微通道板 Microchannel plates

2022-11-09 11:09:44 浏览:575

定义

具有多个空间通道的电子放大器。

微通道板(MCP)本质上是一种用于电子的快速高增益放大器,具有许多用于成像应用的并行空间通道。 它不仅对输入电子直接敏感,而且对其他带电粒子(例如离子或基本粒子)和具有足够短波长(高光子能量)的电磁辐射(即从紫外线到软X射线)直接敏感。 探测效率(量子效率)通常取决于粒子或光子的类型和能量。 为了获得对可见光或红外光的灵敏度,可以在MCP前面使用光电阴极。

MCP用于各种光子仪器,特别是图像增强器和图像转换器。 此外,它们还用于医学诊断中的X射线检测或工业检查。 其他应用领域包括飞行时间质谱、核物理、其他基础物理和电子显微镜。

微通道板的构造及工作原理

微通道板基本上由厚度为例如1mm的板(盘)组成,该板(盘)由电绝缘材料(通常是玻璃)组成,并包含六边形的小孔阵列(见图1a)。 正面和背面通常是圆形或矩形。 有效区域的直径可以是例如20毫米,50毫米甚至超过100毫米。 例如,每个通道的直径可以是 10 μm 或 20 μm。

MCP可以通过以下工艺制造,例如:

  • 一种将许多玻璃纤维组装成一束,并在高温下将它们熔合在一起。
  • 从该熔合束中,以一定的偏置角(见下文)在光纤轴上切割切片。
  • 光纤具有材料的纤维芯,可以蚀刻掉以获得孔的图案(通道)。
  • 通过化学处理,在通道壁上产生薄的半导体层。 该层针对二次电子发射的高效率和一定的低电导率进行了优化。
  • 一种将金属薄膜(通常是镍合金)蒸发到端面上以形成电极。 这些电极会稍微渗透到通道中。

在操作过程中,对电极施加1 kV量级的电压。

整个设备必须在高真空下运行,例如残余压力为 10−4帕。

图1:微通道板的前视图,以及单个入射电子的电子雪崩的产生。

微通道板的一侧被电子击中,电子在距离板1毫米的光电阴极中产生。 通常,人们使设置使得电子轨迹相对于通道轴具有一些小的偏置角(大约10°)。

以足够的能量(例如几百电子伏特)发送到输入侧的单个电子可以产生多个二次电子,这些二次电子再次可以撞击通道的内侧并产生更多的电子。 经过几个这样的循环后,产生的电子雪崩可以产生数千个输出电子(见图1b)。 这个过程类似于传统的光电倍增管,但它不会提供空间分辨率,而且也大得多。

许多通道中的每一个都可以充当独立的电子放大器。 输出电子的空间分布与另一侧输入电子的空间分布非常相似。

在没有任何输入电子的情况下,由于板材料的非零导电性,仍然存在一些微弱的带状电流。 虽然在功耗方面可能需要低带状电流,但较高的值有利于实现最大检测速度(见下文)。

MCP通常在模拟模式下工作,输出信号与输入信号大致成正比。 但是,也可以在计数模式下使用它们,在该模式下,输入事件被计数,而不考虑每次计数的电荷:每个电荷超过某个阈值的事件都被计算在内。

MCP 的主要属性

增益

放大因数(也称为增益)在很大程度上取决于通道的长径比α和工作电压。 这两个参数决定了扩增周期数和每个周期的倍增因子。 交越电压定义为实现单位增益的工作电压;正常工作电压远高于此值。 通常的α值为 50 量级。 例如,10 μm 的通道直径对应于 0.5 mm 的通道长度。

增益可以是几千甚至超过106,但对于如此高的增益,放大噪声会变强,主要是因为正离子向后加速并产生额外的输入电子。 因此,通常将增益(通过电压)限制在10量级4. 响应度仍然很高,这对于检测非常微弱的信号很有吸引力;甚至可以进行光子计数(与光电阴极结合使用)。

多级MCP可以获得更高的增益,见下文。

请注意,由此产生的灵敏度不仅取决于放大因子,还取决于噪声。 理想情况下,每个入射电子都会引起相同强度的雪崩,但实际上微通道板表现出不完美的量子效率(主要取决于器件设计,例如开孔面积比),并且在倍增过程中也存在实质性波动。

带状电流

如上所述,即使没有任何输入光,也会有一定的条带电流流过电极,这是由于通道壁的有限导电性。 该电流在功耗方面是有害的,并导致设备发热(由于在高真空下运行,通常无法有效冷却)。 另一方面,有时需要增加它以获得更快的响应(见下文)。

通常,整个微通道板具有数十至数百兆欧(MΩ)的电阻。 带材电流可低至每厘米1 μA2的有效面积,但对于更快的设备,也可以高出数十倍。

暗电流

暗电流是输出电流- 不要与带状电流混淆 - 在没有任何输入信号的情况下发生。 它通常非常低,例如 <1 pA/cm2. 在计数模式下,只有非常低的暗帐户率,例如每秒几个事件和厘米。2的活动区域。

饱和

只要输出电流远低于带状电流,增益就保持近似恒定。 对于较高的输出电流(例如带状电流的5%),会发生饱和效应,线性响应的范围到此结束。 因此,对于具有线性响应的最大动态范围,人们使用具有增加条带电流的微通道板,尽管它们的功耗相应更高。

不同的通道通常独立饱和,只要工作电压不会因高输出电流而下降。 特别是对于计数应用,因此使用具有许多小通道的MCP是有利的,其中一个通道的死区时间影响较小。

空间分辨率

为了获得最高的空间分辨率,希望使通道的间距尽可能小。 因此,开发了通道间距值低于 10 μm 的 MCP。 为了保持手杖恒定,相应地减少了通道长度。

检测带宽和死区时间

检测带宽可以非常高(许多兆赫兹),因为电子具有相当短且相对均匀的传输时间,即传输时间很小。 通常,传输时间为几百皮秒,传输时间差远低于 100 ps。

在每次电子雪崩产生后,器件有一些死区时间,直到再次达到完全增益。 这是因为电子雪崩改变了通道中的电荷分布。 特别是对于具有低电导率的器件(在功耗方面是理想的),死区时间是一个限制因素。 因此,可以有意处理通道以获得更高的电导率,以减少死区时间。

使用寿命、工作温度和冲击灵敏度

微通道板的寿命是有限的,因为在操作过程中会发生一些退化。 例如,不完美的真空会导致正离子的产生,这些正离子在通道中被加速并可能造成损坏。 此外,由于电子撞击,输出端附近存在逐渐的电阻变化。 关键数字不是总运行时间,而是累积的电输出电荷:信号输入的老化速度比没有信号输入快得多。 老化速度还在很大程度上取决于设计和操作细节,例如真空质量、工作电压和一些制造细节。

例如,为了避免热失控,工作温度需要保持在 70 °C 以下:由于带状电流(特别是对于更快的设备)会有一些热量,并且该电流随着温度的升高而上升,假设工作电压恒定。

尽管微通道板的玻璃板在机械上非常坚固,但MCP实际上对机械冲击非常敏感。 这主要是因为它们需要在密封的高真空玻璃管中操作。 例如,所需的高压贯穿件可能会因机械冲击而损坏,从而导致真空泄漏。 这种泄漏会迅速导致MCP过早死亡,例如导致气体放电。

对磁场的敏感性

MCP对磁场有些敏感,因为它们对电子轨迹有影响。 对于沿通道方向的场,增益甚至可以增加,而横向场往往会降低增益。 通常,对磁场的灵敏度远低于传统的光电倍增管。 甚至可以在几个特斯拉的场强下运行。

多个MCP的组合

为了再次达到特别高,通常使用两个或三个微通道板的组合,这些微通道板面对面安装(但通常不与开口对齐)并且串联电连接(在板之间的界面处没有金属涂层)。 与简单地使用具有相应更长通道的单个微通道板相比,性能可以明显更好,主要是因为向后移动的正离子大多停在板之间的界面处。 因此,可以在没有过多噪声的情况下获得更高的增益。

具有两个微通道板的器件称为双级MCP或VMCP,因为两个板的通道定向使得它们之间有一定角度(V形V形,见图2)。 它们可以达到 10 量级的增益6. 那些有三个板块,增益高达10左右7被称为三级MCP或ZMCP或Z堆栈MCP,同样在后续板的通道方向之间有一个角度。

图2:设计双级和三级多通道板。由于板的方向不同,可以获得“V”或“Z”形状。实际上,通道通常不会在接口处对齐。

由于不同板的通道通常不对齐,因此存在一些空间分辨率损失:在一个界面处,来自一个通道的电子可以进入下一个板的多个通道。

图像增强器中的应用

在图像增强器中,光电阴极产生光电子,这些光电子以例如400 V的电压被拉向微通道板。 由于微通道板输入侧的光电阴极之间的距离很小(例如2 mm),因此可以获得接近耦合,其中每个光电子最有可能进入最近的通道。 然后,板的输出电子可以发送到荧光屏(进一步加速,例如几千伏),从而产生可见图像,例如用眼睛直接观看。 或者,可以将电子发送到电子传感器。

这种图像增强器可用作相机的一种前置放大器,例如CCD型。 这种配置称为强化CCD(ICCD)。

有关更多详细信息,请参阅有关图像增强器和图像转换器的文章。

在微通道光电倍增管中的应用

在某些情况下,不需要空间分辨率。 人们可以构建一个类似于图像放大器的紧凑型光电倍增管,在微通道板前面有一个光电阴极,但只需用单个电极收集所有输出电子。 在MCP输出和阳极之间施加中等电压,例如100 V。 整个探测器可以装入一个非常紧凑的圆柱形外壳中,例如直径和长度为几厘米。 该器件通常获得单个高电压,该电压通过简单的分压器(由电阻器制成)在内部分布在三个器件上。 最大比例的电压通常保留给多通道板,稍低的电压用于微通道板前后的电子加速。

与传统光电倍增管相比,其优点是尺寸小,并且(如果使用单级MCP)工作电压也更小。

也可以使用一些阳极阵列来保留一些空间分辨率。 例如,每个阳极可能宽2毫米,收集一定数量的MCP通道的输出。

与其独立地从阳极收集电流,不如用电阻器和电容器连接这些阳极,只检测该串两端的电流。 然后获得一种位置敏感探测器,其空间分辨率远优于1毫米。

作为快速快门的应用

通过关闭施加的电压,微通道板的非常大的放大因子可以非常迅速地降低到可以忽略不计的值。 因此,微通道板有时用作快速快门(门)。 例如,增强型CCD相机不仅可以用于检测非常微弱的光线,还可以用于研究非常快速的过程,尽管CCD芯片本身相当慢。 为此,人们只在非常短的时间间隔(通常为几纳秒)内打开图像放大器,然后相机在这些时间间隔之外基本上是盲的。 特别是对于重复过程,可以通过连续改变曝光间隔的时间位置来进行超快成像。

光检测和表征

作          者: 泮桥成像光电商城

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