先鋒科技（香港）股份有限公司 tt001
mcp（micro channel plate，微通道板）是二維的真空電子放大器件。廣義而言，mcp屬于比較傳統(tǒng)的真空電子產(chǎn)品，但其*的高增益、快響應(yīng)、低噪聲特性，使得在微弱光、射線/粒子探測領(lǐng)域仍舊是不可替代的重要器件。
基于mcp的探測器大致上分為兩類，一類是具備光電陰極的像增強器或快速光電倍增管，一類是無光電陰極、mcp直接響應(yīng)入射粒子的真空探測器。本文主要介紹真空mcp探測器，這一類探測器廣泛用于極紫外 - 軟x射線波段的光子和帶電粒子的流強、成像以及計數(shù)探測。
一、微通道板（mcp）簡介
圖1 微通道板（mcp）結(jié)構(gòu)示意圖
1.1 mcp的結(jié)構(gòu)和原理
如圖1所示，mcp由很多個排列在一起的微通道（通常是玻璃）構(gòu)成。微通道內(nèi)壁涂有二次電子發(fā)射材料。mcp兩端加以直流高壓，在通道內(nèi)形成靜電場；低電位一端（輸入端）入射的帶電粒子或光子能夠在管壁上激發(fā)多個二次電子；這些二次電子在靜電場作用下加速，轟擊管壁后產(chǎn)生更多的電子。如此往復(fù)，形成電子的雪崩效應(yīng)，輸入的信號得以放大，在微通道的輸出端形成大量電子出射。
從原理上看，mcp的每個通道相當(dāng)于連續(xù)分布倍增級的電子倍增器。由于其*的結(jié)構(gòu)，mcp有一些*的特性。
圖2 mcp的外觀
1.2 mcp的主要特性和參數(shù)
·孔徑(pore size)與孔間距(pitch)：通常mcp的孔徑在10um量級，而孔間距則比孔徑略大?？组g距越小，空間分辨率越高（通常mcp類探測器的空間分辨率主要限制因素不是mcp孔間距）?？组g距和孔徑確定了mcp探測面的占空比。如10 - 12（孔徑10um，間距12um）的mcp占空比為63%。 一般而言小口徑(<40mm有效探測面）mcp的孔徑也較小，大口徑（>75mm有效探測面）mcp的孔徑也交大。
·縱橫比(aspect ratio)：縱橫比是mcp的一個重要參數(shù)，它是指mcp微通道孔長度和孔徑的比。通常有40:1, 60:1，也有達到80:1及以上的。縱橫比越大，增益越高，但時間響應(yīng)會受到一定的影響。
·有效口徑：從10mm - 150mm，mcp可提供多種口徑。先鋒科技代理的英國photek公司為目前提供商品化大口徑mcp探測器的廠商。
·增益：單級mcp一般可提供103的增益；mcp級聯(lián)可獲得更高增益（雙極106，三級107-8。
·傾角與級聯(lián)：為入射電子有效的轟擊mcp的側(cè)壁，微通道通常并與mcp端面法線同向，而是有一個5-15度范圍的夾角。將兩片mcp級聯(lián)時，它們的微通道通常成“v”字型級聯(lián)(chevron stack)排布，而三級聯(lián)的mcp通常采用“z”字型級聯(lián)。
·鍍層：mcp兩端面通常鍍金屬薄膜以導(dǎo)電；部分特殊的鍍膜（如金、化銫等）可以擴展響應(yīng)的范圍。
·高壓與阻抗：通常一級mcp需要的高壓為1kv左右，增益隨高壓是非線性增加的，所以mcp對高壓的穩(wěn)定性和低噪聲要求較高；單級mcp的直流阻抗通常是在百兆歐量級，電流（功率）消耗很小。
·真空要求：mcp是電真空器件，要求處在超高真空環(huán)境（<10-4pa)環(huán)境中才能施加直流偏壓。
1.3 mcp的響應(yīng)范圍
用于真空的mcp一般直接面向待測射線，或在輸入面有特殊鍍膜以擴展響應(yīng)范圍。典型的響應(yīng)范圍如圖3。
圖3 mcp的響應(yīng)范圍
對于約5ev - 1.2kev 的光子和帶電粒子，空白的mcp有很好的響應(yīng)；可以通過鍍膜來擴展響應(yīng)波長。
因為mcp的原理是微通道內(nèi)二次電子的激發(fā)和倍增，所以mcp對一般的中性粒子響應(yīng)不好（但空白mcp對mev的中子可以響應(yīng)）。探測中性粒子時，可以使其帶電，或者用閃爍體轉(zhuǎn)換為光子。
空白的mcp幾乎不響應(yīng)可見光，這在某些實驗環(huán)境（如激光產(chǎn)生x射線）是有利的。
1.4 mcp探測器的優(yōu)勢
·高速度：電子在微通道板內(nèi)的渡越時間為百皮秒量級，而渡越時間的抖動更是遠小于納秒。和pmt類探測器相比，mcp探測器的響應(yīng)時間快1 ～2個數(shù)量級；而固體（半導(dǎo)體）探測器要達到亞納秒的響應(yīng)時間，其管芯尺度會非常小。
·低噪聲/高靈敏度：在1cm2面積上，每秒鐘只有2-3個暗計數(shù)；而高增益使得探測器輸出足夠大的電流/發(fā)光，足可克服后續(xù)收集系統(tǒng)的本地噪聲。
·抗干擾：相對于pmt，mcp受磁場的影響非常小，通常不需要磁屏蔽。
·靈活性：mcp是二維電子放大器件，通過不同的配置可以實現(xiàn)成像，大面積單點探測，位置及時間分辨的計數(shù)，多點并行讀出等；針對一些特殊應(yīng)用，mcp甚至可以切割成方形、六邊形等形狀，方便拼接。
二、信號拾取及讀出
微通道板本身只是對電子進行倍增放大的器件，它吸收輸入的帶電粒子或光子，輸出倍增以后的電流（電子云）。為獲取實驗結(jié)果，需要將輸出的電子經(jīng)過拾取或轉(zhuǎn)換后，形成能夠拍攝、記錄或計數(shù)的信號。
因此，對于一個特定目的的mcp真空探測器，信號拾取和讀出是非常重要的部分。通常會需要一個陽極用來拾取電子云信號，陽極與mcp輸出端之間有一定間距并加有高壓。一般而言有幾種類型的陽極：
·熒光屏：受高能電子轟擊后會發(fā)光，從而形成可見光的圖像；
·金屬導(dǎo)電陽極：直接拾取電流，用于粒子流強的分析或計數(shù)；
·位置敏感陽極：如阻性陽極或延遲線等，通過多通道讀出，在獲取信號強度的同時分析電子云的位置；
·多陽極：多個相互隔離的金屬陽極，支持多點實時的信號采集。
圖4采用熒光屏成像的mcp探測器結(jié)構(gòu)示意
mcp放大輸出的電子云經(jīng)過陽極轉(zhuǎn)換或拾取之后，尚需要讀出和信號處理、記錄，常用的有幾類部件：
·ccd/cmos相機：通過透鏡或光纖錐，將熒光屏上的像傳遞到圖像芯片上，并傳輸至電腦處理；
·示波器、a/d轉(zhuǎn)換或計數(shù)器：主要用于讀出陽極電流信號。入射流強較大時，可得到連續(xù)的電流，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換存儲為數(shù)字信號或經(jīng)過示波器顯示，從而得到信號隨時間變化的特性；信號微弱時，采用閾值鑒別的方法進行計數(shù)；
·位置分辨數(shù)據(jù)處理：對位置敏感陽極的信號進行高速處理，得到事件的位置、到達時間以及計數(shù)率；
·多通道并行處理：用于多陽極探測器。
2.1 熒光屏及其讀出
用于成像目的的mcp探測器一般采用熒光屏作為陽極。熒光屏在數(shù)個kev的高能電子轟擊下會發(fā)射可見光，經(jīng)過相機拍攝后形成圖像型號。
圖5成像型mcp真空探測器的輸入（左圖）與輸出（熒光屏，右圖）
熒光屏所使用的材料，有p20、p43、p46、p47等多種。通常主要依據(jù)信號的重復(fù)頻率來選擇。p43具備較好的發(fā)光效率，其發(fā)光波長（550nm）正位于一般ccd相機感光效率高的區(qū)域，因此是*常用的熒光屏；但p43的熒光衰減時間約1.2ms，故不適合幀率>500fps的成像；快速熒光屏中*常用的是p46，其發(fā)光效率月為p43的1/4，但余輝時間僅為300ns。
一般熒光屏相對于mcp輸出的高壓會高達5kv以上。
熒光屏可以鍍在玻璃窗片上，該窗片同時起到真空密封的作用。也可以鍍在光纖錐面板窗片上，這樣像可以傳遞到窗片外側(cè)，以便后續(xù)再通過光纖錐與成像傳感器連接。
photek 公司可根據(jù)用戶的需求提供各種材質(zhì)的熒光屏鍍膜，并提供透鏡耦合/光纖錐耦合方式。
根據(jù)具體的應(yīng)用，光學(xué)耦合及ccd/cmos相機的選擇可以有多種方式：
·光纖錐耦合與透鏡耦合：光纖錐的優(yōu)點是效率高，像畸變??；缺點是信號強度均勻性會受到一定的影響，另外光纖錐耦合需要后端相機芯片上已經(jīng)粘好光纖面板輸入，故相機的選擇受到一定的局限；透鏡耦合結(jié)構(gòu)比較簡單，放大倍率靈活可調(diào)，比較適合大縮放比的情景，透鏡耦合效率低于光纖錐耦合，而分辨率、成像質(zhì)量取決于透鏡的質(zhì)量。透鏡耦合可以設(shè)計成90度轉(zhuǎn)折光路，當(dāng)實驗系統(tǒng)有穿透性非常高的粒子（如中子、高能光子）時，這種設(shè)計有助于保護后續(xù)相機及電子線路免受輻射損傷。
即使探測器本身選配了光纖錐輸出，仍舊可以采用透鏡來作像傳遞。
·ccd或cmos相機的選擇：由于mcp本身有較大的增益，一般信號探測可采用普通的科研級ccd/cmos相機，根據(jù)所需要的分辨率及幀速選擇；較為微弱的、需要長時間積分的信號，可選擇制冷型ccd相機；對探測動態(tài)范圍有需求時，建議使用scmos相機；如果工作在單光子計數(shù)模式，可以選擇常規(guī)的cmos相機。
·單光子計數(shù)模式：針對極微弱的信號，ccd/cmos相機可工作在單光子計數(shù)模式，單光子計數(shù)模式需要前端采用二級連或以上（>1e6增益）的mcp。在單光子計數(shù)模式時，相機持續(xù)以固定幀率或接受外觸發(fā)同步采集信號，mcp探測到的單粒子事件會在圖像上形成分立的斑點；軟件計算每個斑點的總強度和強度重心，超過一定閾值的被認為是單個粒子事件，其重心位置對應(yīng)的坐標(biāo)計數(shù)值加1。經(jīng)過長時間、多幀疊加后，還原圖像。
采用相機進行單光子探測無法進行高速的時間分辨（時間分辨取決于相機的幀率），但其統(tǒng)計的方式可以實現(xiàn)非常低的噪聲，同時因為單粒子事件的空間坐標(biāo)采用統(tǒng)計重心的方式，其空間分辨率可以非常高，達到ccd芯片的水平。
photek提供成像或粒子計數(shù)的成套系統(tǒng)，包括mcp探測器、光學(xué)耦合、相機和軟件。
2.2 金屬陽極輸出（真空pmt）
如果在mcp輸出端之后放置金屬陽極，并施加高壓，電子云會到達陽極并可以形成電流輸出，電流強度正比于輸入信號的強度。電流可通過示波器、a/d轉(zhuǎn)換器采集，或者（信號極微弱，只能產(chǎn)生分立的單粒子峰時）經(jīng)鑒別器、計數(shù)器計數(shù)。
這類探測器具備超快的時間響應(yīng)（小口徑探測器可達到<100ps的上升沿，100ps左右的fwpm脈沖響應(yīng)），非常適合做tof（time of fly，時間飛行）譜儀的探測器，因此也常稱作tof探測器。
除了mcp本身的電子渡越時間展寬之外，電子云在mcp和陽極之間的飛行以及電流形成有時會對脈沖形狀（尤其是后沿）造成影響。經(jīng)過特殊設(shè)計的陽極形狀（如錐形陽極）可以減輕這種效應(yīng)。photek可根據(jù)用戶的需求設(shè)計不同形狀的陽極板。
圖6采用錐形陽極的mcp探測器
如果對輸入面的電位無要求（例如，光子探測），陽極直接接地有助于方便的拾取電流信號。但在很多場合下mcp輸入面需要零電位，這樣陽極相對于地就有數(shù)千伏的高壓，后續(xù)信號拾取時需要采用隔直電容：隔直電容需要耐高壓、容量和取樣電阻需要精心設(shè)計以確保對快速信號的通過帶寬，而且一旦電容失效就會立刻擊穿后續(xù)電路。photek可配置隔離陽極，將電流取樣和陽極極板絕緣，確保響應(yīng)速度，同時免去用戶設(shè)計隔直電路的煩惱和風(fēng)險。
2.3 空間分辨陽極
mcp本身是二維（成像）器件，采用熒光屏+相機讀出可以獲得圖像，但是其時間分辨由相機決定；而采用導(dǎo)電陽極可以獲得超快的信號（<100ps響應(yīng)），卻喪失了空間分辨能力。通過采用特殊的陽極結(jié)構(gòu)，如阻性陽極(resistive sea anode) 或者延遲線(delay line)，可以同時實現(xiàn)高速度的時間、空間分辨。
圖7 阻性陽極的空間分辨原理
阻性陽極為具備特定形狀及非零電阻的陽極板，如圖7所示。通過四個端角上取樣的電流脈沖的比率來計算信號在mcp板上的位置，同時具備實時響應(yīng)的特征。
圖8 延遲線（delay line)示意圖
而延遲線則通過兩組密切排布的、排布方向互相垂直的導(dǎo)線作為陽極；兩組導(dǎo)線的四個端點拾取的信號的時間可以獲知事件發(fā)生的位置和時間。
需要注意的是這類探測器（阻性陽極與延遲線）通常工作在單粒子計數(shù)模式，如果在短時間（如<5ns）內(nèi)有兩個信號同時抵達mcp的不同位置，則位置反演會給出錯誤的結(jié)果。當(dāng)然，對于點源的跟蹤，這類探測器也可工作在模擬、連續(xù)輸出的模式。
photek提供阻性陽極和延遲線探測器，以及探測系統(tǒng)（包括探測器、快電子線路、計數(shù)軟件），可以實現(xiàn)<5ns的時間分辨率和512×512水平的空間分辨率。
2.4 多陽極探測器
采用多個相互絕緣的金屬陽極，這樣可以輸出每個金屬陽極探測到的電子信號，實現(xiàn)位置分辨、超快時間分辨的探測。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。
圖9 多陽極探測器的結(jié)構(gòu)示意
陽極個數(shù)可以達到64×64甚至更多，陽極之間的間距可達亞毫米水平，每個陽極的響應(yīng)時間可快至百微秒。這類探測器能夠?qū)崿F(xiàn)亞納秒信號的二維多通道同時采集。
每個通道需要一路單獨的讀出電路，因此這類探測器成本較高。電路可通過mems方式集成在探測器上，也可以外置。
針對某些特殊應(yīng)用，探測器可以做成方形的，方便擴展探測面積和通道數(shù)目。
photek 公司提供多陽極mcp探測器以及包括電子線路的探測系統(tǒng)。
三、真空mcp探測器的電壓配置以及門控
mcp每一級需要約1kv的高壓；熒光屏相對與mcp輸出面需要約5kv的高壓以使電子具備較高的能量有效激發(fā)熒光；陽極板通常則相對于mcp輸出處在200v左右的高電位。
3.1 電壓配置簡介
如圖10所示的一個典型的mcp影像探測器（采用熒光屏輸出），各極間相對電壓的幅度一般為：
vout = vin + 2000v;
vscreen = vout + 5000v = vin + 7000v
圖10 一個典型mcp探測器的電壓配置
當(dāng)探測的粒子為電中性（如光子）時，比較方便的是熒光屏（或陽極）接地，此時vscreen = 0, vout = -5kv, vin = -7kv
而探測帶電粒子時，則需要對各級電壓小心配置。因為粒子源一般是零電位的，如果mcp輸入端為負高壓，陽離子會被加速，從而使得飛行時間不能正確反映粒子的初始動能；電子和陰離子會被減速，導(dǎo)致動能變化甚至不能到達探測面。
因此帶電粒子探測時通常mcp輸入面接地。
有的實驗需要過濾某種電性的粒子，如mcp輸入面接負高壓從而禁止低能電子到達探測面，而又不希望該負電勢導(dǎo)致探測的陽離子動能增加，可以在靠近mcp輸入面前端加金屬柵網(wǎng)，該柵網(wǎng)可以接地以確保粒子在飛行過程中動能不變，而mcp輸入面相對于柵網(wǎng)的電勢可以阻擋某種電性的粒子。由于柵網(wǎng)和mcp很接近，不會對待測粒子的飛行時間造成影響。
photek公司可根據(jù)實驗需要，設(shè)計不同的電壓配置：陽極接地，輸入接地，輸入浮地，柵網(wǎng)等等配置。
3.2 高壓電源選擇
mcp的增益隨電壓增加是非線性增加的，因此需要高穩(wěn)定性、低噪聲的高壓電源。
通常有兩類高壓電源可供選擇：
·直流高壓變換模塊：這類模塊可以將輸入直流電壓（如+5v）變換成多路高壓輸出，供mcp、熒光屏/陽極使用；另提供一路或多路控制電壓輸入來在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓。這類電源體積小、使用靈活，但通常無法自動控制，需要手動控制。使用時需注意采用高品質(zhì)的直流穩(wěn)壓電源，或采用電池供電。
· 臺式高壓電源：如果空間允許，真空類mcp探測器建議配置臺式高壓電源。photek提供的dps電源可提供1-5路高壓輸出、手動及程控的高壓電源，可限定每級電壓，電壓控制為各級聯(lián)動，保證各級的電位差絕不超限，使用非常安全。
圖11 photek dps3 高壓電源
3.3 門控
通過對mcp施加脈沖的高壓，可以實現(xiàn)控制mcp的導(dǎo)通和關(guān)斷。mcp的門控可用于時間分辨（切片）的應(yīng)用。
對mcp的門控需要快速的高壓（1kv）脈沖，目前*快的水平約在10ns左右。多級mcp聯(lián)用時，只針對其中一級使用門控即可。
圖12 photek gm-mag 8ns 1kv 高壓門控
四、使用注意事項
mcp是高電壓、高增益的真空電子放大器器件，在使用和存儲方面需要一定的防護和注意，以免造成人身傷害或器件損壞。
4.1 高壓防護
·電氣防護：確保真空探測器mcp部分的裸露電極之間距離正常，沒有彎折、過近；裝配進真空系統(tǒng)時確保探測器真空內(nèi)部分距離其他金屬件之間有足夠的空間；如需自行連接高壓線纜，請采用耐壓足夠的線纜和高壓連接頭。無論任何情況，高壓導(dǎo)線/觸點/接頭不得位于人能夠接觸到的環(huán)境下。
·高壓電源：如使用模塊式直流升壓器，應(yīng)確保其直流供電（包括調(diào)節(jié)電壓）穩(wěn)定、可靠、噪聲起伏低；接入之前請務(wù)*準(zhǔn)確的電壓表測量供電電壓是否準(zhǔn)確。
·電磁場干擾防護：模塊式直流升壓器高度依賴直流供電的穩(wěn)定性，強電磁干擾可能導(dǎo)致輸出過高電壓擊穿mcp。因此在強電磁環(huán)境使用時，升壓模塊需要做好電磁屏蔽。
·從低到高：施加高壓時應(yīng)從低到高逐漸加壓；增益電壓達到信噪比良好的程度即可，非必要不要使用*高限壓。任何一級不可超過限壓。
4.2 真空要求
·真空度：必須在 < 1e-4 pa 的環(huán)境下才能給mcp施加電壓，并探測信號。如果相互作用的主要靶場不能滿足此要求，需要在mcp前面加配分子泵，并在主真空系統(tǒng)與mcp之間增加真空差分。測量真空度的硅管盡量靠近mcp而遠離分子泵口，以免造成誤判。
4.3 避免飽和：
飽和將對mcp的全部或局部造成不可逆的損傷。局部的損傷將導(dǎo)致部分區(qū)域mcp失去響應(yīng)，并降低mcp的直流電阻；到一定程度后會擊穿放電，*終損壞mcp。
mcp探測器一般用于微弱信號的測試，在使用時增益應(yīng)逐漸上調(diào)，適可而止，同時要防止系統(tǒng)中意外的高強度信號。
4.4 防潮：
mcp的材質(zhì)特殊，吸收空氣中的水分后，因為膨脹不均，很容易出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致報廢。因此mcp在使用、存儲過程中需密切注意防潮：
· 初次使用安裝：真空mcp探測器出廠時一般都有盲蓋密封，并留有帶氣閥的抽氣接口。拆裝組件以前需準(zhǔn)備無水的高純氮氣瓶（帶減壓閥），將氣瓶通過管道與探測器抽氣口聯(lián)通，打開抽氣閥緩慢注入氮氣直至一個大氣壓；然后才能拆除探測器真空盲蓋，并在短時間內(nèi)裝配到真空實驗系統(tǒng)的法蘭上，并盡快將實驗系統(tǒng)抽真空。
·實驗間歇：確保探測器盡可能的處于高真空環(huán)境中。如實驗系統(tǒng)需要近場放氣，建議在mcp探測器腔室和實驗腔室之間增加隔離閥。
·長時間存儲：如長時間不使用mcp探測器，從真空系統(tǒng)上拆除后盡快蓋上盲板，抽真空并關(guān)閉放氣閥，將探測器至于陰涼、干燥、清潔的環(huán)境中存放。