微通道板（MCP）特性参数解析
2023-09-25844
点开文章来阅读的小伙伴，肯定多少都了解MCP（点击此处了解产品详情）。我们今天就再来统一“盘一盘”它的几个重要参数：增益和脉冲高度分布、暗电流、电阻和带电流、输出线性、时间响应、空间分辨率、寿命特性、对离子、电子、紫外光谱、VUV和粒子束的探测效率。
微通道板（Microchannel Plate，MCP）的增益（g）可以用来g=exp（G · α）表达，其中α（=L/d）是微通道长度与直径的比值，G是微通道管壁的二次电子发射系数，也可以称为增益系数。增益系数是微通道壁材料的固有特性，也可以用微通道内电场强度的函数表示。图1为相同增益的微通道材料制成的MCP，当α值从40变化到80时，微通道的增益变化趋势。
图1 不同α下MCP的增益变化曲线
由图可知，随着α的增加，增益会随电压的变大而增加，并达到Z大值。但是，当增益超过104时，由于离子反馈会引起噪声的增加，因此MCP的增益不可能增加到无限大。一般α通常被设计为40到60之间，当电压为1 kV时，增益值为104。如果需要更高的增益，可以让两个或三个MCP进行堆叠，形成两级或三级的MCP。堆叠形式的MCP在脉冲计数模式中很有效，在这种模式下，不同于模拟方式的测量，入射的弱脉冲信号可以被转换为二进制信号。然而，当增益增加到一定水平时，离子反馈效应引起的噪声也会成为一个问题。当MCP通道内残留气体分子与倍增的电子碰撞时，就会产生离子反馈，产生的离子沿着电场返回到MCP的输入侧，会产生假信号，降低信噪比。为了减少这种现象，可以让两个或三个MCP相邻堆叠时，使它们的偏角交替相反的连接，如图2所示。这种结构可以有效地减少由于离子反馈效应而引起的噪声，因为残留气体产生的离子可以在每级MCP之间的连接处被吸收，可以进一步提高增益。 图3为单级、两级和三级MCP的典型增益曲线。如图所示，在1 keV的供电电压下，单级MCP可以获得高于104的增益。两级MCP的增益可以高于106，三级MCP的增益可以高于107。但是在两级和三级MCP的情况下，总的增益略低于单级MCP的增益，这是因为当电荷每通过一个MCP时，会发生电荷损失，同时也会因为通道内的空间电荷效应导致增益的饱和。图4为典型的脉冲高度分布曲线。大家都知道，当MCP增益增加到一定水平时，会出现空间电荷饱和现象。通道的增益饱和主要是由于倍增过程中产生电子与新发射的二次电子之间的静电斥力引起的。在用单级MCP观察非饱和区域时，脉冲高度分布（PHD）几乎呈指数级下降。然而，在空间电荷饱和度为主的区域，脉冲高度分布达到峰值，分散较小。随着通道直径的变小，电荷饱和时的增益会降低。例如，对于标准通道直径为12 μm的MCP，每个通道的Z佳增益在3×103到5×105之间。脉冲高度分辨率（PHR）通常用指定脉冲高度的分散来表示。如图4所示，PHR被定义为脉冲高度分布中的半高全宽的Z大值（FWHM）与峰值通道值A的比值，如下，PHR值越小，脉冲高度分散就越小：同时分辨率也取决于MCP的电源电压、通道直径、偏角和MCP之间的距离。通常，两级MCP为120%，三级MCP为80%。
暗电流
MCP暗电流的来源主要有以下几点：
我们可以通过改进MCP的制造工艺、结构以及材料，都可以有效地减小由于局部放电引起的暗电流。但是无论如何，当电源电压为1 kV时MCP都会出现暗电流，暗电流值小于0.5 pA/cm2。在两级和三级MCP中，暗计数也比较低，在每级1 kV的电源电压下小于3 s-1/cm2。但是在输入信号电平非常小的情况下，比如在10 s-1，在门控模式下工作的MCP可以有效地减少暗噪声，因为MCP只在有输入信号时正常工作。
电阻和带电流
MCP的电阻可以通过控制材料成分和制造工艺来改变。由于考虑到输出饱和，则需要一个较低的电阻。但是，由于MCP在工作时温度会随功耗而增加，因此MCP的电阻只能降低到一定值。MCP的电阻值取决于其结构类型，通常在100 MΩ到1000 MΩ之间。5 MΩ到30 MΩ的低电阻MCP在高输出电流的场合中应用比较广泛。带电流是指流过MCP表面的传导电流，如下式所示：Is=V/R。其中，R为MCP的电阻，V为工作电压。由此可知，当MCP的电阻为100 MΩ，工作电压为1000 V时，带电流为10 μA。当MCP中输出较大的电流时，由于大量的二次电子发射，会导致输出端附近的通道管壁被充电。这种现象会影响电势的分布，削弱电场强度，抑制了后面的电子倍增和发射。但是这种充电效应可以通过管壁的带电流所中和。但是由于通道管壁的带电流很小，电阻又很高，所以这种中和作用也需要时间，因此我们把这段时间也被称为死时间。
当输出电流达到带电流的5%到6%时，增益会下降，出现饱和效应。图5为正常电阻MCP（550 MΩ）和低电阻MCP（10.8 MΩ）工作在直流模式下的饱和特性曲线，由图可知，随着带电流的增加，饱和特性会有所改善。换句话说，饱和效应水平实际上与MCP带电流成正比，并由MCP的电阻决定。工作在计数模式下的两级和三级MCP中，也是相同的结果。
图5 MCP饱和特性（模拟模式）
图6显示了在计数模式下，具有不同阻值的两级MCP的典型计数率特征。从图7中可以看出，在直流模式下，低电阻MCP的计数率的增加与带电流是成比例的。
图6 MCP饱和特性（计数模式）
改变通道直径，是提高计数率的一种很有效的方法。例如，如果微通道的直径降低到一半，那么可以使占据单位面积的通道数量增加四倍。同样地，如果通道直径降低到三分之一，那么通道的数量将增加九倍。这意味着即使输入信号的重复频率增加，信号进入相同通道的概率也很低，可以有效的减少死时间，提高计数率。如图7所示。
MCP的增益是由α（=L/d）决定，如果增益保持在一个固定值时，除了通道直径和通道长度，其余MCP的尺寸大小可以进行缩小。图8为高速型MCP组件F4655-13（有效面积直径为14.5 mm）测量的输出波形及其尺寸轮廓。该组件使用了一个具有4 μm通道直径的两级MCP。双级MCP的厚度非常均匀（小于0.5 mm），对应于电子传递距离，大大缩短了电子的传递时间，实现了293 ps的上升时间和539 s下降时间的优良时间响应特性。
图8 高速MCP组件F4655-13的输出波形和尺寸轮廓
由于MCP的单个通道可以作为独立的电子倍增器，所以MCP的空间分辨率取决于二维通道的直径和间距。当在荧光屏上观察MCP的输出时，空间分辨率也取决于MCP的输出电极在通道的穿透深度、MCP与荧光屏之间的距离以及加速电压等。图9为测量通道直径为6 μm的MCP（单级）的极限分辨率的测量系统示意图。图9 分辨率测量的示意图
在上述测量系统中，将美国空军视力测试图印在玻璃板，然后直接耦合到MCP的输入表面，并用UV光源照亮测试图。由于在MCP中产生的倍增电子撞击荧光屏，使电子被转化成可见光，可以通过CCD相机观察。极限分辨率是指可以清晰识别的Z小图表等级。在这种情况下，当增益为1000时，获得的极限分辨率为20~25 μm。在堆叠MCP（2级）的情况下，总体的空间分辨率低于单个MCP的分辨率。主要原因是，电子在第一级通道中倍增后进入后级通道时会扩散到其他通道中。另一个原因是，当电子流从MCP输出侧释放时，电荷密度增加，导致空间内的静电斥力增加，从而导致电子在MCP和荧光屏之间的扩散扩大。
MCP的寿命与MCP中倍增的总电荷量成正比，但同时周围环境气体、真空水平都会影响MCP的寿命。图10为在直流状态下工作的MCP的寿命特征曲线。该MCP是一个通道直径为6 μm的单级MCP，安装在1.3x10-4 Pa的真空室内。通过老化使增益稳定在0.1 C后，连续运行测量寿命数据。增益的退化可以认为是由于电子碰撞通道壁导致的碱氧化物（高δ物质的MCP玻璃材料）密度降低导致了功函数的增加。也可以认为是由于MCP输出端附近电阻变化而发生的电位分布变形引起的。
MCP对紫外线、x射线、α粒子、带电粒子、中子以及电子束和离子都具有敏感性。表1为MCP对不同粒子的探测效率数据。探测效率可能会因为MCP开口率（OAR）、入射粒子束的角度和能量以及MCP表面是否有涂层而有所不同。
图11为电子束的探测效率与入射能量的关系，图12为通过改变入射电子束的角度测量的相对灵敏度的变化。可以看到在500 eV到1000 eV的电子能量范围内探测效率Z大。虽然灵敏度也取决于入射能量，但是在同一能量范围内，当入射角为13°时，可以获得Z大的探测灵敏度。
图11 探测效率&电子束能量
图13为He离子和He中性粒子的探测效率。从图中可以看出，离子和中性粒子之间的探测效率没有显著差异，说明在1 keV~10 keV的入射能量范围内，探测效率比较高，约为50%。
图13 离子和中性粒子检测效率&事件能量
图14显示了在10 keV、60 keV和100 keV离子能量下测量的PHD（脉冲高度分布）数据。这些数据表明，不同能量下得到的结果几乎相同，并且不依赖于能量范围。在1 keV~100 keV的能量范围内，对He离子的检测效率可能几乎相同。
图14 10 keV、60 keV和100 keV时，氯离子脉冲高度分布图15显示了质量数高达10000 amu的离子的检测效率，通过改变累积能量来测量。在这个图中，上面表示金属簇离子（Cr）的检测效率，下面含有大量氢离子的检测效率。这表明，随着离子加速能量的提高，检测效率有提高的趋势。例如，对于质量数为10000 amu的离子，在20 kV的加速电压下，检测效率约为80%，但在5 kV时下降到5%以下。与金属团簇离子相比，即使质量数相同，对含氢离子的检测效率也往往较低。
图15 2 kV至20 kV后加速电压下的Cr簇离子（上曲线）和碳氢化合物（下曲线）的检测效率变化曲线图16和17分别为紫外线到硬x射线区域的相对检测效率和相对于软x射线光子能量的检测效率。与电子一样，这些光子的探测效率与角度有关。并且，随着能量的增加，Z大探测发生的角度变得很浅。这种现象是由于产生二次电子的位置和它们的逃逸深度之间的关系。与电子和离子相比，对紫外线的探测效率相对较低。在MCP输入表面涂上光电材料可以有效地提高检测效率。典型的光电材料为碘化铯、碘化亚铜、溴化钾和Au。其中碘化铯Z常用。
碘化铯涂层对检测效率的影响如图18所示。像碘化铯这样的碱卤化物化合物是一种活性材料，会与空气中的水分发生反应，可能在短时间内溶解。为了防止这种情况的发生，储存时应将材料放在真空中。当将它们从真空中取出时，确保环境湿度足够低，并在尽可能短的时间内安装它们。
图18 检测效率&紫外波长
关于MCP参数性能的讲解已经结束，如果有任何问题都可以在评论区提问，工程师会第一时间为您解答。
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