微通道板（MCP）特性參數解析

發布時間：2024-06-24

點開文章來閱讀的小伙伴，肯定多少都了解MCP（點擊此處了解產品詳情）。我們今天就再來統一“盤一盤”它的幾個重要參數：增益和脈沖高度分布、暗電流、電阻和帶電流、輸出線性、時間響應、空間分辨率、壽命特性、對離子、電子、紫外光譜、VUV和粒子束的探測效率。
增益和脈沖高度分布
微通道板（Microchannel Plate，MCP）的增益（g）可以用來g=exp（G · α）表達，其中α（=L/d）是微通道長度與直徑的比值，G是微通道管壁的二次電子發射系數，也可以稱為增益系數。增益系數是微通道壁材料的固有特性，也可以用微通道內電場強度的函數表示。圖1為相同增益的微通道材料制成的MCP，當α值從40變化到80時，微通道的增益變化趨勢。

圖1 不同α下MCP的增益變化曲線

圖2 2級和3級MCP組件的橫截面
由圖可知，隨著α的增加，增益會隨電壓的變大而增加，并達到最大值。但是，當增益超過104時，由于離子反饋會引起噪聲的增加，因此MCP的增益不可能增加到無限大。一般α通常被設計為40到60之間，當電壓為1 kV時，增益值為104。
如果需要更高的增益，可以讓兩個或三個MCP進行堆疊，形成兩級或三級的MCP。堆疊形式的MCP在脈沖計數模式中很有效，在這種模式下，不同于模擬方式的測量，入射的弱脈沖信號可以被轉換為二進制信號。然而，當增益增加到一定水平時，離子反饋效應引起的噪聲也會成為一個問題。當MCP通道內殘留氣體分子與倍增的電子碰撞時，就會產生離子反饋，產生的離子沿著電場返回到MCP的輸入側，會產生假信號，降低信噪比。為了減少這種現象，可以讓兩個或三個MCP相鄰堆疊時，使它們的偏角交替相反的連接，如圖2所示。這種結構可以有效地減少由于離子反饋效應而引起的噪聲，因為殘留氣體產生的離子可以在每級MCP之間的連接處被吸收，可以進一步提高增益。
圖3為單級、兩級和三級MCP的典型增益曲線。如圖所示，在1 keV的供電電壓下，單級MCP可以獲得高于104的增益。兩級MCP的增益可以高于106，三級MCP的增益可以高于107。但是在兩級和三級MCP的情況下，總的增益略低于單級MCP的增益，這是因為當電荷每通過一個MCP時，會發生電荷損失，同時也會因為通道內的空間電荷效應導致增益的飽和。

圖3 不同級數MCP的增益特征和脈沖高度分布曲線
圖4為典型的脈沖高度分布曲線。大家都知道，當MCP增益增加到一定水平時，會出現空間電荷飽和現象。通道的增益飽和主要是由于倍增過程中產生電子與新發射的二次電子之間的靜電斥力引起的。在用單級MCP觀察非飽和區域時，脈沖高度分布（PHD）幾乎呈指數級下降。然而，在空間電荷飽和度為主的區域，脈沖高度分布達到峰值，分散較小。隨著通道直徑的變小，電荷飽和時的增益會降低。例如，對于標準通道直徑為12 µm的MCP，每個通道的最佳增益在3×103到5×105之間。脈沖高度分辨率（PHR）通常用指定脈沖高度的分散來表示。如圖4所示，PHR被定義為脈沖高度分布中的半高全寬的最大值（FWHM）與峰值通道值A的比值，如下，PHR值越小，脈沖高度分散就越小：
PHR(%)=FWHM/A
同時分辨率也取決于MCP的電源電壓、通道直徑、偏角和MCP之間的距離。通常，兩級MCP為120%，三級MCP為80%。

圖4 脈沖高度分布特性曲線

暗電流

MCP暗電流的來源主要有以下幾點：

①通道管內壁的電場發射；
②殘留氣體的電離；
③高電位電場的局部放電；
④MCP支撐部分閃爍產生的光子形成的光電子發射。
我們可以通過改進MCP的制造工藝、結構以及材料，都可以有效地減小由于局部放電引起的暗電流。但是無論如何，當電源電壓為1 kV時MCP都會出現暗電流，暗電流值小于0.5 pA/cm2。在兩級和三級MCP中，暗計數也比較低，在每級1 kV的電源電壓下小于3 s-1/cm2。但是在輸入信號電平非常小的情況下，比如在10 s-1，在門控模式下工作的MCP可以有效地減少暗噪聲，因為MCP只在有輸入信號時正常工作。
電阻和帶電流

MCP的電阻可以通過控制材料成分和制造工藝來改變。由于考慮到輸出飽和，則需要一個較低的電阻。但是，由于MCP在工作時溫度會隨功耗而增加，因此MCP的電阻只能降低到一定值。MCP的電阻值取決于其結構類型，通常在100 MΩ到1000 MΩ之間。5 MΩ到30 MΩ的低電阻MCP在高輸出電流的場合中應用比較廣泛。
帶電流是指流過MCP表面的傳導電流，如下式所示：Is=V/R。
其中，R為MCP的電阻，V為工作電壓。由此可知，當MCP的電阻為100 MΩ，工作電壓為1000 V時，帶電流為10 µA。

輸出線性
當MCP中輸出較大的電流時，由于大量的二次電子發射，會導致輸出端附近的通道管壁被充電。這種現象會影響電勢的分布，削弱電場強度，抑制了后面的電子倍增和發射。但是這種充電效應可以通過管壁的帶電流所中和。但是由于通道管壁的帶電流很小，電阻又很高，所以這種中和作用也需要時間，因此我們把這段時間也被稱為死時間。

當輸出電流達到帶電流的5%到6%時，增益會下降，出現飽和效應。圖5為正常電阻MCP（550 MΩ）和低電阻MCP（10.8 MΩ）工作在直流模式下的飽和特性曲線，由圖可知，隨著帶電流的增加，飽和特性會有所改善。換句話說，飽和效應水平實際上與MCP帶電流成正比，并由MCP的電阻決定。工作在計數模式下的兩級和三級MCP中，也是相同的結果。

圖5 MCP飽和特性（模擬模式）

圖6顯示了在計數模式下，具有不同阻值的兩級MCP的典型計數率特征。從圖7中可以看出，在直流模式下，低電阻MCP的計數率的增加與帶電流是成比例的。

圖6 MCP飽和特性（計數模式）

改變通道直徑，是提高計數率的一種很有效的方法。例如，如果微通道的直徑降低到一半，那么可以使占據單位面積的通道數量增加四倍。同樣地，如果通道直徑降低到三分之一，那么通道的數量將增加九倍。這意味著即使輸入信號的重復頻率增加，信號進入相同通道的概率也很低，可以有效的減少死時間，提高計數率。如圖7所示。

圖7 通過減小通道大小來提高計數率

時間響應
MCP的增益是由α（=L/d）決定，如果增益保持在一個固定值時，除了通道直徑和通道長度，其余MCP的尺寸大小可以進行縮小。圖8為高速型MCP組件F4655-13（有效面積直徑為14.5 mm）測量的輸出波形及其尺寸輪廓。該組件使用了一個具有4 µm通道直徑的兩級MCP。雙級MCP的厚度非常均勻（小于0.5 mm），對應于電子傳遞距離，大大縮短了電子的傳遞時間，實現了293 ps的上升時間和539 s下降時間的優良時間響應特性。

圖8 高速MCP組件F4655-13的輸出波形和尺寸輪廓

空間分辨率
由于MCP的單個通道可以作為獨立的電子倍增器，所以MCP的空間分辨率取決于二維通道的直徑和間距。當在熒光屏上觀察MCP的輸出時，空間分辨率也取決于MCP的輸出電極在通道的穿透深度、MCP與熒光屏之間的距離以及加速電壓等。圖9為測量通道直徑為6 µm的MCP（單級）的極限分辨率的測量系統示意圖。

圖9 分辨率測量的示意圖

在上述測量系統中，將美國空軍視力測試圖印在玻璃板，然后直接耦合到MCP的輸入表面，并用UV光源照亮測試圖。由于在MCP中產生的倍增電子撞擊熒光屏，使電子被轉化成可見光，可以通過CCD相機觀察。極限分辨率是指可以清晰識別的最小圖表等級。在這種情況下，當增益為1000時，獲得的極限分辨率為20~25 µm。在堆疊MCP（2級）的情況下，總體的空間分辨率低于單個MCP的分辨率。主要原因是，電子在第一級通道中倍增后進入后級通道時會擴散到其他通道中。另一個原因是，當電子流從MCP輸出側釋放時，電荷密度增加，導致空間內的靜電斥力增加，從而導致電子在MCP和熒光屏之間的擴散擴大。

壽命特性
MCP的壽命與MCP中倍增的總電荷量成正比，但同時周圍環境氣體、真空水平都會影響MCP的壽命。圖10為在直流狀態下工作的MCP的壽命特征曲線。該MCP是一個通道直徑為6 µm的單級MCP，安裝在1.3x10-4 Pa的真空室內。通過老化使增益穩定在0.1 C后，連續運行測量壽命數據。增益的退化可以認為是由于電子碰撞通道壁導致的堿氧化物（高δ物質的MCP玻璃材料）密度降低導致了功函數的增加。也可以認為是由于MCP輸出端附近電阻變化而發生的電位分布變形引起的。

圖10 壽命特性曲線

對離子、電子、紫外光譜、VUV和粒子束的探測效率
MCP對紫外線、x射線、α粒子、帶電粒子、中子以及電子束和離子都具有敏感性。表1為MCP對不同粒子的探測效率數據。探測效率可能會因為MCP開口率（OAR）、入射粒子束的角度和能量以及MCP表面是否有涂層而有所不同。

表1 MCP探測效率
圖11為電子束的探測效率與入射能量的關系，圖12為通過改變入射電子束的角度測量的相對靈敏度的變化?？梢钥吹皆?00 eV到1000 eV的電子能量范圍內探測效率最大。雖然靈敏度也取決于入射能量，但是在同一能量范圍內，當入射角為13°時，可以獲得最大的探測靈敏度。

圖11 探測效率&電子束能量

圖12 相對靈敏度&電子入射角
圖13為He離子和He中性粒子的探測效率。從圖中可以看出，離子和中性粒子之間的探測效率沒有顯著差異，說明在1 keV~10 keV的入射能量范圍內，探測效率比較高，約為50%。

圖13 離子和中性粒子檢測效率&事件能量

圖14顯示了在10 keV、60 keV和100 keV離子能量下測量的PHD（脈沖高度分布）數據。這些數據表明，不同能量下得到的結果幾乎相同，并且不依賴于能量范圍。在1 keV~100 keV的能量范圍內，對He離子的檢測效率可能幾乎相同。

圖14 10 keV、60 keV和100 keV時，氯離子脈沖高度分布
圖15顯示了質量數高達10000 amu的離子的檢測效率，通過改變累積能量來測量。在這個圖中，上面表示金屬簇離子（Cr）的檢測效率，下面含有大量氫離子的檢測效率。這表明，隨著離子加速能量的提高，檢測效率有提高的趨勢。例如，對于質量數為10000 amu的離子，在20 kV的加速電壓下，檢測效率約為80%，但在5 kV時下降到5%以下。與金屬團簇離子相比，即使質量數相同，對含氫離子的檢測效率也往往較低。

圖15 2 kV至20 kV后加速電壓下的Cr簇離子（上曲線）和碳氫化合物（下曲線）的檢測效率變化曲線
圖16和17分別為紫外線到硬x射線區域的相對檢測效率和相對于軟x射線光子能量的檢測效率。與電子一樣，這些光子的探測效率與角度有關。并且，隨著能量的增加，最大探測發生的角度變得很淺。這種現象是由于產生二次電子的位置和它們的逃逸深度之間的關系。與電子和離子相比，對紫外線的探測效率相對較低。在MCP輸入表面涂上光電材料可以有效地提高檢測效率。典型的光電材料為碘化銫、碘化亞銅、溴化鉀和Au。其中碘化銫最常用。

圖16 檢測效率&紫外到硬X射線區域的光子能量