线性倍增管结构的聚 焦性能试验计算机辅助设计.今后我们还准备在与 该大学在前期聚焦性能合作的基础上,把上述合作 进一步扩大到整个倍增系统的计算机辅助优化设计 上. (2)研究解决管子的装配精度问题:管子结构比 较特殊,零部件较多,且极间距离很近,对装配精度 要求很高.我们现有的点焊机焊点较大,焊渣较多; 管子工作电压高,这就会造成极间放电,影响产品性 能.我们准备通过增加激光点焊机,焊接测量设备, 成套装配模具及工装,完成装配中的精度难题. (3)研究解决倍增极零件的敏化处理工艺:我们 将在前期对倍增极零件材料分析化验的基础上,继 续和研究所紧密合作以共同开发具有高增益,大输 出脉冲线性电流的铜铝合金材料. (4)研究解决阴极激活的问题:高输出,宽线性 光电倍增管对技术参数要求极高,现有的排气设备 难以保障.高输出,宽线性光电倍增管的工作电压 高,管内稍有残余气体,就会被电离,从而使阴极中 毒.此外现有的排气设备也不能很好的控制碱金属 的配比,完全靠经验生产,而高输出,宽线性光电倍 增管对技术参数要求高,如此设备是很难保证的. 今后我们准备利用有着多年光电阴极激活经验的技 师,研究摸索光电阴极激活制造工艺.针对光电阴 极制造时,碱金属易进难出这一难题,我们准备购买 超高真空排气台来解决该难题.对光电阴极激活时 的碱金属配比进行攻关:计算碱金属的量,力争做到 最佳配比,从而生产出各项参数符合要求的产品. 6结束语 该产品技术难度较大,我们决心在我厂相关部 门的组织协调下;在兄弟单位的大力协助下;通过全 体课题组研究人员的共同努力,力争尽快完成高输 出,宽线性光电倍增管的研制工作. 参考文献 1.史久德编着<光电管与光电倍增管) 2.曾治槐等编着<光电倍增管)