一種提高光電倍增器光陰極光利用率的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】一種提高光電倍增器光陰極光利用率的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，步驟如下：1、選取光電倍增器幾何體的形狀參數(shù)；2、在程序中描述其基本幾何特征層；3、輸入所述基本幾何特征層的材料參數(shù)；4、定義相鄰基本幾何特征層之間的界面；5、光子在工作介質(zhì)中隨機(jī)產(chǎn)生，方向隨機(jī)，波長從探測光譜抽樣；6、模擬光子在上述材料中的物理過程，并判斷光子是否到達(dá)光陰極界面；7、計(jì)算得出光子到達(dá)光陰極的比例并判斷是否返回步驟2，從而得到光子到達(dá)光陰極的比例隨形狀參數(shù)值的變化曲線，據(jù)此來選擇最優(yōu)的形狀參數(shù)值，以提高光陰極光利用率，達(dá)到提高光電倍增器性能的目的；本方法可針對光電倍增器的工作環(huán)境和光電倍增器的探測光譜來進(jìn)行專門的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【專利說明】—種提高光電倍增器光陰極光利用率的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光探測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種提高光電倍增器光陰極光利用率的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光電倍增器(Photomultiplier)廣泛應(yīng)用于光譜分析、高能物理、環(huán)境監(jiān)測、遙感衛(wèi)星檢測等領(lǐng)域，是可以將微弱光信號通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電信號并利用二次發(fā)射電極轉(zhuǎn)為電子倍增的電真空器件，其典型結(jié)構(gòu)如圖2。它的工作原理是將接收到的光輻射轉(zhuǎn)化為電子，經(jīng)過倍增極的放大作用，輸出一個(gè)足夠大的電信號。通過光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的構(gòu)件被稱為光陰極。
[0003]光陰極是接收光子并放出光電子的薄層材料，具有很小的逸出功，一般在真空中把光陰極材料鍍在入射窗的內(nèi)表面，形成透明的端窗光陰極；或鍍在管殼內(nèi)側(cè)面和入射窗的內(nèi)表面上形成透明的四面窗光陰極；或鍍在離管殼內(nèi)一定距離處的金屬基底上，形成不透明的反射式光陰極。入射窗的形狀影響了光從入射窗入射到光陰極的比例，從而影響了光的利用率，最終影響光電倍增器的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種提高光電倍增器光陰極光利用率的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過優(yōu)化光電倍增器入射窗、光陰極的形狀來提高光電倍增器光陰極光利用率，從而達(dá)到提高光電倍增器性能的目的。
[0005]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種提高光電倍增器光陰極光利用率的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟:
[0007]步驟1:選取光電倍增器幾何體的形狀參數(shù)，對于橢球體選取長短軸比為形狀參數(shù)R，所述的形狀參數(shù)R選取的初始形狀參數(shù)值為1.0 ；
[0008]步驟2:利用蒙特卡洛程序描述光電倍增器的幾何體的基本幾何特征層，基本幾何特征層分為五部分，從外向里分別是:光電倍增器工作介質(zhì)1、入射窗玻璃層2、光陰極3、真空4、電子倍增部分5 ；
[0009]步驟3:輸入所述基本幾何特征層的材料參數(shù)，材料參數(shù)包括:化學(xué)成分、密度、物質(zhì)對于不同波長光的折射率和吸收長度；
[0010]步驟4:定義光電倍增器相鄰基本幾何特征層之間的界面，從外向里依次包括四個(gè)界面，分別為入射窗玻璃界面8、光陰極界面9、真空界面10、電子倍增器界面11，當(dāng)光通過界面時(shí)有反射和折射，服從斯涅爾定律；
[0011]步驟5:根據(jù)探測光光譜抽樣光子的波長，光子隨機(jī)產(chǎn)生于靠近入射窗玻璃界面8的光電倍增器工作介質(zhì)中，運(yùn)動方向隨機(jī)，為了減小統(tǒng)計(jì)誤差每次模擬預(yù)設(shè)數(shù)量的光子；
[0012]步驟6:模擬光子在上述材料中的物理過程，并判斷光子是否到達(dá)光陰極3 ；
[0013]步驟7:計(jì)算得出光子到達(dá)光陰極3的比例A，A=m/n，其中:n為在光電倍增器工作介質(zhì)I中產(chǎn)生的到達(dá)入射窗玻璃界面8的光子數(shù)，m為到達(dá)光陰極3的光子數(shù)；根據(jù)如下判斷規(guī)則決定是否返回步驟2;
[0014]判斷規(guī)則為:每一個(gè)形狀參數(shù)值對應(yīng)一個(gè)光子到達(dá)光陰極3的比例，通過增大形狀參數(shù)R的形狀參數(shù)值，能夠得到光子到達(dá)光陰極3的比例隨所述形狀參數(shù)值的變化曲線，得到的曲線中光子到達(dá)光陰極3的比例最大值，對應(yīng)的形狀參數(shù)值為最優(yōu)形狀參數(shù)值，當(dāng)達(dá)光陰極3的比例為最大值時(shí)，輸出結(jié)果，否則，返回步驟2重復(fù)上述步驟。
[0015]所述增大形狀參數(shù)R的形狀參數(shù)值具體方法為:每次返回步驟2時(shí)，將橢球體的長軸固定，調(diào)整形狀參數(shù)R，形狀參數(shù)R在1.0到2.0之間每隔0.1調(diào)整一次，大于2.0時(shí)每隔1.0調(diào)整一次直到為6.0。
[0016]所述光電倍增器工作介質(zhì)I的材料為液體閃爍體、水或真空。
[0017]所述光陰極3為透射式光陰極。
[0018]所述電子倍增部分5為打拿極式或者微通道板式。
[0019]本發(fā)明采用通過優(yōu)化光電倍增器入射窗、光陰極的形狀來提高光電倍增器光陰極光利用率，從而達(dá)到提高光電倍增器性能的目的。具有方法簡單、結(jié)果誤差小、可操作性強(qiáng)、優(yōu)化后光陰極光利用率顯著提高的特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明流程示意圖。
[0021]圖2為透射式光陰極光電倍增器的典型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3為橢球形透射式光陰極光電倍增器上半個(gè)橢球剖面示意圖。
[0023]圖4為透射式光陰極光電倍增器的入射物理過程示意圖。
[0024]圖5為光子到達(dá)光陰極的比例隨長短軸比變化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明一種提高光電倍增器光陰極光利用率的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟:
[0027]步驟1:選取光電倍增器幾何體的形狀參數(shù)，對于橢球體選取長短軸比為形狀參數(shù)R，所述的形狀參數(shù)R選取的初始形狀參數(shù)值為1.0 ；
[0028]步驟2:利用蒙特卡洛程序描述光電倍增器的幾何體的基本幾何特征層，基本幾何特征層分為五部分，從外向里分別是:光電倍增器工作介質(zhì)1、入射窗玻璃層2、光陰極3、真空4、電子倍增部分5 ；
[0029]步驟3:輸入所述基本幾何特征層的材料參數(shù)，材料參數(shù)包括:化學(xué)成分、密度、物質(zhì)對于不同波長光的折射率和吸收長度；
[0030]步驟4:定義光電倍增器相鄰基本幾何特征層之間的界面，從外向里依次包括四個(gè)界面，分別為入射窗玻璃界面8、光陰極界面9、真空界面10、電子倍增器界面11，當(dāng)光通過界面時(shí)有反射和折射，服從斯涅爾定律；
[0031]步驟5:根據(jù)探測光光譜抽樣光子的波長，光子隨機(jī)產(chǎn)生于靠近入射窗玻璃界面8的光電倍增器工作介質(zhì)中，運(yùn)動方向隨機(jī)，為了減小統(tǒng)計(jì)誤差每次模擬預(yù)設(shè)數(shù)量的光子；[0032]步驟6:模擬光子在上述材料中的物理過程，并判斷光子是否到達(dá)光陰極3 ；
[0033]步驟7:計(jì)算得出光子到達(dá)光陰極3的比例A，A=m/n，其中:n為在光電倍增器工作介質(zhì)I中產(chǎn)生的到達(dá)入射窗玻璃界面8的光子數(shù)，m為到達(dá)光陰極3的光子數(shù)；根據(jù)如下判斷規(guī)則決定是否返回步驟2;
[0034]判斷規(guī)則為:每一個(gè)形狀參數(shù)值對應(yīng)一個(gè)光子到達(dá)光陰極3的比例，通過增大形狀參數(shù)R的形狀參數(shù)值，能夠得到光子到達(dá)光陰極3的比例隨所述形狀參數(shù)值的變化曲線，得到的曲線中光子到達(dá)光陰極3的比例最大值，對應(yīng)的形狀參數(shù)值為最優(yōu)形狀參數(shù)值，當(dāng)達(dá)光陰極3的比例為最大值時(shí)，輸出結(jié)果，否則，返回步驟2重復(fù)上述步驟。
[0035]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述增大形狀參數(shù)R的形狀參數(shù)值具體方法為:每次返回步驟2時(shí)，將橢球體的長軸固定，調(diào)整形狀參數(shù)R，形狀參數(shù)R在1.0到2.0之間每隔
0.1調(diào)整一次，大于2.0時(shí)每隔1.0調(diào)整一次直到為6.0。
[0036]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述光電倍增器工作介質(zhì)I的材料為液體閃爍體、
水或真空。
[0037]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述光陰極3為透射式光陰極。
[0038]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述電子倍增部分5為打拿極式或者微通道板式。
[0039]實(shí)施例
[0040]以5英寸球形光電倍增器為例,工作介質(zhì)為鏈?zhǔn)綗揭后w閃爍體,入射窗為電真空玻璃(厚度4mm)，光陰極為GaAs (厚度20nm)。
[0041]如圖2所示，光子從工作介質(zhì)鏈?zhǔn)酵榛揭后w閃爍體產(chǎn)生，到達(dá)球形光電倍增器的入射窗電真空玻璃界面的光子數(shù)為n，然后經(jīng)過折射和反射等一系列入射過程后，到達(dá)光陰極的光子數(shù)為m，在光陰極中經(jīng)過光電效應(yīng)、折射和反射等一系列物理過程后，到達(dá)真空4，最后由光經(jīng)過光陰極時(shí)發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子通過聚焦達(dá)到電子倍增部分5 (打拿極式或者微通道板式)。把A=m/n設(shè)為光子到達(dá)光陰極的比例。
[0042]如圖4所示，光子從光電倍增器外部進(jìn)入入射窗玻璃層、光陰極和真空層，光子每經(jīng)過一種介質(zhì)都會發(fā)生反射、折射和吸收，在光電倍增器光陰極中還發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子。為了增大光子到達(dá)光陰極的比例A，可以通過改變光電倍增器的入射窗玻璃層、光陰極的形狀來實(shí)現(xiàn)。
[0043]現(xiàn)主要研究光電倍增器有光陰極的上半部分，通過把圖2球形光電倍增器的形狀從球形變成橢球形，上半個(gè)橢球剖面如圖3，上半個(gè)橢球剖面為上半個(gè)橢圓，其長軸6為a，短軸7為b,長短軸之比R=a/b。
[0044]如圖3所示，長軸固定為5英寸，短軸則根據(jù)長短軸比R進(jìn)行變化。對應(yīng)的程序每次運(yùn)行前需要對入射窗玻璃層的長短軸比R進(jìn)行調(diào)整，長短軸比R在1.0到2.0之間每隔
0.1調(diào)整一次，大于2.0時(shí)每隔1.0調(diào)整一次直到為6.0?？稍谀M計(jì)算過程中逐步根據(jù)已有結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和預(yù)測，以完整地體現(xiàn)光子到達(dá)光陰極3的比例隨長短軸比R的變化趨勢。模擬計(jì)算出來的光子到達(dá)光陰極3的比例A如圖5所示，從圖5可以看出:當(dāng)長短軸比R=L O時(shí)，光子到達(dá)光陰極3的比例為85.22%，當(dāng)長短軸比R=L 8時(shí)對應(yīng)的光子到達(dá)光陰極3的比例為最大89.98% ;從圖5可以得到當(dāng)長短軸比R=L 8時(shí)，光子到達(dá)光陰極3的比例A為最大值，R=1.8時(shí)光子到達(dá)光陰極3的比例比R=L O時(shí)光子到達(dá)光陰極3的比例提高了
5.59%。所以長短軸比R=L 8是此橢球體在工作介質(zhì)為鏈?zhǔn)酵榛揭后w閃爍體、入射窗為電真空玻璃(厚度4_)、光陰極為GaAs (厚度20nm)時(shí)的最優(yōu)形狀參數(shù)值。
[0045]運(yùn)用此方法還能對球形、薄圓片形等不同形狀的入射窗的所有形狀參數(shù)分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以找到相應(yīng)的光子到達(dá)光陰極的最大比例所對應(yīng)的最優(yōu)形狀參數(shù)值，包括厚度等形狀參數(shù)。本方法也可針對光電倍增器的工作環(huán)境(液體閃爍體、水或真空)和光電倍增器的探測光譜來進(jìn)行專門的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【權(quán)利要求】
1.一種提高光電倍增器光陰極光利用率的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:選取光電倍增器幾何體的形狀參數(shù)，對于橢球體選取長短軸比為形狀參數(shù)R，所述的形狀參數(shù)R選取的初始形狀參數(shù)值為1.0 ；步驟2:利用蒙特卡洛程序描述光電倍增器的幾何體的基本幾何特征層，基本幾何特征層分為五部分，從外向里分別是:光電倍增器工作介質(zhì)(I)、入射窗玻璃層(2)、光陰極(3)、真空(4)、電子倍增部分(5)； 步驟3:輸入所述基本幾何特征層的材料參數(shù)，材料參數(shù)包括:化學(xué)成分、密度、物質(zhì)對于不同波長光的折射率和吸收長度； 步驟4:定義光電倍增器相鄰基本幾何特征層之間的界面，從外向里依次包括四個(gè)界面，分別為入射窗玻璃界面(8)、光陰極界面(9)、真空界面(10)、電子倍增器界面(11)，當(dāng)光通過界面時(shí)有反射和折射，服從斯涅爾定律； 步驟5:根據(jù)探測光光譜抽樣光子的波長，光子隨機(jī)產(chǎn)生于靠近入射窗玻璃界面(8)的光電倍增器工作介質(zhì)中，運(yùn)動方向隨機(jī)，為了減小統(tǒng)計(jì)誤差每次模擬預(yù)設(shè)數(shù)量的光子； 步驟6:模擬光子在上述材料中的物理過程，并判斷光子是否到達(dá)光陰極(3)； 步驟7:計(jì)算得出光子到達(dá)光陰極(3)的比例A，A=m/n，其中:n為在光電倍增器工作介質(zhì)(I)中產(chǎn)生的到達(dá)入射窗玻璃界面(8)的光子數(shù)，m為到達(dá)光陰極(3)的光子數(shù)；根據(jù)如下判斷規(guī)則決定是否返回步驟2 ； 判斷規(guī)則為:每一個(gè)形狀參數(shù)值對應(yīng)一個(gè)光子到達(dá)光陰極(3)的比例，通過增大形狀參數(shù)R的形狀參數(shù)值，能夠得到光子到達(dá)光陰極(3)的比例隨所述形狀參數(shù)值的變化曲線，得到的曲線中光子到達(dá)光陰極(3)的比例最大值，對應(yīng)的形狀參數(shù)值為最優(yōu)形狀參數(shù)值，當(dāng)達(dá)光陰極(3)的比例為最大值時(shí)，輸出結(jié)果，否則，返回步驟2重復(fù)上述步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述增大形狀參數(shù)R的形狀參數(shù)值具體方法為:每次返回步驟2時(shí)，將橢球體的長軸固定，調(diào)整形狀參數(shù)R，形狀參數(shù)R在1.0到2.0之間每隔0.1調(diào)整一次，大于2.0時(shí)每隔1.0調(diào)整一次直到為6.0。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述光電倍增器工作介質(zhì)(I)的材料為液體閃爍體、水或真空。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述光陰極(3)為透射式光陰極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述電子倍增部分(5)為打拿極式或者微通道板式。
【文檔編號】H01J43/28GK103456594SQ201310335276
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月2日
【發(fā)明者】張清民, 嚴(yán)俊, 賀朝會, 王三丙, 羅茂益 申請人:西安交通大學(xué)