弱光探测器中复合抛物面聚光镜

　　0　引言

　　光电探测是物理学研究中的重要方法之一.其核心部件光电倍增器[1-2]在诸如高分辨率的光谱测量、高速现象检测、生物发光、高能物理、天文测光等领域有着广泛的应用.目前,光电倍增器件概括起来分为三类:固体半导体光电倍增器、真空光电倍增管以及真空器件与固体器件组合工作的混合型光电倍增器.固体半导体光电倍增器具有高量子效率和抗强光照射的能力、功耗低、工作频谱范围大、体积小等优点.但是,如果以单位面积的成本计算,半导体光电倍增器件高于真空器件,并且这类器件具有噪音较大、增益低、外围控制电路及热电制冷电路较复杂等缺点.因此很难真正用于光子记数,并且光敏面积很难做大,目前探测面积最大可达200 mm2.真空光电倍增管[3-5](Photomultiplier Tube,PMT)是一种非常有效的弱光探测器件.与通常的半导体光电探测器相比,PMT具有高增益(106~107)、高灵敏度、低噪音、大光敏区面积.大部分PMT均由光电阴极、具有二次电子倍增功能的打拿极和用于收集光电子的阳极组成.但是通常的PMT打拿极结构复杂、反向偏压高、抗外部磁场能力较差,并且量子效率低.特别是当采用高量子效率的反射式光电阴极时,探测光接收角度相对较小,阴极光电响应的一致性差,故在大多数PMT中无法采用反射式光电阴极.近几年,真空器件与固体器件组合工作的混合型光电倍增管迅速发展起来,它既可以实现真空器件大的光敏面积,同时又可以获得更好的性能参量.在该类管子中,打拿极和阳极由雪崩二极管(AD)取代,其特点是低噪音、抗磁干扰能力强、探测光谱范围宽等特点.但是为了获得高的增益,阴极和AD之间需要加足够高的电压(通常:8 kV~20 kV),因此被电子轰击的AD会同时释放离子,这些离子被加速并轰击阴极,从而降低阴极的工作寿命.

　　虽然上述三类光电倍增技术已经比较成熟,市场上也有不少类似的产品.然而,随着人们对高技术研究的不断深入,特别是近年来核物理、中微子探测等领域不断引起各国的重视,对光电倍增探测器的改进需要突显[6].要求光电倍增器量子效率高、光电增益高、时间响应快、暗背景记数低、探测面积大、成本低、易制做等.因此,本文设计并研制了一种新的基于复合抛物面聚光镜结构的PMT.从结构上突破以往反射式光电阴极对入射角度的限制,不仅量子效率高、光电增益高、探测面积大还同时具备时间响应快、易制作等特点.由于采用了(CompoundParabolic Concentrator,CPC).结构,可以实现在大的光输入窗即大探测面积情况下,采用小面积的反射式光电阴极.因此,在获得足够光通量的同时,减小了阴极噪音和光电子的渡越时间弥散.同传统管型相比,如果在同样大的光接收面积下,阴极量子效率、阴极噪音、电子收集率和时间特性以及抗磁场干扰的能力都会得到显著的改善.