CN111463099B - 近贴聚焦型光电倍增管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种近贴聚焦型光电倍增管，包括圆筒形管壳、铟锡合金环、环形记忆合金弹簧、装配环、陶瓷定位环、微通道板、压紧环及阴极输入光窗。压紧环、微通道板以及陶瓷定位环依次装配在装配环的上部。环形记忆合金弹簧设置在装配环的下部。阴极输入光窗设置在压紧环的顶部。铟锡合金环设置在圆筒形管壳的储铟槽内。装配环组件作为整体安装到所述圆筒形管壳中，并且所述环形记忆合金弹簧在其处于伸长状态下将其装入圆筒形管壳的底部，并且环形记忆合金弹簧底端与圆筒形管壳的底面连接固定。本发明利用形状记忆合金的温控记忆效应，在热铟封工艺过程中阴极光窗与通道板之间获得精确的近贴间距，避免封接材料对近贴间距的干扰。

Description

近贴聚焦型光电倍增管

技术领域

本发明涉及光电倍增管技术领域，具体而言涉及一种利用形状记忆合金实现的近贴聚焦型光电倍增管。

背景技术

光电倍增管(MCP)是一种将微弱光信号转换为电子信号的探测器件，其广泛用于高能物理、分析仪器、石油测井、医疗仪器以及军事领域。随着特殊领域的应用需求及性能要求的提出，近贴聚焦型的微通道板光电倍增管已经在光电探测领域占据了不可替代的地位。

现有技术中，为实现微通道板型光电倍增管(PMT-MCP)的快速时间响应及抗磁场性能，微通道板与阴极输入光窗之间需要采用近贴聚焦结构，近贴间距往往在0.2-0.3mm之间，结构如图1所示。热熔铟封技术广泛应用于该型光电倍增管的盖帽密封，该技术以铟锡合金为焊料熔融在管壳储铟槽内，通过铟封转移设备将阴极制备完成的光窗转移到管壳上方实现封接。因而，铟封冷却后由于铟封合金的溢出高度d为不确定变量，如图2，导致近贴间距与实际设计间距存在不可忽视的误差，且整管制作完成后，近贴间距很难直接进行准确地测量。因此，如何更精确地控制近贴间距成为需要解决的关键技术。

发明内容

为解决光电倍增管传统结构的近贴间距由于密封材料高度引入的误差，及制管后近贴间距测试困难的问题，本发明提供了一种利用形状记忆合金实现近贴聚焦的光电倍增管结构，利用形状记忆合金的温控记忆效应，在热铟封工艺过程中阴极光窗与通道板之间获得精确的近贴间距，避免了封接材料对近贴间距的干扰。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种近贴聚焦型光电倍增管，包括圆筒形管壳、铟锡合金环、环形记忆合金弹簧、装配环、陶瓷定位环、微通道板、压紧环及阴极输入光窗，其中：

所述装配环采用合金材质制备，并具有一台阶面，所述台阶面限定了上部和下部，所述压紧环、微通道板以及陶瓷定位环从上到下依次装配并压紧在装配环的上部，构成装配环组件；

所述陶瓷定位环被设置成用于提供装配环与微通道板之间的电性绝缘，并且对微通道板进行位置固定；

所述微通道板具有由实心玻璃管构成的***区以及由空心玻璃管构成的电子倍增有效区，***区环绕电子倍增有效区；

所述环形记忆合金弹簧设置在装配环的下部，并且其内径大于微通道板的有效区直径；环形记忆合金弹簧的相变温度低于所述铟锡合金环的熔点；

所述阴极输入光窗设置在压紧环的顶部；

所述圆筒形管壳的顶部设置有环形凹槽，构成储铟槽，所述铟锡合金环设置在所述储铟槽内；

其中，所述装配环组件作为整体安装到所述圆筒形管壳中，并且所述环形记忆合金弹簧在其处于伸长状态下将其装入圆筒形管壳的底部，并且环形记忆合金弹簧底端通过点焊或激光焊接方式与圆筒形管壳的底面连接固定。

优选地，所述压紧环和陶瓷定位环在各自与微通道板接触的面上制备有电极，用于实现微通道板的输入端与输出端的电性引出。

优选地，所述圆筒形管壳采用金属与陶瓷多层封接制备，壳体的圆筒部分采用氧化铝或氮化铝陶瓷制作，内部的储铟槽采用4J29合金材料制作，陶瓷与合金件之间通过无氧铜焊料钎焊连接。

优选地，所述环形记忆合金弹簧采用CuZnAl记忆合金。

优选地，所述装配环采用4J29合金材料制备。

优选地，所述阴极输入光窗上设置有导电层及封接层，导电层为NiCr膜层，膜层厚度为30nA,封接层采用多层金属膜层。

优选地，所述圆筒形管壳的底部设置有第一凸起部件，装配环的底部设置有第二凸起部件，在装配环组件装入圆筒形管壳时，所述第一凸起部件与第二凸起部件形成嵌套关系。

优选地，在铟封过程中，当铟封温度高于环形记忆合金弹簧相变温度范围时，所述环形记忆合金弹簧处于缩短状态，使得装配环、微通道板及压紧环的整体高度低于铟封槽的内沿顶面高度。

优选地，在铟封完成后，当降温至环形记忆合金弹簧的相变温度以下时，铟锡合金处于凝固状态，而环形记忆合金弹簧由收缩状态转变为伸长状态，从而对微通道板施加压力，并使得压紧环与阴极输入光窗直接接触，实现近贴聚焦。

由此，在本发明的近贴聚焦型光电倍增管中，支撑弹簧部件采用双程形状记忆合金制作，合金相变温度范围低于铟封温度，其记忆变形温控范围可较好兼容光电倍增管阴极制作及铟封的工艺温度，从而利用形状记忆合金的温控记忆效应，在热铟封工艺过程中阴极光窗与通道板之间获得精确的近贴间距，提供精确的近贴间距，避免了封接材料对近贴间距的干扰。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是现有技术中微通道板型光电倍增管的结构示意图。

图2是现有技术中微通道板型光电倍增管的铟封结构示意图。

图3是本发明的近贴聚焦型光电倍增管的***结构示意图。

图4是本发明的近贴聚焦型光电倍增管结构的室温转配后示意图。

图5是图4实施例中A处的局部放大图。

图6是本发明的近贴聚焦型光电倍增管结构在130℃铟封时管壳内部结构状态示意图

图7是图6实施例中A处的局部放大图。

图8是铟封后降温至弹簧相变及逆相变温度以下时管壳内部结构状态示意图

图9是图8实施例中A处的局部放大图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图3-图9所示，根据本发明的实施例的近贴聚焦型光电倍增管，包括圆筒形管壳1、铟锡合金环2、环形记忆合金弹簧3、装配环4、陶瓷定位环5、微通道板6、压紧环7及阴极输入光窗8。

示例性的例子中，装配环4采用合金材质制备，并具有一台阶面，台阶面限定了上部和下部，压紧环7、微通道板6以及陶瓷定位环5从上到下依次装配并压紧在装配环4的上部，构成装配环组件。

圆筒形管壳1的顶部设置有环形凹槽，构成储铟槽12，铟锡合金环2设置在储铟槽12内。

优选地，圆筒形管壳1采用金属与陶瓷多层封接制备，壳体的圆筒部分采用氧化铝或氮化铝陶瓷制作，内部的储铟槽12采用4J29合金材料制作，陶瓷与合金件之间通过无氧铜焊料钎焊连接。优选地，铟锡合金环2采用In55Sn48铟锡合金。

在另外的实施例中，应当理解，圆筒形管壳1内设置去其他部件，例如焊接点、阳极输出端以及以下示例中将描述用于定位的第一凸起部件(环形)11均采用4J29合金加工。

陶瓷定位环5被设置成用于提供装配环4与微通道板6之间的电性绝缘，并且对微通道板进行位置固定。

微通道板6具有由实心玻璃管构成的***区以及由空心玻璃管构成的电子倍增有效区，***区环绕电子倍增有效区。***区形成的实体边可用于支撑和固定接触。微通道板6在本发明的实施过程中可采用单片或双片叠加，以实现不同的增益。

环形记忆合金弹簧3设置在装配环4的下部，并且其内径大于微通道板6的有效区直径；环形记忆合金弹簧3的相变温度低于铟锡合金环2的熔点。

优选地，压紧环7和陶瓷定位环5在各自与微通道板6接触的面上制备有电极，用于实现微通道板6的输入端与输出端的电性引出。例如，采用陶瓷电镀或电子束蒸发镀膜技术在二者与微通道板6接触的面制作电极，从而实现微通道板的输入端与输出端的电性引出。压紧环7的高度根据近贴间距需求加工。

如图3，压紧环7和陶瓷定位环5的边缘分别设置了电极引出的凸出部，对应地在装配环4上的相应位置设置缺口，供凸出部通过以进行电极引出。

结合图3所示，阴极输入光窗8在其制备好之后，转移设置在压紧环7的顶部，实现封接。

如图3所示，装配环组件作为整体安装到圆筒形管壳1中，并且环形记忆合金弹簧3在其处于伸长状态下将其装入圆筒形管壳1的底部，并且环形记忆合金弹簧3底端与圆筒形管壳1的底面连接固定。

优选地，环形记忆合金弹簧3在由双程形状记忆合金加工而成，其奥氏体及马氏体相变温度均应远低于铟锡合金的熔点，预先经过记忆训练的合金弹簧，可在高温下缩短、低温时伸长，且具备多次反复的形变效果。尤其优选的是采用CuZnAl记忆合金的弹簧。

环形记忆合金弹簧3的内径应大于微通道板有效区直径，避免电子迁移到阳极时受弹簧件的干扰。

优选地，环形记忆合金弹簧3的外径应当略小于圆筒形管壳1的底部的第一凸起部件(环形)11的内径，从而保证弹簧上下伸缩不受影响，尤其可选的方案中，环形记忆合金弹簧3的一端可以采用点焊或激光焊接方式与圆筒形管壳1的底面连接固定。

优选地，装配环4采用4J29合金材料制备。

优选地，阴极输入光窗8上设置有导电层及封接层，导电层为NiCr膜层，膜层厚度为30nA,封接层采用多层金属膜层，例如可为玻璃/Ni(200nm)/Cu(600nm)/Ag(100nm)。

结合图3以及图4-9所示的封接过程，圆筒形管壳1的底部设置有第一凸起部件11，装配环4的底部设置有第二凸起部件41，在装配环组件装入圆筒形管壳1时，第一凸起部件11与第二凸起部件41形成嵌套关系。

在铟封过程中，当铟封温度高于环形记忆合金弹簧3相变温度范围时，环形记忆合金弹簧3处于缩短状态，使得装配环4、微通道板6及压紧环7的整体高度低于铟封槽的内沿顶面高度。

在铟封完成后，当降温至环形记忆合金弹簧3的相变温度以下时，铟锡合金处于凝固状态，而环形记忆合金弹簧3由收缩状态转变为伸长状态，从而对微通道板6施加压力，并使得压紧环7与阴极输入光窗8直接接触，实现近贴聚焦。

下面结合附图4-9以及图3所示，更加具体地描述上述光电倍增管的装配过程，尤其是其铟封封接。

A.装配：先将陶瓷定位环5装入装配环4内，再将微通道板6放入陶瓷定位环5中，最后将压紧环7放置在通道板6上方固定微通道板的位置，将处于伸长状态环形记忆合金弹簧3装入圆筒形管壳，将装配环组件装入圆筒形管壳1，并遵从第一凸起部件11与第二凸起部件41的嵌套关系进行装配，装配好的管壳如图4、5所示。

B.烘烤除气：将装配好的圆筒形管壳送入阴极转移设备进行烘烤除气，烘烤除气升降温过程中，环形记忆合金弹簧3经历记忆形变，室温时恢复伸长状态。

C.阴极制作：当升温至阴极制作目标温度170℃过程中，温度高于环形记忆合金弹簧3的相变温度后，环形记忆合金弹簧3处于缩短状态，且此时因环形记忆合金弹簧3缩短，压紧环7的靠近光窗的面71不高于储铟槽12内沿顶面121，如图6、7所示。

D.铟封：阴极制作完成后由170℃降温至铟封温度130℃时，转移阴极输入光窗实现封接。

结合图6、7所示，由于此时铟封温度仍高于环形记忆合金弹簧3的相变温度范围，因此环形记忆合金弹簧3依旧处于缩短状态，装配环、微通道板及压紧环的整体高度低于铟封槽12的内沿高度121，因此不会因装配组件与阴极输入光窗存在接触导致铟封错位或者封接失败。

铟封完成后，自然降温至记忆合金转变温度以下时，此时铟锡合金铟锡合金环处于凝固状态，而弹簧由收缩转变为如图8、9所示的伸长状态，从而对微通道板施加压力，使得压紧环7与阴极输入光窗直接接触，实现精确地近贴聚焦，规避了传统管壳密接材料高度对近贴间距造成的误差影响。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (5)

1.一种近贴聚焦型光电倍增管，其特征在于，包括圆筒形管壳（1）、铟锡合金环（2）、环形记忆合金弹簧（3）、装配环（4）、陶瓷定位环（5）、微通道板（6）、压紧环（7）及阴极输入光窗（8），其中：

所述装配环（4）采用合金材质制备，并具有一台阶面，所述台阶面限定了上部和下部，所述压紧环（7）、微通道板（6）以及陶瓷定位环（5）从上到下依次装配并压紧在装配环（4）的上部，构成装配环组件；

所述陶瓷定位环（5）被设置成用于提供装配环（4）与微通道板（6）之间的电性绝缘，并且对微通道板进行位置固定；

所述微通道板（6）具有由实心玻璃管构成的***区以及由空心玻璃管构成的电子倍增有效区，***区环绕电子倍增有效区；

所述环形记忆合金弹簧（3）设置在装配环（4）的下部，并且其内径大于微通道板（6）的有效区直径；环形记忆合金弹簧（3）的相变温度低于所述铟锡合金环（2）的熔点；

所述阴极输入光窗（8）设置在压紧环（7）的顶部；

所述圆筒形管壳（1）的顶部设置有环形凹槽，构成储铟槽（12），所述铟锡合金环（2）设置在所述储铟槽（12）内；

其中，所述装配环组件作为整体安装到所述圆筒形管壳（1）中，并且所述环形记忆合金弹簧（3）在其处于伸长状态下将其装入圆筒形管壳（1）的底部，并且环形记忆合金弹簧（3）底端通过点焊或激光焊接方式与圆筒形管壳（1）的底面连接固定；

所述铟锡合金环（2）采用In55Sn48铟锡合金；所述环形记忆合金弹簧（3）采用CuZnAl记忆合金弹簧；

其中，在铟封过程中，当铟封温度高于环形记忆合金弹簧（3）相变温度范围时，所述环形记忆合金弹簧（3）处于缩短状态，使得装配环（4）、微通道板（6）及压紧环（7）的整体高度低于铟封槽的内沿顶面高度；

在铟封完成后，当降温至环形记忆合金弹簧（3）的相变温度以下时，铟锡合金处于凝固状态，而环形记忆合金弹簧（3）由收缩状态转变为伸长状态，从而对微通道板（6）施加压力，并使得压紧环（7）与阴极输入光窗（8）直接接触，实现近贴聚焦。

2.根据权利要求1所述的近贴聚焦型光电倍增管，其特征在于，所述压紧环（7）和陶瓷定位环（5）在各自与微通道板（6）接触的面上制备有电极，用于实现微通道板（6）的输入端与输出端的电性引出。

3.根据权利要求1所述的近贴聚焦型光电倍增管，其特征在于，所述圆筒形管壳（1）采用金属与陶瓷多层封接制备，壳体的圆筒部分采用氧化铝或氮化铝陶瓷制作，内部的储铟槽（12）采用4J29合金材料制作，陶瓷与合金件之间通过无氧铜焊料钎焊连接。

4.根据权利要求1所述的近贴聚焦型光电倍增管，其特征在于，所述阴极输入光窗（8）上设置有导电层及封接层，导电层为NiCr膜层，膜层厚度为30nA, 封接层采用多层金属膜层。

5.根据权利要求1所述的近贴聚焦型光电倍增管，其特征在于，所述圆筒形管壳（1）的底部设置有第一凸起部件（11），装配环（4）的底部设置有第二凸起部件（41），在装配环组件装入圆筒形管壳（1）时，所述第一凸起部件（11）与第二凸起部件（41）形成嵌套关系。

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