ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ С ПЛАТОЙ ГАЗОВОГО ЭЛЕКТРОННОГО УМНОЖИТЕЛЯ Российский патент 2023 года по МПК H01J43/04 H01J47/02 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА СМЕЖНЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Настоящая заявка испрашивает преимущество по предварительной заявке на патент США №62/969,389, поданной 3 февраля 2020 г. и озаглавленной «Gas Electron Multiplier Board Photomultiplier», которая полностью включена в настоящий документ путем ссылки.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) может обнаруживать свет в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра путем переноса энергии поглощенных фотонов в излучаемые электроны для получения электрического сигнала. В некоторых ФЭУ для умножения электронов используется вакуумная трубка и структура динодов. Они умножают ток, производимый падающим светом, в 100 миллионов раз (например, примерно 160 дБ) в нескольких динодных каскадах и тем самым обеспечивают низкий порог обнаружения.

[0003] Некоторые ФЭУ сконструированы на основе стеклянного корпуса, который поддерживается под вакуумом. Однако такие ФЭУ могут быть хрупкими и неспособны выдерживать высокую температуру или вибрацию, например, поскольку в них может использоваться вакуумная стеклянная трубка, а внутренняя структура (например, структура динода и соединения) может быть сложной и тонкой.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В настоящем изобретении предлагается фотоэлектронный умножитель, содержащий: термостойкий и ударопрочный корпус, включающий проксимальный конец и дистальный конец; оптическое окно, расположенное на проксимальном конце корпуса; пластину торцевой стенки, расположенную на дистальном конце корпуса; проходной канал, который проникает через пластину торцевой стенки; плату газового электронного умножителя (ГЭУ) и считывающий анод, расположенные между оптическим окном и пластиной торцевой стенки, причем считывающий анод расположен между платой ГЭУ и пластиной торцевой стенки на расстоянии от пластины торцевой стенки; и фотокатод, расположенный между оптическим окном и платой ГЭУ.

[0005] Один или более из следующих признаков могут быть включены в любой целесообразной комбинации. Например, устройство может включать в себя фотокатод в виде тонкой пленки на поверхности оптического окна. Фотокатод может включать в себя антимонид калия-натрия. Проходной канал может включать в себя: электропроводящую проволоку, которая проникает через пластину торцевой стенки; и герметичное уплотнение между электропроводящей проволокой и пластиной торцевой стенки. Оптические окна могут включать в себя сапфир. Корпус может включать в себя титан или алюминий. Устройство может включать в себя газовую смесь, где газовая смесь включает в себя пропорциональный газ. Пропорциональный газ может включать в себя один из группы 18 периодической таблицы или азот. Газовая смесь может дополнительно включать в себя гасящий газ. Гасящий газ может включать в себя одно из СО₂, СН₄ или CF₄. Фотокатод может включать в себя по меньшей мере один слой осажденного из паровой фазы материала. Толщина одного или более из по меньшей мере одного слоя осажденного из паровой фазы материала может быть меньше или равна приблизительно 200 нанометрам.

[0006] Один или более из по меньшей мере одного слоя осажденного из паровой фазы материала может включать минимум 90 масс. % одного или более материалов, выбранных из группы, состоящей из сурьмы (Sb), сурьмы в соединении с калием (1:1) (KSb), сурьмы в соединении с калием (2:1) (KSb₂), сурьмы в соединении с калием (5:4) (K₅Sb₄), триоксида сурьмы (Sb₂O₃), цезия (Cs), антимонида цезия (Cs₃Sb), арсенида галлия (GaAs), арсенида галлия с цезием (GaAs(Cs)), висмутида цезия (Cs₃Bi), висмутида цезия с кислородом (Cs₃Bi(O)), висмутида цезия с серебром (Cs₃Bi(Ag)), йодида цезия (CsI), оксида цезия (Cs₂O), теллурида цезия (Cs₂Te), арсенида галлия-алюминия (Ga_0,25Al_0,75As), фосфида-арсенида галлия (GaAs_1-xP_x), фосфида-арсенида галлия с цезием (GaAs_1-xP_x(Cs)), нитрида галлия (GaN), нитрида галлия с цезием (GaN(Cs)), фосфида галлия (GaP), арсенида индия-галлия (InGaAs), арсенида индия-галлия с цезием (InGaAs(Cs)), фосфида-арсенида индия-галлия (InGaAsP), фосфида-арсенида индия-галлия с цезием (InGaAsP(Cs)), фосфида индия (InP), антимонида лития (Li₃Sb), кислорода (О), калия (K), антимонида калия (K₃Sb), бромида калия (KBr), антимонида цезия-калия (K₂CsSb), хлорида калия (KCl), оксида калия (K₂O), антимонида калия-натрия-цезия ((Cs)Na₂KSb), натрия (Na), антимонида натрия (Na₃Sb), арсенида натрия (Na₃As), антимонида натрия-цезия (Na₂CsSb), оксида натрия (Na₂O), антимонида натрия-калия (Na₂KSb), антимонида рубидия-цезия (Rb₂CsSb), серебра (Ag), серебра-висмута-кислорода-цезия (Ag-Bi-O-Cs), карбида кремния (SiC) и серебра-кислорода-цезия (Ag-O-Cs).

[0007] Один или более из по меньшей мере одного слоя осажденного из паровой фазы материала могут включать в себя минимум 90 масс. %одного или более материалов, выбранных из группы, состоящей из алюминия (Al), сурьмы (Sb), мышьяка (As), висмута (Bi), брома (Br), цезия (С), хлора (О), галлия (Ga), индия (In), лития (Li), кислорода (О), фосфора (Р), калия (K), рубидия (Rb), серебра (Ag), натрия (Na) и теллура (Те). Один или более из по меньшей мере одного слоя осажденного из паровой фазы материала могут включать в себя минимум 90 масс. %одного или более материалов, выбранных из группы, состоящей из кремния (Si), нитрида бора (BN), диоксида титана (TiO₂), карбида кремния (SiC) и диоксида кремния (SiO₂). Между фотокатодом и платой ГЭУ может быть приложена разность электрических потенциалов. Устройство может включать в себя считывающий анод. Устройство может включать в себя фокусирующий элемент. Фокусирующий элемент может включать в себя проводящие цилиндры или кольца. Корпус может быть цилиндрическим.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0008] Краткое описание каждого рисунка приведено для более подробного понимания графических материалов, используемых в подробном описании настоящего описания.

[0009] На ФИГ. 1 представлен пример вакуумной трубки фотоэлектронного умножителя с динодами.

[0010] На ФИГ. 2 представлена схематическая иллюстрация вакуумной трубки фотоэлектронного умножителя с динодами.

[0011] На ФИГ. 3 представлен схематический вид фотоэлектронного умножителя с использованием платы газового электронного умножителя (ГЭУ) в соответствии с примером осуществления.

[0012] На ФИГ. 4А схематически показан механизм умножения электронов с помощью платы ГЭУ.

[0013] На ФИГ. 4В схематически показан результат моделирования для траекторий электронов в пределах фотоэлектронного умножителя в соответствии с примером осуществления.

[0014] На ФИГ. 5 схематически показано поле электрического потенциала, приложенное внутри корпуса между фотокатодом и платой газового электронного умножителя (ГЭУ).

[0015] На ФИГ. 6А представлен схематический вид сбоку в поперечном сечении другого примера фотоэлектронного умножителя с использованием платы ГЭУ в соответствии с примером осуществления настоящего описания, и

[0016] На ФИГ. 6В представлен изометрический вид в поперечном сечении фотоэлектронного умножителя, представленного на ФИГ. 6А.

[0017] Следует понимать, что приведенные выше рисунки необязательно представлены в масштабе и отражают несколько упрощенное представление различных признаков, иллюстрирующих основные принципы настоящего описания. Конкретные проектные признаки настоящего описания, включая, например, конкретные размеры, ориентации, местоположения и формы, частично определяются конкретным предполагаемым применением и условиями использования.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0018] Некоторые фотоэлектронные умножители (ФЭУ) из-за структуры стеклянной вакуумной трубки могут быть хрупкими и несовместимыми с рабочими средами, в которых ФЭУ подвергаются воздействию высокой температуры и сильной вибрации, например, при бурении скважин. Стеклянные вакуумные трубки ФЭУ также могут быть ненадежными и дорогостоящими. Соответственно, варианты осуществления настоящего описания предлагают улучшенный фотоэлектронный умножитель, который устраняет эти недостатки. В качестве примера улучшенный фотоэлектронный умножитель может включать в себя корпус и плату газового электронного умножителя (ГЭУ), которая улучшает характеристики при ударах и вибрации. В некоторых вариантах осуществления конструкция динода может быть заменена на одну или более плат ГЭУ для уменьшения длины устройства. Области применения усовершенствованного фотоэлектронного умножителя могут включать, но не ограничиваться ими, обнаружение гамма-лучей в скважинах буровых установках, обнаружение радиоактивности в системах безопасности, в здравоохранении и т.п.

[0019] На ФИГ. 1 показан пример вакуумной трубки фотоэлектронного умножителя, в которой используются диноды 100, а на ФИГ. 2 представлено схематическое изображение вакуумной трубки фотоэлектронного умножителя с динодами 100. Как показано на ФИГ. 2, вакуумная трубная фотоэлектронного умножителя с динодами 100 может принимать падающий свет через оптическое окно 105, расположенное на конце стеклянной трубки 110. Стеклянная трубка 110 находится в условиях вакуума. Фотокатод 115 расположен на оптическом окне 105, множество динодов 120 расположено внутри стеклянной трубки 110, а анод 125 расположен после множества динодов 120. Каждый из анода 125 и множества динодов 120 соединен с контактами разъема 130 через проходные каналы. В процессе работы падающий фотон может ударить материал фото катода 115, который может быть в виде тонкого проводящего слоя, нанесенного (например, осажденного из паровой фазы) на внутреннюю поверхность оптического окна 105. Электроны могут излучаться с поверхности материала фото катода 115 из-за фотоэлектрического эффекта. Излучаемые электроны могут быть направлены фокусирующим электродом 140 на электронный умножитель, где электроны умножаются вторичным излучением. Каждый из динодов 120 может подвергаться постепенно более высокому положительному потенциалу (например, примерно на 100 Вольт) по сравнению с предыдущим динодом для привлечения электронов и продукции большего количества вторичных электронов 145. В некоторых вариантах осуществления в зависимости от целевой длины волны обнаружения в передней части оптического окна 105 может быть расположен сцинтиллятор 135. Например, для обнаружения гамма-лучей высокоэнергетические фотоны 150 могут быть преобразованы в низкоэнергетические фотоны 155 внутри сцинтиллятора 135, а высокоэнергетические фотоны 155 могут быть преобразованы в первичные электроны 160 с помощью фото катода 115.

[0020] На ФИГ. 3 представлен схематический вид одного примера осуществления фотоэлектронного умножителя 300 с использованием платы 305 газового электронного умножителя газа (ГЭУ) в соответствии с примером осуществления настоящего описания. На ФИГ. 6А-6В представлен другой пример фотоэлектронного умножителя с использованием платы ГЭУ. Как показано на ФИГ. 3, фотоэлектронный умножитель 300 может включать в себя корпус 310, который включает в себя проксимальный конец 310р и дистальный конец 310d. Фотоэлектронный умножитель 300 может включать в себя оптическое окно 315, расположенное на проксимальном конце корпуса 310, и пластину 320 торцевой стенки, расположенную на дистальном конце 310d корпуса 310. Плата 305 ГЭУ может быть расположена между оптическим окном 315 и пластиной 320 торцевой стенки. Проходной канал, проникающий через пластину 320 торцевой стенки, может быть включен для создания электрических соединений с ГЭУ.

[0021] Корпус 310 может включать в себя прочный материал, такой как металл. В некоторых вариантах осуществления корпус 310 может быть выполнен из материалов, включая, без ограничений, титан, алюминий или их сплавы. В некоторых вариантах осуществления используются материалы, такие как стекло. Однако материал, образующий корпус 310, не ограничивается этим, и можно использовать различные другие прочные материалы.

[0022] Оптическое окно 315 может включать в себя прочный и пропускающий свет материал. В некоторых вариантах осуществления оптическое окно 315 может быть выполнено из сапфира. Сапфир может обеспечивать преимущества при использовании его для создания оптического окна 315 благодаря широкой оптической полосе пропускания от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона, высокой механической прочности, высокой устойчивости к царапинам и воздействию абразивов, а также благодаря жаростойкости.

[0023] Пластина 320 торцевой стенки также может быть выполнена из прочного материала. В некоторых вариантах осуществления пластина 320 торцевой стенки может быть выполнена из того же металлического материала, что и корпус 310. В других вариантах осуществления пластина 320 торцевой стенки может быть выполнена из материала, отличного от материала корпуса 310. В определенных вариантах осуществления пластина 320 торцевой стенки может быть выполнена из керамики или металла. В вариантах осуществления, в которых пластина 320 торцевой стенки выполнена из проводящего материала (например, из металла), проходные каналы для контактов разъема могут быть изолированы. Такие изоляторы могут включать керамику или стекло, герметично прикрепленные к пластине 320 торцевой стенки с использованием, например, металлостеклянного или металлокерамического спая.

[0024] Благодаря использованию прочных материалов для создания корпуса 310, оптического окна 315 и пластины 320 торцевой стенки, варианты осуществления фотоэлектронного умножителя 300 могут выдерживать эксплуатацию в высокотемпературном режиме и/или условиях высокочастотной вибрации.

[0025] В некоторых вариантах осуществления корпус 310 может быть выполнен по существу в цилиндрической геометрии. Например, диаметр корпуса 310 может находиться в диапазоне от приблизительно 1/2 дюйма до приблизительно 1 дюйма (например, приблизительно 1/2 дюйма, приблизительно 3/4 дюйма или приблизительно 1 дюйм). Например, характерная длина корпуса 310 может находиться в диапазоне от приблизительно 1/2 дюйма до приблизительно 3 дюймов. Однако размеры фотоэлектронного умножителя 300 в соответствии с вариантами осуществления настоящего описания не ограничиваются этим, и размеры могут быть изменены в зависимости от требований конструкции и применений.

[0026] В некоторых вариантах осуществления фотокатод 325 может быть выполнен путем нанесения покрытия фотокатода на внутренней поверхности оптического окна 315. Материал фотокатода можно наносить в виде тонкой пленки. Для формирования фотокатода 325 можно использовать любые способы нанесения тонкой пленки. Например, химическое осаждение, такое как электролитическое осаждение, химическое осаждение из раствора (CSD), осаждение в соляной ванне (CBD), метод Ленгмюра - Блоджетт, центробежное покрытие, покрытие погружением, химическое осаждение из паровой фазы (CVD), плазмохимическое осаждение из паровой фазы и осаждение атомных слоев (ALD); или физическое осаждение, такое как физическое осаждение из паровой фазы (PVD), молекулярно-лучевая эпитаксия (МВЕ), распыление, лазерное осаждение и осаждение электрораспылением, можно использовать для покрытия фотокатода 325 на оптическом окне 315 (например, оптическом окне из сапфира).

[0027] В некоторых вариантах осуществления фотокатод 325 может включать в себя по меньшей мере один слой материала, осажденного из паровой фазы. Например, для формирования фотокатода 325 можно использовать от одного до приблизительно 20 слоев материала, осажденного из паровой фазы. Толщина каждого из по меньшей мере слоев материала, осажденного из паровой фазы, может быть меньше или равна приблизительно 200 нанометрам (нм). Варианты осуществления по меньшей мере одного слоя осажденного из паровой фазы материала может включать один или более материалов, выбранных из группы, состоящей из сурьмы (Sb), сурьмы в соединении с калием (1:1) (KSb), сурьмы в соединении с калием (2:1) (KSb₂), сурьмы в соединении с калием (5:4) (K₅Sb₄) триоксида сурьмы (Sb₂O₃), цезия (Cs), антимонида цезия (Cs₃Sb), арсенида галлия (GaAs), арсенида галлия с цезием (GaAs(Cs)), висмутида цезия (Cs₃Bi), висмутида цезия с кислородом (Cs₃Bi(O)), висмутида цезия с серебром (Cs₃Bi(Ag)), йодида цезия (CsI), оксида цезия (Cs₂O), теллурида цезия (Cs₂Te), арсенида галлия-алюминия (Ga_0,25Al_0,75As), фосфида-арсенида галлия (GaAs_1-xP_x), фосфида-арсенида галлия с цезием (GaAs_1-xP_x(Cs)), нитрида галлия (GaN), нитрида галлия с цезием (GaN(Cs)), фосфида галлия (GaP), арсенида индия-галлия (InGaAs), арсенида индия-галлия с цезием (InGaAs(Cs)), фосфида-арсенида индия-галлия (InGaAsP), фосфида-арсенида индия-галлия с цезием (InGaAsP(Cs)), фосфида индия (InP), антимонида лития (Li₃Sb), кислорода (О), калия (K), антимонида калия (K₃Sb), бромида калия (KBr), антимонида цезия-калия (K₂CsSb), хлорида калия (KCl), оксида калия (K₂O), антимонида калия-натрия-цезия ((Cs)Na₂KSb), натрия (Na), антимонида натрия (Na₃Sb), арсенида натрия (Na₃As), антимонида натрия-цезия (Na₂CsSb), оксида натрия (Na₂O), антимонида натрия-калия (Na₂KSb), антимонида рубидия-цезия (Rb₂CsSb), серебра (Ag), серебра-висмута-кислорода-цезия (Ag-Bi-O-Cs), карбида кремния (SiC) и серебра-кислорода-цезия (Ag-O-Cs). Эти материалы могут составлять не менее 90 масс. %каждого отдельного слоя фотокатода 325.

[0028] В некоторых вариантах осуществления каждый из по меньшей мере одного слоя осажденного из паровой фазы материала может включать в себя один или более материалов, выбранных из группы, состоящей из алюминия (Al), сурьмы (Sb), мышьяка (As), висмута (Bi), брома (Br), цезия (С), хлора (Cl), галлия (Ga), индия (In), лития (Li), кислорода (О), фосфора (Р), калия (K), рубидия (Rb), серебра (Ag), натрия (Na) и теллура (Те). Эти материалы могут составлять не менее 90 масс. %каждого отдельного слоя фотокатода 325.

[0029] В некоторых вариантах осуществления каждый из по меньшей мере одного слоя материала, осажденного из паровой фазы, может включать в себя один или более материалов, выбранных из группы, состоящей из кремния (Si), нитрида бора (BN), диоксида титана (TiO₂) и диоксида кремния (SiO₂). Эти материалы могут составлять не менее 90 масс. % каждого отдельного слоя фото катода 325.

[0030] В некоторых вариантах осуществления фотокатод 325 может включать антимонид калия-натрия. Однако материал фотокатода не ограничен вышеперечисленными материалами, также можно использовать и другие материалы фото катода.

[0031] В соответствии с вариантами осуществления настоящего описания газовая смесь может заполнять внутреннее пространство, образованное корпусом 310, оптическим окном 315 и пластиной 320 торцевой стенки. Газовая смесь может включать в себя пропорциональный газ. В некоторых вариантах осуществления пропорциональный газ может включать газ группы 18 из периодической таблицы. В альтернативном или дополнительном варианте пропорциональный газ может включать азот. Для контроля пропорциональности значения тока в ответ на интенсивность света (или электромагнитной волны) в газовую смесь можно добавлять гасящий газ. Гасящий газ может включать в себя одно или более из СО₂, CH₄ или CF₄. Газовая смесь может заполнять внутренний объем фотоэлектронного умножителя 300 при давлении около 1 или более атмосфер (при комнатной температуре). В некоторых вариантах осуществления давление может составлять менее 1 атмосферы. Поскольку внутренний объем фотоэлектронного умножителя 300 поддерживается при атмосферном давлении, фотоэлектронный умножитель 300 может быть менее подвержен имплозии вследствие внешнего воздействия во время работы.

[0032] Фотоэлектронный умножитель 300 может включать в себя плату 305 газового электронного умножителя (ГЭУ) для увеличения концентрации электронов. Мультипликация может происходить в отверстиях плиты ГЭУ благодаря концентрации линий электрического поля, например, как показано и описано более подробно ниже со ссылкой на ФИГ. 4А. Плата 305 ГЭУ может применять разность потенциалов между двумя электродами и таким образом обеспечивать высвобождение электронов посредством излучения в газе. Высвобождаемые электроны могут быть умножены и перенесены в область сбора.

[0033] Внутри фотоэлектронного умножителя 300 в соответствии с примером осуществления настоящего описания плата 305 ГЭУ может быть расположена между оптическим окном 315 и пластиной 320 торцевой стенки. В некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрено более одной платы 305 ГЭУ, расположенных последовательно. Например, две или три платы 305 ГЭУ могут быть расположены (например, наложены друг на друга с осевым разделением между каждой из плат 305 ГЭУ) для повышения коэффициента усиления. Каждая из плат 305 ГЭУ может быть выполнена в виде перфорированной полимерной фольги, покрытой электродами с обеих сторон. В некоторых вариантах реализации плата 305 ГЭУ может включать в себя тонкую полимерную пленку с металлическим покрытием, химически перфорированную для создания множества отверстий. Например, плата 305 ГЭУ может включать полиамидную пленку толщиной приблизительно 50 мкм с тонким слоем медного электрода с каждой стороны. В некоторых вариантах осуществления диаметр каждого отверстия может иметь значение в диапазоне от приблизительно 0,1 мм до приблизительно 2 мм. В некоторых вариантах осуществления диаметр каждого отверстия может иметь значение от приблизительно 0,3 мм до приблизительно 1 мм. В некоторых вариантах осуществления толщина платы 305 ГЭУ может составлять от приблизительно 0,01 дюйма до приблизительно 0,1 дюйма, например 0,020 дюйма или 0,060 дюйма. В некоторых вариантах осуществления множество отверстий платы 305 ГЭУ может быть распределено по всей площади платы 305 ГЭУ. В некоторых вариантах осуществления множество отверстий может быть ограничено в пределах области, в которую попадает сфокусированный электронный пучок. В некоторых вариантах реализации, например, для высокотемпературных применений, плата 305 ГЭУ может включать в себя полиимидную печатную плату и/или керамическую печатную плату.

[0034] На ФИГ. 4А схематически показан механизм умножения 400А электронов. Поскольку ионизированный пропорциональный газ (положительные ионы) движется к катоду, а электроны движутся к плате 305 ГЭУ и внутрь отверстий, в отверстиях создается сильное электрическое поле. Соответственно, электроны сталкиваются с молекулами газа, производя дополнительные электроны в каскадном процессе. На ФИГ. 4В схематически показан результат 400 В моделирования для траекторий электронов в пределах фотоэлектронного умножителя 300 в соответствии с примером осуществления настоящего описания.

[0035] В некоторых вариантах осуществления может быть применена разность электрических потенциалов между фотокатодом 325 и платой 305 ГЭУ для фокусировки электронов по направлению к плате 305 ГЭУ. На ФИГ. 5 схематически показано поле электрического потенциала, приложенное в корпусе 310 между фотокатодом 325 и платой 305 ГЭУ. В дополнительном или альтернативном варианте фокусирующий элемент может быть расположен между фотокатодом 325 и первой платой 305 ГЭУ для формирования приложенного поля электрического потенциала внутри фотоэлектронного умножителя 300. Фокусирующий элемент может включать в себя проводящий цилиндр или кольцо. В некоторых вариантах осуществления фокусирующий элемент может включать в себя множество цилиндров или колец.

[0036] Фотоэлектронный умножитель 300 в соответствии с примером осуществления настоящего описания может включать в себя считывающий анод 330 между платой 305 ГЭУ и пластиной 320 торцевой стенки. Умноженные электроны могут быть собраны на считывающем аноде 330 для обеспечения возможности измерения величины тока. В некоторых вариантах осуществления нижняя часть последней платы 305 ГЭУ может быть использована для считывания импульса тока. Измеренный ток может быть преобразован в интенсивность света на основании калибровки.

[0037] При включении множества плат 305 ГЭУ считывающий анод 330 может быть расположен между последней платой 305 ГЭУ и пластиной 320 торцевой стенки. В настоящем документе первая плата ГЭУ и последняя плата ГЭУ могут быть определены относительно направления движения электронов. Например, плата ГЭУ, расположенная ближе всего к фотокатоду 325, может считаться первой платой ГЭУ, а плата ГЭУ, расположенная ближе всего к пластине 320 торцевой стенки, может считаться последней платой ГЭУ.

[0038] Как описано выше, для создания электрических соединений с платой 305 ГЭУ и считывающим анодом 330 в пластине 320 торцевой стенки может быть сформирован по меньшей мере один проникающий канал. Варианты осуществления фотоэлектронного умножителя 300 в форме фотоэлектронного умножителя 600, включающего электрический (-ие) проникающий (-ие) канал (-ы) 602, показаны на ФИГ. 6А-6В. Проходной (-ые) канал (-ы) 602 может (могут) включать в себя электропроводящую проволоку, которая проникает через пластину 320 торцевой стенки. Между электропроводящей проволокой и пластиной 320 торцевой стенки могут находиться газонепроницаемое уплотнение. Например, герметичное уплотнение может быть нанесено вокруг электропроводящей проволоки для создания газонепроницаемого уплотнения между электропроводящей проволокой и пластиной 320 торцевой стенки. Поскольку для каждой платы 305 ГЭУ обычно требуется два электрических соединения (для каждого электрода с обеих сторон) и дополнительно два электрических соединения (одно для катода и одно для считывающего анода), для размещения n плат 305 ГЭУ может быть сформировано минимальное общее количество 2n+2 проходных каналов 602, проходящих через пластину 320 торцевой стенки. В вариантах осуществления, включающих фокусирующие элементы, количество проходных каналов 602 может быть увеличено. Через электрические проходные каналы 602 может быть приложено отрицательное напряжение к фотокатоду 325, а считывающий анод 330 может быть заземлен. В некоторых вариантах осуществления считывающий анод 330 может быть под положительным высоким напряжением, а фотокатод заземлен. Электроды плат 305 ГЭУ могут поддерживаться под промежуточным (отрицательным) напряжением между отрицательным напряжением фотокатода и заземляющим напряжением считывающего анода 330.

[0039] Как указано в настоящем документе, фотоэлектронные умножители в соответствии с примером осуществления настоящего описания включают в себя более сильное оптическое окно для фотокатода и усиленный корпус. Соответственно, фотоэлектронные умножители в соответствии с настоящим описанием могут обеспечивать высокую термостойкость и ударопрочность. Фотоэлектронные умножители в соответствии с настоящим описанием можно использовать для обнаружения гамма-излучения в приложениях при бурении скважин, для обнаружения радиоактивности в системах безопасности, в здравоохранении и т.п.

[0040] Варианты осуществления настоящего описания не ограничиваются приведенными в качестве примера вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, и могут быть реализованы в различных вариантах и модификациях. Примеры вариантов осуществления представлены исключительно для того, чтобы дать возможность любому специалисту в данной области понять объем настоящего описания, который будет определяться объемом формулы изобретения. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления хорошо известные операции процесса, хорошо известные структуры и хорошо известные технологии не описаны подробно во избежание неясного понимания настоящего описания. В настоящем описании одинаковые номера позиций относятся к одним и тем же элементам.

[0041] Термины, используемые в настоящем документе, предназначены только для описания конкретных вариантов осуществления и не предназначены для ограничения описания. Используемые в настоящем документе формы единственного числа предполагают также включение форм множественного числа, если контекст явно не указывает иное. Следует также понимать, что термины «содержит» и/или «содержащий» при использовании в настоящем описании указывают на наличие указанных признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличие или добавление одного или более других признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп. В настоящем документе термин «и/или» включает любые и все комбинации одного или более связанных перечисленных элементов.

[0042] Если не указано отдельно или не очевидно из контекста, в настоящем документе термины «около», «приблизительно» и «по существу» используются взаимозаменяемо и могут пониматься как находящиеся в пределах диапазона нормального допустимого отклонения в данной области, например в пределах 2 стандартных отклонений среднего. «Около», «приблизительно» и/или «по существу» можно понимать как в пределах 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% или 0,01% от указанного значения. Если из контекста не ясно иное, все числовые значения, представленные в настоящем документе, модифицированы термином «приблизительно».

[0043] Здесь и далее, хотя настоящее описание представлено с помощью конкретных пунктов, таких как конкретные компоненты и т.п., примерных вариантов осуществления и чертежей, они приведены только для облегчения понимания настоящего описания. Таким образом, настоящее описание не ограничивается приведенными в качестве примера вариантами осуществления. Специалистами в данной области техники, к которой относится настоящее описание, могут быть выполнены различные модификации и изменения. Таким образом, сущность настоящего описания не должна ограничиваться вышеописанными примерами осуществления, а следующие пункты формулы изобретения, а также все технические сущности, модифицированные в равной степени или эквивалентно формуле изобретения, следует интерпретировать как находящиеся в пределах объема и сущности изобретения.

Изобретение относится к области электронной техники. Технический результат – повышение надежности работы фотоэлектронного умножителя. Фотоэлектронный умножитель включает в себя корпус, включающий проксимальный конец и дистальный конец, оптическое окно, расположенное на проксимальном конце корпуса, пластину торцевой стенки, расположенную на дистальном конце корпуса, проходной канал, который проникает через пластину торцевой стенки, и плату газового электронного умножителя (ГЭУ) и считывающий анод, расположенные между оптическим окном и пластиной торцевой стенки. 19 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Фотоэлектронный умножитель, содержащий:

термостойкий и ударопрочный корпус, включающий проксимальный конец и дистальный конец;

оптическое окно, расположенное на проксимальном конце корпуса;

пластину торцевой стенки, расположенную на дистальном конце корпуса;

проходной канал, который проникает через пластину торцевой стенки;

плату газового электронного умножителя (ГЭУ) и считывающий анод, расположенные между оптическим окном и пластиной торцевой стенки, причем считывающий анод расположен между платой ГЭУ и пластиной торцевой стенки на расстоянии от пластины торцевой стенки; и

фотокатод, расположенный между оптическим окном и платой ГЭУ.

2. Фотоэлектронный умножитель по п. 1, содержащий фотокатод в виде тонкой пленки на поверхности оптического окна.

3. Фотоэлектронный умножитель по п. 2, в котором фотокатод включает в себя антимонид калия-натрия.

4. Фотоэлектронный умножитель по п. 1, в котором проходной канал включает:

электропроводящую проволоку, которая проникает через пластину торцевой стенки; и

герметичное уплотнение между электропроводящей проволокой и пластиной торцевой стенки.

5. Фотоэлектронный умножитель по п. 1, в котором оптические окна включают в себя сапфир.

6. Фотоэлектронный умножитель по п. 1, в котором корпус выполнен из металла, включая титан, или алюминий, или их сплавы.

7. Фотоэлектронный умножитель по п. 1, дополнительно содержащий газовую смесь, причем газовая смесь включает в себя пропорциональный газ.

8. Фотоэлектронный умножитель по п. 7, в котором пропорциональный газ включает в себя один из группы 18 периодической таблицы или азот.

9. Фотоэлектронный умножитель по п. 8, в котором пропорциональный газ представляет собой азот.

10. Фотоэлектронный умножитель по п. 7, в котором газовая смесь дополнительно включает в себя гасящий газ.

11. Фотоэлектронный умножитель по п. 10, в котором гасящий газ включает в себя одно из СО₂, СН₄ или CF₄.

12. Фотоэлектронный умножитель по п. 2, в котором фотокатод включает в себя по меньшей мере один слой осажденного из паровой фазы материала.

13. Фотоэлектронный умножитель по п. 12, в котором толщина одного или более из по меньшей мере одного слоя осажденного из паровой фазы материала меньше или равна 200 нанометрам.

14. Фотоэлектронный умножитель по п. 12, в котором каждый из по меньшей мере одного слоя осажденного из паровой фазы материала включает в себя минимум 90 масс. % одного или более материалов, выбранных из группы, состоящей из: сурьмы (Sb), сурьмы в соединении с калием (1:1) (KSb), сурьмы в соединении с калием (2:1) (KSb₂), сурьмы в соединении с калием (5:4) (K₅Sb₄), триоксида сурьмы (Sb₂O₃), цезия (Cs), антимонида цезия (Cs₃Sb), арсенида галлия (GaAs), арсенида галлия с цезием (GaAs(Cs)), висмутида цезия (Cs₃Bi), висмутида цезия с кислородом (Cs₃Bi(O)), висмутида цезия с серебром (Cs₃Bi(Ag)), йодида цезия (CsI), оксида цезия (Cs₂O), теллурида цезия (Cs₂Te), арсенида галлия-алюминия (Ga_0,25Al_0,75As), фосфида-арсенида галлия (GaAs_1-xP_x), фосфида-арсенида галлия с цезием (GaAs_1-xP_x(Cs)), нитрида галлия (GaN), нитрида галлия с цезием (GaN(Cs)), фосфида галлия (GaP), арсенида индия-галлия (InGaAs), арсенида индия-галлия с цезием (InGaAs(Cs)), фосфида-арсенида индия-галлия (InGaAsP), фосфида-арсенида индия-галлия с цезием (InGaAsP(Cs)), фосфида индия (InP), антимонида лития (Li₃Sb), кислорода (О), калия (K), антимонида калия (K₃Sb), бромида калия (KBr), антимонида цезия-калия (K₂CsSb), хлорида калия (KCl), оксида калия (K₂O), антимонида калия-натрия-цезия ((Cs)Na₂KSb), натрия (Na), антимонида натрия (Na₃Sb), арсенида натрия (Na₃As), антимонида натрия-цезия (Na₂CsSb), оксида натрия (Na₂O), антимонида натрия-калия (Na₂KSb), антимонида рубидия-цезия (Rb₂CsSb), серебра (Ag), серебра-висмута-кислорода-цезия (Ag-Bi-O-Cs), карбида кремния (SiC) и серебра-кислорода-цезия (Ag-O-Cs).

15. Фотоэлектронный умножитель по п. 12, в котором каждый из по меньшей мере одного слоя осажденного из паровой фазы материала включает в себя минимум 90 масс. % одного или более материалов, выбранных из группы, состоящей из: алюминия (Al), сурьмы (Sb), мышьяка (As), висмута (Bi), брома (Br), цезия (С), хлора (Cl), галлия (Ga), индия (In), лития (Li), кислорода (О), фосфора (Р), калия (K), рубидия (Rb), серебра (Ag), натрия (Na) и теллура (Те).

16. Фотоэлектронный умножитель по п. 12, в котором каждый из по меньшей мере одного слоя осажденного из паровой фазы материала включает в себя минимум 90 масс. % одного или более материалов, выбранных из группы, состоящей из: кремния (Si), нитрида бора (BN), диоксида титана (TiO₂), карбида кремния (SiC) и диоксида кремния (SiO₂).

17. Фотоэлектронный умножитель по п. 2, в котором разность электрических потенциалов приложена между фотокатодом и платой ГЭУ.

18. Фотоэлектронный умножитель по п. 1, в котором пластина торцевой стенки выполнена из того же материала, что и корпус, в частности металлического материала.

19. Фотоэлектронный умножитель по п. 1, дополнительно содержащий фокусирующий элемент, включающий проводящие цилиндры или кольца.

20. Фотоэлектронный умножитель по п. 1, в котором корпус является цилиндрическим.