影像采集
TT001-MCP真空探测器
先锋科技(香港)股份有限公司 TT001
 
MCP(Micro Channel Plate,微通道板)是二维的真空电子放大器件。广义而言,MCP属于比较传统的真空电子产品,但其独特的高增益、快响应、低噪声特性,使得在微弱光、射线/粒子探测领域仍旧是不可替代的重要器件。
基于MCP的探测器大致上分为两类,一类是具备光电阴极的像增强器或快速光电倍增管,一类是无光电阴极、MCP直接响应入射粒子的真空探测器。本文主要介绍真空MCP探测器,这一类探测器广泛用于极紫外 - 软X射线波段的光子和带电粒子的流强、成像以及计数探测。
 

一、微通道板(MCP)简介
 
图1 微通道板(MCP)结构示意图
 
1.1 MCP的结构和原理

如图1所示,MCP由很多个排列在一起的微通道(通常是玻璃)构成。微通道内壁涂有二次电子发射材料。MCP两端加以直流高压,在通道内形成静电场;低电位一端(输入端)入射的带电粒子或光子能够在管壁上激发多个二次电子;这些二次电子在静电场作用下加速,轰击管壁后产生更多的电子。如此往复,形成电子的雪崩效应,输入的信号得以放大,在微通道的输出端形成大量电子出射。
从原理上看,MCP的每个通道相当于连续分布倍增级的电子倍增器。由于其独特的结构,MCP有一些独特的特性。


 
图2 MCP的外观

1.2 MCP的主要特性和参数

·孔径(pore size)与孔间距(pitch):通常MCP的孔径在10um量级,而孔间距则比孔径略大。孔间距越小,空间分辨率越高(通常MCP类探测器的空间分辨率主要限制因素不是MCP孔间距)。孔间距和孔径确定了MCP探测面的占空比。如10 - 12(孔径10um,间距12um)的MCP占空比为63%。 一般而言小口径(<40mm有效探测面)MCP的孔径也较小,大口径(>75mm有效探测面)MCP的孔径也交大。
·纵横比(aspect ratio):纵横比是MCP的一个重要参数,它是指MCP微通道孔长度和孔径的比。通常有40:1, 60:1,也有达到80:1及以上的。纵横比越大,增益越高,但时间响应会受到一定的影响。
·有效口径:从10mm - 150mm,MCP可提供多种口径。先锋科技代理的英国Photek公司为目前提供商品化大口径MCP探测器的唯一厂商。
·增益:单级MCP一般可提供103的增益;MCP级联可获得更高增益(双极106,三级107-8
·倾角与级联:为入射电子有效的轰击MCP的侧壁,微通道通常并与MCP端面法线同向,而是有一个5-15度范围的夹角。将两片MCP级联时,它们的微通道通常成“V”字型级联(chevron stack)排布,而三级联的MCP通常采用“Z”字型级联。
·镀层:MCP两端面通常镀金属薄膜以导电;部分特殊的镀膜(如金、碘化铯等)可以扩展响应的范围。
·高压与阻抗:通常一级MCP需要的高压为1kV左右,增益随高压是非线性增加的,所以MCP对高压的稳定性和低噪声要求较高;单级MCP的直流阻抗通常是在百兆欧量级,电流(功率)消耗很小。
·真空要求:MCP是电真空器件,要求处在超高真空环境(<10-4Pa)环境中才能施加直流偏压。
 

1.3  MCP的响应范围

用于真空的MCP一般直接面向待测射线,或在输入面有特殊镀膜以扩展响应范围。典型的响应范围如图3。
 
图3 MCP的响应范围

对于约5eV - 1.2keV 的光子和带电粒子,空白的MCP有很好的响应;可以通过镀膜来扩展响应波长。
因为MCP的原理是微通道内二次电子的激发和倍增,所以MCP对一般的中性粒子响应不好(但空白MCP对MeV的中子可以响应)。探测中性粒子时,可以使其带电,或者用闪烁体转换为光子。
空白的MCP几乎不响应可见光,这在某些实验环境(如激光产生X射线)是有利的。
 

1.4 MCP探测器的优势

·高速度:电子在微通道板内的渡越时间为百皮秒量级,而渡越时间的抖动更是远小于纳秒。和PMT类探测器相比,MCP探测器的响应时间快1 ~2个数量级;而固体(半导体)探测器要达到亚纳秒的响应时间,其管芯尺度会非常小。
·低噪声/高灵敏度:在1cm2面积上,每秒钟只有2-3个暗计数;而高增益使得探测器输出足够大的电流/发光,足可克服后续收集系统的本地噪声。
·抗干扰:相对于PMT,MCP受磁场的影响非常小,通常不需要磁屏蔽。
·灵活性:MCP是二维电子放大器件,通过不同的配置可以实现成像,大面积单点探测,位置及时间分辨的计数,多点并行读出等;针对一些特殊应用,MCP甚至可以切割成方形、六边形等形状,方便拼接。

二、信号拾取及读出

微通道板本身只是对电子进行倍增放大的器件,它吸收输入的带电粒子或光子,输出倍增以后的电流(电子云)。为获取实验结果,需要将输出的电子经过拾取或转换后,形成能够拍摄、记录或计数的信号。
因此,对于一个特定目的的MCP真空探测器,信号拾取和读出是非常重要的部分。通常会需要一个阳极用来拾取电子云信号,阳极与MCP输出端之间有一定间距并加有高压。一般而言有几种类型的阳极:

·荧光屏:受高能电子轰击后会发光,从而形成可见光的图像;
·金属导电阳极:直接拾取电流,用于粒子流强的分析或计数;
·位置敏感阳极:如阻性阳极或延迟线等,通过多通道读出,在获取信号强度的同时分析电子云的位置;
·多阳极:多个相互隔离的金属阳极,支持多点实时的信号采集。

 
图4采用荧光屏成像的MCP探测器结构示意
 
MCP放大输出的电子云经过阳极转换或拾取之后,尚需要读出和信号处理、记录,常用的有几类部件:

·CCD/CMOS相机:通过透镜或光纤锥,将荧光屏上的像传递到图像芯片上,并传输至电脑处理;
·示波器、A/D转换或计数器:主要用于读出阳极电流信号。入射流强较大时,可得到连续的电流,经过A/D转换存储为数字信号或经过示波器显示,从而得到信号随时间变化的特性;信号微弱时,采用阈值鉴别的方法进行计数;
·位置分辨数据处理:对位置敏感阳极的信号进行高速处理,得到事件的位置、到达时间以及计数率;
·多通道并行处理:用于多阳极探测器。
 

2.1 荧光屏及其读出

用于成像目的的MCP探测器一般采用荧光屏作为阳极。荧光屏在数个keV的高能电子轰击下会发射可见光,经过相机拍摄后形成图像型号。
 
图5成像型MCP真空探测器的输入(左图)与输出(荧光屏,右图)
 
荧光屏所使用的材料,有P20、P43、P46、P47等多种。通常主要依据信号的重复频率来选择。P43具备较好的发光效率,其发光波长(550nm)正位于一般CCD相机感光效率最高的区域,因此是最常用的荧光屏;但P43的荧光衰减时间约1.2ms,故不适合帧率>500fps的成像;快速荧光屏中最常用的是P46,其发光效率月为P43的1/4,但余辉时间仅为300ns。
一般荧光屏相对于MCP输出的高压会高达5kV以上。
荧光屏可以镀在玻璃窗片上,该窗片同时起到真空密封的作用。也可以镀在光纤锥面板窗片上,这样像可以传递到窗片外侧,以便后续再通过光纤锥与成像传感器连接。
Photek 公司可根据用户的需求提供各种材质的荧光屏镀膜,并提供透镜耦合/光纤锥耦合方式。

根据具体的应用,光学耦合及CCD/CMOS相机的选择可以有多种方式:


·光纤锥耦合与透镜耦合:光纤锥的优点是效率高,像畸变小;缺点是信号强度均匀性会受到一定的影响,另外光纤锥耦合需要后端相机芯片上已经粘好光纤面板输入,故相机的选择受到一定的局限;透镜耦合结构比较简单,放大倍率灵活可调,比较适合大缩放比的情景,透镜耦合效率低于光纤锥耦合,而分辨率、成像质量取决于透镜的质量。透镜耦合可以设计成90度转折光路,当实验系统有穿透性非常高的粒子(如中子、高能光子)时,这种设计有助于保护后续相机及电子线路免受辐射损伤。
即使探测器本身选配了光纤锥输出,仍旧可以采用透镜来作像传递。


·CCD或CMOS相机的选择:由于MCP本身有较大的增益,一般信号探测可采用普通的科研级CCD/CMOS相机,根据所需要的分辨率及帧速选择;较为微弱的、需要长时间积分的信号,可选择制冷型CCD相机;对探测动态范围有需求时,建议使用sCMOS相机;如果工作在单光子计数模式,可以选择常规的CMOS相机。

·单光子计数模式:针对极微弱的信号,CCD/CMOS相机可工作在单光子计数模式,单光子计数模式需要前端采用二级连或以上(>1E6增益)的MCP。在单光子计数模式时,相机持续以固定帧率或接受外触发同步采集信号,MCP探测到的单粒子事件会在图像上形成分立的斑点;软件计算每个斑点的总强度和强度重心,超过一定阈值的被认为是单个粒子事件,其重心位置对应的坐标计数值加1。经过长时间、多帧叠加后,还原图像。
采用相机进行单光子探测无法进行高速的时间分辨(时间分辨取决于相机的帧率),但其统计的方式可以实现非常低的噪声,同时因为单粒子事件的空间坐标采用统计重心的方式,其空间分辨率可以非常高,达到CCD芯片的水平。
Photek提供成像或粒子计数的成套系统,包括MCP探测器、光学耦合、相机和软件。


2.2 金属阳极输出(真空PMT)

如果在MCP输出端之后放置金属阳极,并施加高压,电子云会到达阳极并可以形成电流输出,电流强度正比于输入信号的强度。电流可通过示波器、A/D转换器采集,或者(信号极微弱,只能产生分立的单粒子峰时)经鉴别器、计数器计数。
这类探测器具备超快的时间响应(小口径探测器可达到<100ps的上升沿,100ps左右的FWPM脉冲响应),非常适合做TOF(Time Of Fly,时间飞行)谱仪的探测器,因此也常称作TOF探测器。
除了MCP本身的电子渡越时间展宽之外,电子云在MCP和阳极之间的飞行以及电流形成有时会对脉冲形状(尤其是后沿)造成影响。经过特殊设计的阳极形状(如锥形阳极)可以减轻这种效应。Photek可根据用户的需求设计不同形状的阳极板。

 
图6采用锥形阳极的MCP探测器

如果对输入面的电位无要求(例如,光子探测),阳极直接接地有助于方便的拾取电流信号。但在很多场合下MCP输入面需要零电位,这样阳极相对于地就有数千伏的高压,后续信号拾取时需要采用隔直电容:隔直电容需要耐高压、容量和取样电阻需要精心设计以确保对快速信号的通过带宽,而且一旦电容失效就会立刻击穿后续电路。Photek可配置隔离阳极,将电流取样和阳极极板绝缘,确保响应速度,同时免去用户设计隔直电路的烦恼和风险。

2.3 空间分辨阳极

MCP本身是二维(成像)器件,采用荧光屏+相机读出可以获得图像,但是其时间分辨由相机决定;而采用导电阳极可以获得超快的信号(<100ps响应),却丧失了空间分辨能力。通过采用特殊的阳极结构,如阻性阳极(resistive sea anode) 或者延迟线(delay line),可以同时实现高速度的时间、空间分辨。
 
图7 阻性阳极的空间分辨原理

阻性阳极为具备特定形状及非零电阻的阳极板,如图7所示。通过四个端角上取样的电流脉冲的比率来计算信号在MCP板上的位置,同时具备实时响应的特征。
 
图8 延迟线(Delay Line)示意图

而延迟线则通过两组密切排布的、排布方向互相垂直的导线作为阳极;两组导线的四个端点拾取的信号的时间可以获知事件发生的位置和时间。
需要注意的是这类探测器(阻性阳极与延迟线)通常工作在单粒子计数模式,如果在短时间(如<5ns)内有两个信号同时抵达MCP的不同位置,则位置反演会给出错误的结果。当然,对于点源的跟踪,这类探测器也可工作在模拟、连续输出的模式。
Photek提供阻性阳极和延迟线探测器,以及探测系统(包括探测器、快电子线路、计数软件),可以实现<5ns的时间分辨率和512×512水平的空间分辨率。


2.4  多阳极探测器

采用多个相互绝缘的金属阳极,这样可以输出每个金属阳极探测到的电子信号,实现位置分辨、超快时间分辨的探测。其结构如图8所示。
 
图9 多阳极探测器的结构示意

阳极个数可以达到64×64甚至更多,阳极之间的间距可达亚毫米水平,每个阳极的响应时间可快至百微秒。这类探测器能够实现亚纳秒信号的二维多通道同时采集。
每个通道需要一路单独的读出电路,因此这类探测器成本较高。电路可通过MEMS方式集成在探测器上,也可以外置。
针对某些特殊应用,探测器可以做成方形的,方便扩展探测面积和通道数目。
Photek 公司提供多阳极MCP探测器以及包括电子线路的探测系统。


三、真空MCP探测器的电压配置以及门控

MCP每一级需要约1kV的高压;荧光屏相对与MCP输出面需要约5kV的高压以使电子具备较高的能量有效激发荧光;阳极板通常则相对于MCP输出处在200V左右的高电位。
 

3.1  电压配置简介

如图10所示的一个典型的MCP影像探测器(采用荧光屏输出),各极间相对电压的幅度一般为:
Vout = Vin + 2000V;
Vscreen = Vout + 5000V = Vin + 7000V

 
图10 一个典型MCP探测器的电压配置
 
当探测的粒子为电中性(如光子)时,比较方便的是荧光屏(或阳极)接地,此时Vscreen = 0, Vout = -5kV, Vin = -7kV
而探测带电粒子时,则需要对各级电压小心配置。因为粒子源一般是零电位的,如果MCP输入端为负高压,阳离子会被加速,从而使得飞行时间不能正确反映粒子的初始动能;电子和阴离子会被减速,导致动能变化甚至不能到达探测面。
因此带电粒子探测时通常MCP输入面接地。
有的实验需要过滤某种电性的粒子,如MCP输入面接负高压从而禁止低能电子到达探测面,而又不希望该负电势导致探测的阳离子动能增加,可以在靠近MCP输入面前端加金属栅网,该栅网可以接地以确保粒子在飞行过程中动能不变,而MCP输入面相对于栅网的电势可以阻挡某种电性的粒子。由于栅网和MCP很接近,不会对待测粒子的飞行时间造成影响。
Photek公司可根据实验需要,设计不同的电压配置:阳极接地,输入接地,输入浮地,栅网等等配置。


3.2  高压电源选择

MCP的增益随电压增加是非线性增加的,因此需要高稳定性、低噪声的高压电源。
通常有两类高压电源可供选择:

·直流高压变换模块:这类模块可以将输入直流电压(如+5V)变换成多路高压输出,供MCP、荧光屏/阳极使用;另提供一路或多路控制电压输入来在一定范围内调节输出电压。这类电源体积小、使用灵活,但通常无法自动控制,需要手动控制。使用时需注意采用高品质的直流稳压电源,或采用电池供电。

· 台式高压电源:如果空间允许,真空类MCP探测器建议配置台式高压电源。Photek提供的DPS电源可提供1-5路高压输出、手动及程控的高压电源,可限定每级电压,电压控制为各级联动,保证各级的电位差绝不超限,使用非常安全。

  
图11 Photek DPS3 高压电源

3.3  门控

通过对MCP施加脉冲的高压,可以实现控制MCP的导通和关断。MCP的门控可用于时间分辨(切片)的应用。
对MCP的门控需要快速的高压(1kV)脉冲,目前最快的水平约在10ns左右。多级MCP联用时,只针对其中一级使用门控即可。
 
图12 Photek GM-MAG 8ns 1kV 高压门控
 
四、使用注意事项

MCP是高电压、高增益的真空电子放大器器件,在使用和存储方面需要一定的防护和注意,以免造成人身伤害或器件损坏。
 

4.1  高压防护

·电气防护:确保真空探测器MCP部分的裸露电极之间距离正常,没有弯折、过近;装配进真空系统时确保探测器真空内部分距离其他金属件之间有足够的空间;如需自行连接高压线缆,请采用耐压足够的线缆和高压专用连接头。无论任何情况,高压导线/触点/接头不得位于人能够接触到的环境下。
·高压电源:如使用模块式直流升压器,应确保其直流供电(包括调节电压)稳定、可靠、噪声起伏低;接入之前请务必用准确的电压表测量供电电压是否准确。
·电磁场干扰防护:模块式直流升压器高度依赖直流供电的稳定性,强电磁干扰可能导致输出过高电压击穿MCP。因此在强电磁环境使用时,升压模块需要做好电磁屏蔽。
·从低到高:施加高压时应从低到高逐渐加压;增益电压达到信噪比良好的程度即可,非必要不要使用最高限压。任何一级不可超过限压。

4.2 真空要求

·真空度:必须在 < 1E-4 Pa 的环境下才能给MCP施加电压,并探测信号。如果相互作用的主要靶场不能满足此要求,需要在MCP前面加配分子泵,并在主真空系统与MCP之间增加真空差分。测量真空度的硅管尽量靠近MCP而远离分子泵口,以免造成误判。

4.3 避免饱和:

饱和将对MCP的全部或局部造成不可逆的损伤。局部的损伤将导致部分区域MCP失去响应,并降低MCP的直流电阻;到一定程度后会击穿放电,最终损坏MCP。
MCP探测器一般用于微弱信号的测试,在使用时增益应逐渐上调,适可而止,同时要防止系统中意外的高强度信号。


4.4 防潮

MCP的材质特殊,吸收空气中的水分后,因为膨胀不均,很容易出现裂纹导致报废。因此MCP在使用、存储过程中需密切注意防潮
· 初次使用安装:真空MCP探测器出厂时一般都有盲盖密封,并留有带气阀的抽气接口。拆装组件以前需准备无水的高纯氮气瓶(带减压阀),将气瓶通过管道与探测器抽气口联通,打开抽气阀缓慢注入氮气直至一个大气压;然后才能拆除探测器真空盲盖,并在短时间内装配到真空实验系统的法兰上,并尽快将实验系统抽真空。
·实验间歇:确保探测器尽可能的处于高真空环境中。如实验系统需要近场放气,建议在MCP探测器腔室和实验腔室之间增加隔离阀。
·长时间存储:如长时间不使用MCP探测器,从真空系统上拆除后尽快盖上盲板,抽真空并关闭放气阀,将探测器至于阴凉、干燥、清洁的环境中存放。
Copyright©2013  北京市海淀区中关村大街19号15层办公B1703.京ICP备10047143号-1  |  SP DESIGN