CN110487757A - 倒像式像增强型超快成像探测器 - Google Patents

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何凯
高贵龙
汪韬
闫欣
辛丽伟
李少辉
尹飞
韦永林
徐向晏
卢裕
王兴
刘虎林
陈萍
温文龙
王超
王俊峰
赛小锋
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Abstract

本发明涉及一种倒像式像增强型超快成像探测器，克服了现有的双近贴结构中半导体芯片容易真空击穿的问题。该探测器包括外壳、输入窗口、输出窗口、光电阴极、第一静电聚焦电极、微通道板、第二静电聚焦电极和半导体探测芯片；外壳的两端分别设置有输入窗口以及输出窗口；输入窗口内表面镀有一层导电薄膜，光电阴极制作于导电薄膜上；半导体探测芯片紧贴输出窗口内表面设置；光电阴极与半导体探测芯片之间依次设置有第一静电聚焦电极、微通道板以及第二静电聚焦电极；第一静电聚焦电极和第二静电聚焦电极相同；微通道板的输入面和输出面加载工作电压。

Description

倒像式像增强型超快成像探测器
技术领域
本发明涉及超快诊断技术领域，具体涉及一种倒像式像增强型超快成像探测器。
背景技术
超快诊断技术的发展对能源、材料、生物、光物理、光化学、强光物理和高能物理等领域的研究具有极其重要的科学意义，是人类拓展认知领域、取得原始创新的必要条件。与超快诊断技术相联系的仪器设备是前沿科学和尖端科技领域不可或缺的研究工具及手段。
传统的高速诊断设备包括高速像增强CCD、高速门控分幅相机、行波选通分幅相机、条纹相机等。
其中，条纹相机可以实现一维皮秒、甚至飞秒量级的时间分辨；行波选通型分幅相机，通过微带线带电脉冲选通，可以实现几十到百皮秒的时间分辨，但是只能响应X射线，限制了该技术的应用；高速门控分幅相机通过加载在阴极上的超快电脉冲，实现纳秒量级的超短的曝光时间，但受制于CCD像素电荷读出时间的限制，在全分辨条件下往往只能达到几十帧每秒的读出速度。
全光固体超快诊断技术是一种全新的基于半导体折射率超快变化变化特性，能够实现几皮秒甚至百飞秒的时间分辨能力。与全光时序空间分幅技术结合能够实现超高时间分辨的多分幅成像。但该技术的缺点是探测灵敏度低，以InP材料为例，信号光波长为532nm，***时间分辨达到1ps时，***的灵敏度对应的信号光功率为1.3×105W/cm2。因此极大的限制了全光固体超快诊断技术的应用领域。
中国专利，专利号201810107156公开了一种像增强型全光固体超快成像探测器，该探测器存在空间分辨率不高的问题；并且由于半导体芯片表面结构复杂，会在真空中引起尖端放电，从而严重降低了第二近贴距离(即微通道板与半导体超快探测芯片之间的距离)所能加载的驱动电压，使得入射半导体芯片的电子能量较低，造成成像***的增益不高的问题，无法满足一些微弱超快信号的探测成像需求。
发明内容
本发明结合级联倒像式微光像增强技术和全光固体超快诊断技术，克服了现有的双近贴结构中半导体芯片容易真空击穿的问题，充分发挥了MCP(微通道板)的电子倍增能力和半导体超快探测芯片的超快时间响应的优势，提供了有一种兼具高时空分辨和高增益的倒像式像增强型超快成像探测器。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种倒像式像增强型超快成像探测器，包括外壳、输入窗口、输出窗口、光电阴极、第一静电聚焦电极、微通道板、第二静电聚焦电极和半导体探测芯片；
外壳的两端分别设置有输入窗口以及输出窗口；
输入窗口内表面镀有一层导电薄膜，光电阴极制作于导电薄膜上；
半导体探测芯片紧贴输出窗口内表面设置；
光电阴极与半导体探测芯片之间依次设置有第一静电聚焦电极、微通道板以及第二静电聚焦电极；第一静电聚焦电极和第二静电聚焦电极相同；
微通道板的输入面和输出面加载工作电压。
该结构的基本工作原理是：
光电阴极将低亮度的超快辐射图像转换为电子图像，光电阴极的响应光谱范围与选用的光电阴极材料有关。第一静电聚焦电极在外壳内形成轴对称的加速电场，电子在这个场中受到会聚和加速的作用，通过电子光学设计，该电场可以起到电子透镜的作用，并在微通道板上形成倒立的电子图像。经过倒立的电子图像经过第二静电聚焦电极的汇聚和加速作用，最终在半导体探测芯片上形成正立的高能电子图像。
进一步地，上述第一静电聚焦电极和第二静电聚焦电极为双圆筒结构或双球体结构。
进一步地，上述半导体探测芯片包括沿信号传输方向依次设置的调制光栅，铝膜，半导体超快响应材料以及增透膜。
进一步地，上述调制光栅采用金属材料，光栅周期选用50～100lp/mm，光栅越密，芯片空间分辨能力越高；光栅厚度大于800nm，用于调制被微通道板倍增后的电子图像，使得部分电子被阻挡在半导体响应材料之外，使得入射进半导体材料的高能电子能够在半导体内部形成相位光栅。
进一步地，上述铝膜厚度为100～200nm，起到导电作用，用于转移阳极积累电子，并作为探测光的反射层。
进一步地，上述半导体超快响应材料13选用采用低温外延生长的GaAs等具有超短非平衡载流子寿命、较强辐射折射率改变效应的半导体材料。
进一步地，上述外壳采用金属陶瓷制作。
进一步地，上述半导体超快响应材料厚度为5μm。
进一步地，上述外壳采用金属陶瓷制作。
进一步地，上述光电阴极可根据信号光波段选择响应的材料，其厚度为3～5mm；导电薄膜的厚度为100nm。
进一步地，上述的微通道板3可以倍增电子数量，通过调整微通道板的工作电压可以改变增益大小，同时可以采用单片或多片构成。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用第一静电聚焦电极、微通道板、第二静电聚焦电极和半导体探测芯片作为探测器的核心组成部分，该核心组成部分结合了微光像增强技术的电子信号高增益特性和全光固体超快探测芯片的高时间分辨特性，可以实现弱光条件下的高时间分辨的成像，可应用于荧光成像和荧光寿命成像等领域；
2.本发明采用级联式的静电聚焦电子光学***与半导体超快成像芯片结合，避免了半导体芯片表面微结构引入的潜在真空击穿风险，相比于双近贴结构具有更高的电子入射能量和空间分辨特性，可进一步提高像增强型半导体超快探测器的探测灵敏度以及时空分辨特性。
附图说明
图1为倒像式像增强型超快成像探测器结构；
图2为半导体探测芯片结构细节示意图；
附图标记如下：
1-光电阴极，2-第一静电聚焦电极，3-微通道板，4-第二静电聚焦电极，5-半导体超快探测芯片，6-微弱超快信号图像，7-超短光电子脉冲图像，8-倍增后的电子图像，9-探测光，10-衍射光，11-调制光栅，12-铝膜，13-半导体超快响应材料，14-增透膜，15-相位光栅，16-外壳，17-输入窗口，18-输出窗口。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种倒像式像增强型超快成像探测器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分；再次，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
本实施例提供的倒像式像增强型超快成像探测器具体结构参见图1：具体包括外壳16、输入窗口17、输出窗口18、光电阴极1、第一静电聚焦电极2、微通道板3、第二静电聚焦电极4和半导体探测芯片5；外壳16的两端分别设置有输入窗口17以及输出窗口18；输入窗口17内表面镀有一层导电薄膜，光电阴极1制作于导电薄膜上；半导体探测芯片5紧贴输出窗口18内表面设置；光电阴极1与半导体探测芯片5之间依次设置有第一静电聚焦电极2、微通道板3以及第二静电聚焦电极4；第一静电聚焦电极2和第二静电聚焦电极4相同；微通道板3的输入面和输出面加载工作电压。
更为具体的是：
本实施例中外壳16采用金属陶瓷制作，可采用高温钼-锰法制作工艺。外壳内部位真空环境。
本实施例中输入窗口厚度在3～5mm为宜。输入窗口内表面镀有一层导电薄膜，可采用铝或银，厚度在100nm左右为宜。导电薄膜的作用主要是为光电阴极1补充电子。光电阴极1制作于导电薄膜上，不同的光电阴极材料响应不同波段的信号光，例如双碱阴极，可以响应300nm—650nm波段的信号光，紫外信号光可采用MgF2或GaF2制作光电阴极1；可见光波段可采用硼硅玻璃制作光电阴极1。
本实施例中光电阴极1与微通道板3之间按电子光学设计合适的第一静电聚焦电极2，通常有双圆筒结构或双球体机构，使得电子图像经过特定电场聚焦在微通道板3上形成倒立的实像。
本实施例中微通道板3采用平面结构，可根据增益要求可选用一片或多片微通道板。工作时，微通道板输入、输出面加载800到1000V的电压。
本实施例中微通道板3与半导体超快探测芯片5之间采用与第一静电聚焦电极2相同的第二静电聚焦电极4，第二静电聚焦电极4使得倍增后的倒立的电子图像在半导体芯片5上成正立的实像。电子最终的能量能够增加在15KeV以上，能够有效激发半导体内非平衡载流子。
本实施例中如图2所示，半导体探测芯片5包括沿信号传输方向依次设置的调制光栅11，铝膜12，半导体超快响应材料13以及增透膜14。
半导体超快响应材料13可采用低温外延生长的GaAs材料，该材料具有超快的载流子复合速率，非平衡载流子寿命能够达到皮秒量级。外延生长的半导体超快响应材料13厚度在5μm左右，在半导体超快响应材料13表面镀一层增透膜14，并热熔粘合与输出窗口的内表面，然后将半导体超快响应材料13的衬底去除，在材料表面镀上一层200nm左右的导电层(本实施例中采用铝膜)，并在铝膜上制作调制光栅11，周期为50～80lp/mm。
本实施例探测器的具体工作原理如下：
目标发射的微弱超快信号图像6，经光学***汇聚到光电阴极1上，由光电阴极1发射超短光电子脉冲图像7，经过第二静电聚焦电极2汇聚在微通道板3上成倒立的像，电子在微通道板3中倍增，形成倍增后的电子图像8，再经过第二静电聚焦电极4聚焦和加速后轰击到半导体超快探测芯片5上，芯片上的金属光栅11对入射电子束脉冲进行调制，部分电子被阻挡在半导体材料外，入射进半导体材料内部的高能电子由碰撞激发出更多的非平衡载流子，从而在半导体材料内部形成瞬时相位光栅15，瞬时相位光栅15持续的时间与半导体的载流子寿命有关，瞬时相位光栅15的衍射强度与入射电子强度有关。信号读出时，探测光9从输出窗口入射经，过输出窗口、增透膜14、半导体超快响应材料13，最后由半导体材料表面的铝膜12按原路反射回来，同时相位光栅15的衍射光10中携带了信号光强度信息，从而实现了微弱超快信号光6的探测。
最后所应说明的是，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种倒像式像增强型超快成像探测器，其特征在于：包括外壳、输入窗口、输出窗口、光电阴极、第一静电聚焦电极、微通道板、第二静电聚焦电极和半导体探测芯片；
外壳的两端分别设置有输入窗口以及输出窗口；
输入窗口内表面镀有一层导电薄膜，光电阴极制作于导电薄膜上；
半导体探测芯片紧贴输出窗口内表面设置；
光电阴极与半导体探测芯片之间依次设置有第一静电聚焦电极、微通道板以及第二静电聚焦电极；第一静电聚焦电极和第二静电聚焦电极相同；
微通道板的输入面和输出面加载工作电压。
2.根据权利要求1所述的倒像式像增强型超快成像探测器，其特征在于：所述第一静电聚焦电极和第二静电聚焦电极为双圆筒结构或双球体结构。
3.根据权利要求2所述的倒像式像增强型超快成像探测器，其特征在于：所述半导体探测芯片包括沿信号传输方向依次设置的调制光栅，铝膜，半导体超快响应材料以及增透膜。
4.根据权利要求3所述的倒像式像增强型超快成像探测器，其特征在于：所述调制光栅采用金属材料，光栅周期选用50～100l p/mm。
5.根据权利要求4所述的倒像式像增强型超快成像探测器，其特征在于：所述铝膜厚度为100～200nm。
6.根据权利要求5所述的倒像式像增强型超快成像探测器，其特征在于：所述半导体超快响应材料采用低温外延生长的GaAs材料。
7.根据权利要求6所述的倒像式像增强型超快成像探测器，其特征在于：所述半导体超快响应材料厚度为5μm。
8.根据权利要求7所述的倒像式像增强型超快成像探测器，其特征在于：所述外壳采用金属陶瓷制作。
9.根据权利要求8所述的倒像式像增强型超快成像探测器，其特征在于：所述光电阴极可根据信号光波段选择响应的材料，其厚度为3～5mm；导电薄膜的厚度为100nm。
10.根据权利要求9所述的倒像式像增强型超快成像探测器，其特征在于：所述微通道板为单片或多片构成。
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