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TT001-MCP真空探測器

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屬于比較傳統的真空電子產品，但其獨特的高增益、快響應、低噪聲特性，使得在微弱光、射線/粒子探測領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、成像以及計數探測。

一、微通道板（MCP）簡介

圖1 微通道板（MCP）結構示意圖

1.1 MCP的結構和原理

如圖1所示，MCP由很多個排列在一起的微通道（通常是玻璃）構成。微通道內壁涂有二次電子發射材料。MCP兩端加以直流高壓，在通道內形成靜電場；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，轟擊管壁后產生更多的電子。如此往復，形成電子的雪崩效應，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的每個通道相當于連續分布倍增級的電子倍增器。由于其獨特的結構，MCP有一些獨特的特性。

圖2 MCP的外觀

1.2 MCP的主要特性和參數

·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。孔間距越小，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）。孔間距和孔徑確定了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，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級聯可獲得更高增益（雙極10⁶，三級10^7-8。
·傾角與級聯：為入射電子有效的轟擊MCP的側壁，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級聯時，它們的微通道通常成“V”字型級聯(chevron stack)排布，而三級聯的MCP通常采用“Z”字型級聯。
·鍍層：MCP兩端面通常鍍金屬薄膜以導電；部分特殊的鍍膜（如金、碘化銫等）可以擴展響應的范圍。
·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境（<10^-4Pa)環境中才能施加直流偏壓。

1.3 MCP的響應范圍

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范圍。典型的響應范圍如圖3。

圖3 MCP的響應范圍

對于約5eV - 1.2keV 的光子和帶電粒子，空白的MCP有很好的響應；可以通過鍍膜來擴展響應波長。
因為MCP的原理是微通道內二次電子的激發和倍增，所以MCP對一般的中性粒子響應不好（但空白MCP對MeV的中子可以響應）。探測中性粒子時，可以使其帶電，或者用閃爍體轉換為光子。
空白的MCP幾乎不響應可見光，這在某些實驗環境（如激光產生X射線）是有利的。

1.4 MCP探測器的優勢

·高速度：電子在微通道板內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探測器的響應時間快1 ～2個數量級；而固體（半導體）探測器要達到亞納秒的響應時間，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；而高增益使得探測器輸出足夠大的電流/發光，足可克服后續收集系統的本地噪聲。
·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成像，大面積單點探測，位置及時間分辨的計數，多點并行讀出等；針對一些特殊應用，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）。為獲取實驗結果，需要將輸出的電子經過拾取或轉換后，形成能夠拍攝、記錄或計數的信號。
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光，從而形成可見光的圖像；
·金屬導電陽極：直接拾取電流，用于粒子流強的分析或計數；
·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探測器結構示意

MCP放大輸出的電子云經過陽極轉換或拾取之后，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轉換或計數器：主要用于讀出陽極電流信號。入射流強較大時，可得到連續的電流，經過A/D轉換存儲為數字信號或經過示波器顯示，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；
·位置分辨數據處理：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。熒光屏在數個keV的高能電子轟擊下會發射可見光，經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。通常主要依據信號的重復頻率來選擇。P43具備較好的發光效率，其發光波長（550nm）正位于一般CCD相機感光效率高的區域，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，以便后續再通過光纖錐與成像傳感器連接。
Photek 公司可根據用戶的需求提供各種材質的熒光屏鍍膜，并提供透鏡耦合/光纖錐耦合方式。

根據具體的應用，光學耦合及CCD/CMOS相機的選擇可以有多種方式：

·光纖錐耦合與透鏡耦合：光纖錐的優點是效率高，像畸變小；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；透鏡耦合結構比較簡單，放大倍率靈活可調，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、成像質量取決于透鏡的質量。透鏡耦合可以設計成90度轉折光路，當實驗系統有穿透性非常高的粒子（如中子、高能光子）時，這種設計有助于保護后續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；對探測動態范圍有需求時，建議使用sCMOS相機；如果工作在單光子計數模式，可以選擇常規的CMOS相機。

·單光子計數模式：針對極微弱的信號，CCD/CMOS相機可工作在單光子計數模式，單光子計數模式需要前端采用二級連或以上（>1E6增益）的MCP。在單光子計數模式時，相機持續以固定幀率或接受外觸發同步采集信號，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，其重心位置對應的坐標計數值加1。經過長時間、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），但其統計的方式可以實現非常低的噪聲，同時因為單粒子事件的空間坐標采用統計重心的方式，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的成套系統，包括MCP探測器、光學耦合、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轉換器采集，或者（信號極微弱，只能產生分立的單粒子峰時）經鑒別器、計數器計數。
這類探測器具備超快的時間響應（小口徑探測器可達到<100ps的上升沿，100ps左右的FWPM脈沖響應），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。經過特殊設計的陽極形狀（如錐形陽極）可以減輕這種效應。Photek可根據用戶的需求設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千伏的高壓，后續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，確保響應速度，同時免去用戶設計隔直電路的煩惱和風險。

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；而采用導電陽極可以獲得超快的信號（<100ps響應），卻喪失了空間分辨能力。通過采用特殊的陽極結構，如阻性陽極(resistive sea anode) 或者延遲線(delay line)，可以同時實現高速度的時間、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線作為陽極；兩組導線的四個端點拾取的信號的時間可以獲知事件發生的位置和時間。
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模式，如果在短時間（如<5ns）內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果。當然，對于點源的跟蹤，這類探測器也可工作在模擬、連續輸出的模式。
Photek提供阻性陽極和延遲線探測器，以及探測系統（包括探測器、快電子線路、計數軟件），可以實現<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，實現位置分辨、超快時間分辨的探測。其結構如圖8所示。

圖9 多陽極探測器的結構示意

陽極個數可以達到64×64甚至更多，陽極之間的間距可達亞毫米水平，每個陽極的響應時間可快至百微秒。這類探測器能夠實現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。
針對某些特殊應用，探測器可以做成方形的，方便擴展探測面積和通道數目。
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。

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，該柵網可以接地以確保粒子在飛行過程中動能不變，而MCP輸入面相對于柵網的電勢可以阻擋某種電性的粒子。由于柵網和MCP很接近，不會對待測粒子的飛行時間造成影響。
Photek公司可根據實驗需要，設計不同的電壓配置：陽極接地，輸入接地，輸入浮地，柵網等等配置。

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調節輸出電壓。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的直流穩壓電源，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，可以實現控制MCP的導通和關斷。MCP的門控可用于時間分辨（切片）的應用。
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；裝配進真空系統時確保探測器真空內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專用連接頭。無論任何情況，高壓導線/觸點/接頭不得位于人能夠接觸到的環境下。
·高壓電源：如使用模塊式直流升壓器，應確保其直流供電（包括調節電壓）穩定、可靠、噪聲起伏低；接入之前請務必用準確的電壓表測量供電電壓是否準確。
·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定性，強電磁干擾可能導致輸出過高電壓擊穿MCP。因此在強電磁環境使用時，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。局部的損傷將導致部分區域MCP失去響應，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，在使用時增益應逐漸上調，適可而止，同時要防止系統中意外的高強度信號。

4.4 防潮：

MCP的材質特殊，吸收空氣中的水分后，因為膨脹不均，很容易出現裂紋導致報廢。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，并在短時間內裝配到真空實驗系統的法蘭上，并盡快將實驗系統抽真空。
·實驗間歇：確保探測器盡可能的處于高真空環境中。如實驗系統需要近場放氣，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，從真空系統上拆除后盡快蓋上盲板，抽真空并關閉放氣閥，將探測器至于陰涼、干燥、清潔的環境中存放。

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