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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(tǒng)的真空電子產(chǎn)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(shù)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(fā)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(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，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(xù)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(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。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(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10^7-8。
·傾角與級聯(lián)：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(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(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(fā)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(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(shù)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(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(jīng)過拾取或轉換后，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探測器結構示意

MCP放大輸出的電子云經(jīng)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(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，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(yōu)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(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(tǒng)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(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，其重心位置對應的坐標計數(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(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（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(jīng)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(jù)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(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(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(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(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。其結構如圖8所示。

圖9 多陽極探測器的結構示意

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，每個陽極的響應時間可快至百微秒。這類探測器能夠實現(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(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調節(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(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(huán)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(jié)電壓）穩(wěn)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(wěn)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(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。局部的損傷將導致部分區(qū)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(tǒng)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(xiàn)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(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，抽真空并關閉放氣閥，將探測器至于陰涼、干燥、清潔的環(huán)境中存放。

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