气体电子倍增器板光电倍增管的制作方法

气体电子倍增器板光电倍增管
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年2月3日提交的名称为“气体电子倍增器板光电倍增管(gas electron multiplier board photomultiplier)”的美国临时专利申请号62/969,389的权益，该美国临时专利申请的全文以引用方式并入。


背景技术：

3.光电倍增管(pmt)可以通过将吸收的光子能量转移到发射的电子来产生电信号，从而探测电磁光谱中紫外光、可见光和近红外范围内的光。一些pmt使用真空管和倍增极结构来进行电子倍增。它们在多个倍增极阶段中使入射光产生的电流倍增多达1亿倍(例如，约160db)，从而实现低检测阈值。
4.一些pmt基于玻璃壳体构造，该玻璃壳体保持在真空压力下。然而，此类pmt可为脆弱的并且无法承受高温或振动，例如，因为它们可使用真空玻璃管结构并且内部结构(例如，倍增极结构和连接)可为复杂且精细的。


技术实现要素：

5.在一个实施方案中，装置包括壳体、光学窗口、端壁板、馈通件和气体电子倍增器(gem)板。壳体可包括近侧端部和远侧端部。光学窗口可设置在壳体的近侧端部处。端壁板可设置在壳体的远侧端部处。馈通件可穿透端壁板。气体电子倍增器(gem)板可设置在光学窗口与端壁板之间。
6.以下特征中的一个或多个特征可包括在任何可行组合中。例如，装置可包括作为薄膜涂覆在光学窗口的表面上的光电阴极。光电阴极可包括锑化钾钠。馈通件可包括：穿透端壁板的导电线；和位于导电线与端壁板之间的气密密封件。光学窗口可包括蓝宝石。壳体可包括钛或铝。装置可包括气体混合物，其中气体混合物包括比例气体。比例气体可包括元素周期表的第18族或氮气中的一者。气体混合物可还包括骤冷气体。骤冷气体可包括co2、ch4或cf4中的一者。光电阴极可包括至少一层气相沉积材料。至少一层气相沉积材料中的一个或多个层的厚度可小于或等于约200纳米。
7.至少一层气相沉积材料中的一个或多个层可包括选自由以下项组成的组的最少90重量％的一种或多种材料：锑(sb)、锑与钾的化合物(1:1)(ksb)、锑与钾的化合物(2:1)(ksb2)、锑与钾的化合物(5:4)(k5sb4)、三氧化锑(sb2o3)、铯(cs)、锑化铯(cs3sb)、砷化镓(gaas)、含有铯的砷化镓(gaas(cs))、铋化铯(cs3bi)、含有氧的铋化铯(cs3bi(o))、含有银的铋化铯(cs3bi(ag))、碘化铯(csi)、氧化铯(cs2o)、碲化铯(cs2te)、镓铝砷(ga
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as)、磷砷化镓(gaas
1-x
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)、含有铯的磷砷化镓(gaas
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(cs))、氮化镓(gan)、含有铯的氮化镓(gan(cs))、磷化镓(gap)、砷化铟镓(ingaas)、含有铯的砷化铟镓(ingaas(cs))、磷化砷镓铟(ingaasp)、含有铯的磷化砷镓铟(ingaasp(cs))、磷化铟(inp)、锑化锂(li3sb)、氧(o)、钾(k)、锑化钾(k3sb)、溴化钾(kbr)、锑化钾铯(k2cssb)、氯化钾(kcl)、氧化钾(k2o)、锑化钾钠铯((cs)na2ksb)、钠(na)、锑化钠(na3sb)、砷化钠(na3as)、锑化钠铯
(na2cssb)、氧化钠(na2o)、锑化钠钾(na2ksb)、锑化铷铯(rb2cssb)、银(ag)、银铋氧铯(ag-bi-o-cs)、碳化硅(sic)和银氧铯(ag-o-cs)。
8.至少一层气相沉积材料中的一个或多个层可包括选自由以下项组成的组的最少90重量％的一种或多种材料：铝(al)、锑(sb)、砷(as)、铋(bi)、溴(br)、铯(cs)、氯(cl)、镓(ga)、铟(in)、锂(li)、氧(o)、磷(p)、钾(k)、铷(rb)、银(ag)、钠(na)和碲(te)。至少一层气相沉积材料中的一个或多个层可包括选自由以下项组成的组的最少90重量％的一种或多种材料：硅(si)、氮化硼(bn)、二氧化钛(tio2)、碳化硅(sic)和二氧化硅(sio2)。电势差可施加在光电阴极与gem板之间。装置可包括读出阳极。装置可包括聚焦元件。聚焦元件可包括导电柱或导电环。壳体可为圆柱形的。
附图说明
9.提供了对每个附图的简要描述，以更充分地理解在本公开的详细描述中使用的附图。
10.图1示出了具有倍增极的真空管光电倍增管的示例；
11.图2示出了具有倍增极的真空管光电倍增管的示意图；
12.图3示出了根据示例性实施方案的使用气体电子倍增器(gem)板的光电倍增管的示意图；
13.图4a示意性地示出了使用gem板的电子倍增的机构；
14.图4b示意性地示出了根据示例性实施方案的光电倍增管内的电子路径的模拟结果；
15.图5示意性地示出了施加在壳体内的光电阴极与气体电子倍增器(gem)板之间的电势场；
16.图6a示出了根据本公开的示例性实施方案的使用gem板的另一示例性光电倍增管的示意性侧向截面图；并且
17.图6b示出了图6a的光电倍增管的等轴剖视图。
18.应当理解，上文引用的附图未必按比例绘制，从而呈现说明本公开的基本原理的各种特征的一定程度的简化表示。本公开的具体设计特征，包括例如具体尺寸、取向、位置和形状，将部分地由特定预期应用和使用环境确定。
具体实施方式
19.由于玻璃真空管结构，一些光电倍增管(pmt)可为脆弱的并且与将pmt暴露于高温和高振动(诸如井下钻井应用)的工作环境不相容。玻璃真空管pmt也可能不可靠并且较昂贵。因此，本公开的实施方案提供了解决这些缺陷的改进的光电倍增管。例如，改进的光电倍增管可包括加固的壳体和改善冲击和振动性能的气体电子倍增器(gem)板。在一些实施方案中，倍增极结构可用一个或多个gem板替换，以减小装置的长度。改进的光电倍增管的应用可包括但不限于井下钻井应用中的伽马射线检测、用于安全应用、医疗保健应用等的放射性检测。
20.图1示出了使用倍增极100的真空管光电倍增管的示例，并且图2示出了具有倍增极100的真空管光电倍增管的示意图。参考图2，具有倍增极100的真空管光电倍增管可以通
过设置在玻璃管110的一端的光学窗口105接收入射光。玻璃管110保持在真空压力下。光电阴极115设置在光学窗口105上，多个倍增极120设置在玻璃管110内，并且阳极125设置在多个倍增极120之后。阳极125和多个倍增极120中的每一者通过馈通件连接到连接器引脚130。在操作中，入射光子可撞击光电阴极115材料，该材料可呈现为沉积(例如，气相沉积)在光学窗口105的内表面上的薄的导电层形式。由于光电效应，电子可从光电阴极115材料的表面发射。发射的电子可由聚焦电极140朝向电子倍增器引导，其中电子通过二次发射倍增。倍增极120中的每个倍增极可经受比前一个倍增极递增地升高的正电势(例如，约100伏)，以吸引电子并产生更多的次级电子145。在一些实施方案中，取决于检测的目标波长，闪烁体135可设置在光学窗口105的前面。例如，为了检测伽马射线，可将高能量光子150在闪烁体135内转换为低能量光子155，并且低能量光子155可通过光电阴极115转换为初级电子160。
21.图3示出了根据本公开的示例性实施方案的使用气体电子倍增器(gem)板305的光电倍增管300的一个示例性实施方案的示意图。图6a至图6b示出了使用gem板的另一示例性光电倍增管。参考图3，光电倍增管300可包括壳体310，该壳体包括近侧端部310p和远侧端部310d。光电倍增管300可包括设置在壳体310的近侧端部处的光学窗口315和设置在壳体310的远侧端部310d处的端壁板320。gem板305可设置在光学窗口315与端壁板320之间。可包括穿透端壁板320的馈通件以与gem电连接。
22.壳体310可包括坚固的材料，诸如金属。在一些具体实施中，壳体310可由包括但不限于钛、铝或其合金的材料形成。在一些具体实施中，使用诸如玻璃的材料。然而，形成壳体310的材料不限于此，并且可使用各种其它坚固的材料。
23.光学窗口315可包括坚固且具有光传输性质的材料。在一些具体实施中，光学窗口315可由蓝宝石形成。蓝宝石在形成光学窗口315时具有从紫外到近红外的较宽的光学传输波段、高机械强度、高抗刮和高耐磨性以及高温性能等优点。
24.端壁板320也可由坚固的材料形成。在一些具体实施中，端壁板320可由与壳体310相同的金属材料形成。在其它实施方案中，端壁板320可由与壳体310不同的材料形成。在某些实施方案中，端壁板320可由陶瓷或金属形成。在端壁板320由导电材料(例如，金属)形成的具体实施中，用于连接器引脚的馈通件可以是绝缘的。例如，这些绝缘体可包括陶瓷或玻璃，使用玻璃-金属或陶瓷-金属密封件密封到端壁板320。
25.由于使用坚固的材料形成壳体310、光学窗口315和端壁板320，光电倍增管300的实施方案可承受高温操作和/或高振动环境。
26.在一些实施方案中，壳体310可形成为基本上圆柱形的几何形状。例如，壳体310的直径可以在约1/2英寸至约1英寸的范围内(例如，约1/2英寸、约3/4英寸或约1英寸)。例如，壳体310的特征长度可以在约1/2英寸至约3英寸的范围内。然而，根据本公开的实施方案的光电倍增管300的尺寸不限于此，并且尺寸可基于设计要求和应用进行各种修改。
27.在一些实施方案中，可通过在光学窗口315的内表面上涂覆光电阴极材料来形成光电阴极325。光电阴极材料可沉积为薄膜。可使用任何薄膜沉积法来形成光电阴极325。例如，化学沉积，诸如镀覆、化学溶液沉积(csd)、化学水浴沉积(cbd)、langmuir-blodgett法、旋涂、浸涂、化学气相沉积(cvd)等离子体增强cvd和原子层沉积(ald)；或物理沉积，诸如物理气相沉积(pvd)、分子束外延(mbe)、溅射、激光沉积和静电喷涂沉积可用于在光学窗口
315(例如，蓝宝石光学窗口)上涂覆光电阴极325。
28.在一些具体实施中，光电阴极325可包括至少一层气相沉积材料。例如，可采用一层至约20层的气相沉积材料来形成光电阴极325。至少一层气相沉积材料中的每个层的厚度可小于或等于约200纳米(nm)。至少一层气相沉积材料的实施方案可包括选自由以下项组成的组的一种或多种材料：锑(sb)、锑与钾的化合物(1:1)(ksb)、锑与钾的化合物(2:1)(ksb2)、锑与钾的化合物(5:4)(k5sb4)、三氧化锑(sb2o3)、铯(cs)、锑化铯(cs3sb)、砷化镓(gaas)、含有铯的砷化镓(gaas(cs))、铋化铯(cs3bi)、含有氧的铋化铯(cs3bi(o))、含有银的铋化铯(cs3bi(ag))、碘化铯(csi)、氧化铯(cs2o)、碲化铯(cs2te)、镓铝砷(ga
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)、含有铯的磷砷化镓(gaas
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(cs))、氮化镓(gan)、含有铯的氮化镓(gan(cs))、磷化镓(gap)、砷化铟镓(ingaas)、含有铯的砷化铟镓(ingaas(cs))、磷化砷镓铟(ingaasp)、含有铯的磷化砷镓铟(ingaasp(cs))、磷化铟(inp)、锑化锂(li3sb)、氧(o)、钾(k)、锑化钾(k3sb)、溴化钾(kbr)、锑化钾铯(k2cssb)、氯化钾(kcl)、氧化钾(k2o)、锑化钾钠铯((cs)na2ksb)、钠(na)、锑化钠(na3sb)、砷化钠(na3as)、锑化钠铯(na2cssb)、氧化钠(na2o)、锑化钠钾(na2ksb)、锑化铷铯(rb2cssb)、银(ag)、银铋氧铯(ag-bi-o-cs)、碳化硅(sic)和银氧铯(ag-o-cs)。这些材料能够以最少90重量％包括在光电阴极325的每个层中。
29.在一些实施方案中，至少一层气相沉积材料中的每个层可包括选自由以下项组成的组的一种或多种材料：铝(al)、锑(sb)、砷(as)、铋(bi)、溴(br)、铯(cs)、氯(cl)、镓(ga)、铟(in)、锂(li)、氧(o)、磷(p)、钾(k)、铷(rb)、银(ag)、钠(na)和碲(te)。这些材料能够以最少90重量％包括在光电阴极325的每个层中。
30.在一些具体实施中，至少一层气相沉积材料中的每个层可包括选自由以下项组成的组的一种或多种材料：硅(si)、氮化硼(bn)、二氧化钛(tio2)和二氧化硅(sio2)。这些材料能够以最少90重量％包括在光电阴极325的每个层中。
31.在一些实施方案中，光电阴极325可包括锑化钾钠。然而，光电阴极材料不限于上文列出的材料，并且也可使用其它光电阴极材料。
32.根据本公开的实施方案，气体混合物可填充由壳体310、光学窗口315和端壁板320限定的内部空间。气体混合物可包括比例气体。在一些具体实施中，比例气体可包括来自元素周期表的第18族气体。另选地或除此之外，比例气体可包括氮气。为了控制电流对光(或电磁波)强度的响应的比例，可在气体混合物中添加骤冷气体。骤冷气体可包括co2、ch4或cf4中的一者或多者。气体混合物可在约1个或更大的大气压的压力下(室温下)填充光电倍增管300的内部体积。在一些具体实施中，压力可小于1个大气压。由于光电倍增管300的内部体积保持在大约大气压力下，因此光电倍增管300在操作过程中不容易由于外部冲击而发生内爆。
33.光电倍增管300可包括气体电子倍增器(gem)板305以增强电子浓度。由于电场线集中，可在gem板的孔中发生倍增，例如，如下文参考图4a更详细地示出和描述的。gem板305可在两个电极之间施加电势差，从而允许电子通过气体中的辐射而被释放。可使释放的电子倍增并将其转移到收集区域。
34.在根据本公开的示例性实施方案的光电倍增管300内，gem板305可设置在光学窗口315与端壁板320之间。在一些实施方案中，可串联设置多于一个gem板305。例如，可布置
两个或三个gem板305(例如，以每个gem板305之间的轴向间距堆叠)以增加倍增增益。gem板305中的每个gem板可形成为两侧涂覆有电极的穿孔聚合物箔。在一些具体实施中，gem板305可包括经化学穿孔以包括多个开孔的薄的金属包覆聚合物箔。例如，gem板305可包括大约50μm厚的聚酰胺膜，其每侧具有铜电极薄层。在一些具体实施中，每个开孔的直径可以是介于约0.1mm至约2mm的范围内的值。在一些具体实施中，每个开孔的直径可以是介于约0.3mm至约1mm范围内的值。在一些具体实施中，gem板305的厚度可以是介于约0.01英寸至约0.1英寸(诸如0.020英寸或0.060英寸)范围内的值。在一些具体实施中，gem板305的多个开孔可分布在gem板305的整个区域上。在一些具体实施中，多个开孔可被限制在聚焦电子束被撞击的区域内。在一些具体实施中，例如针对高温应用，gem板305可包括聚酰亚胺电路板和/或陶瓷电路板。
35.图4a示意性地示出了电子倍增400a的机构。当电离的比例气体(正离子)朝向阴极漂移并且电子朝向gem板305并且在开孔内漂移时，在开孔内产生强电场。因此，电子与气体分子碰撞以在级联过程中产生附加电子。图4b是根据本公开的示例性实施方案的光电倍增管300内的电子路径的模拟结果400b的示意图。
36.在一些具体实施中，可以在光电阴极325与gem板305之间施加电势差以将电子朝向gem板305聚焦。图5示意性地示出了施加在壳体310内的光电阴极325与gem板305之间的电势场。除此之外或另选地，聚焦元件可设置在光电阴极325与第一gem板305之间以形成光电倍增管300内所施加的电势场。聚焦元件可包括导电柱或导电环。在一些实施方案中，聚焦元件可包括多个圆柱或环。
37.根据本公开的示例性实施方案的光电倍增管300可包括位于gem板305与端壁板320之间的读出阳极330。可以将倍增的电子收集到读出阳极330以允许测量电流量。在一些具体实施中，最后一个gem板305的底部可用于读出电流脉冲。可基于校准将测量的电流转换为光强度。
38.当包括多个gem板305时，读出阳极330可设置在最后一个gem板305与端壁板320之间。在本文中，可相对于电子的行进方向限定第一个gem板和最后一个gem板。例如，最靠近光电阴极325设置的gem板可称为第一个gem板，并且最靠近端壁板320设置的gem板可称为最后一个gem板。
39.如上所述，为了与gem板305和读出阳极330进行电连接，可在端壁板320中形成至少一个馈通件。图6a至图6b中示出了光电倍增管300的实施方案，该光电倍增管为包括电气馈通件602的光电倍增管600的形式。馈通件602可包括穿透端壁板320的导电线。在导电线与端壁板320之间可包括气密密封件。例如，可围绕导电线施加气密密封件，以使气密密封件位于导电线与端壁板320之间。由于每个gem板305通常需要两个电连接(针对两侧上的每个电极)，并且需要附加的两个电连接(一个用于阴极以及一个用于读出阳极)，以适应n个gem板305，因此可穿过端壁板320形成最小总数为2n 2个馈通件602。在包括聚焦元件的具体实施中，可增加馈通件602的数量。通过电气馈通件602，可将负电压施加到光电阴极325，并且可将读出阳极330接地。在一些具体实施中，读出阳极330可处于正高电压并且光电阴极接地。gem板305的电极可保持在光电阴极的负电压与读出阳极330的接地电压之间的中间(负)电压下。
40.如本文所述，根据本公开的示例性实施方案的光电倍增器包括用于光电阴极的更
强的光学窗口和加固的壳体。因此，根据本公开的光电倍增器可提供耐高温性和抗冲击性。根据本公开的光电倍增器可用于井下钻井应用中的伽马射线检测，用于安全应用、医疗保健应用等中的放射性检测。
41.本公开的实施方案不限于本文描述的示例性实施方案，并且可以在变型和修改中体现。仅提供示例性实施方案以允许本领域普通技术人员理解将由权利要求书的范围限定的本公开的范围。因此，在一些实施方案中，没有详细描述过程的熟知操作、熟知的结构和熟知的技术的，以避免模糊对本公开的理解。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
42.本文所用的术语仅是出于描述特定实施方案的目的，并非旨在限制本公开。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”、“包括”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。如本文所用，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一者或多者的任何和所有组合。
43.除非特别说明或从上下文来看很明显，否则如本文所用，术语“约”、“大约”和“基本上”可互换使用，并且可被理解为在所述值的所属领域中的正常耐受范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”、“大约”和/或基本上可被理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非上下文另有明确说明，否则本文提供的所有数值由术语“约”修饰。
44.在上文中，虽然本公开是通过具体事项诸如具体部件等、示例性实施方案和附图来描述，但是其仅被提供用于协助全面理解本公开。因此，本公开不限于示例性实施方案。本公开所属领域的技术人员可根据本说明书进行各种修改和改变。因此，本公开的实质不应限于上述示例性实施方案，并且以下权利要求以及与权利要求同样或同等修改的所有技术实质应被解释为落入本公开的范围和实质内。