極紫外波段微通道板光子計數(shù)探測器

卜紹芳，尼啟良 ，何玲平，張宏吉，劉世界

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春130033;2.中國科學(xué)院 研究生院，北京100039)

1 引 言

地球作為太陽系的第三行星，其空間環(huán)境受太陽的影響較大。在太陽活動高峰期，地球磁層能較大程度地阻擋太陽風(fēng)破壞地球的遠(yuǎn)程通訊，因此，研究地球磁層能為地球航天活動提供可參考的空間天氣預(yù)報等。等離子體層是地球磁層的一部分，由于He+會共振散射太陽的30.4 nm 輻射，因此，基于楔條形陽極的微通道板光子探測器可通過探測30.4 nm 輻射來實現(xiàn)對地球等離子體層的空間遙感探測。

由于微通道板( Microchannel Plate，MCP) 光子計數(shù)探測器［1］具有高空間分辨率、低噪聲等優(yōu)點，在國外已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于從近紫外到X 射線波段的空間探測。美國宇航局分別于1992 年和2000 年發(fā)射的極遠(yuǎn)紫外探索衛(wèi)星( EUVE) 和IMAGE 衛(wèi)星均搭載了基于楔條形陽極［2］的MCP 光子計數(shù)成像探測儀，通過開展對等離子體層的極紫外成像探測，首次獲得了赤道面上等離子體層的全球分布，并觀測到了在太陽擾動期間地球等離子體層的變化。目前，國外已經(jīng)開始研究基于交叉條紋陽極或游標(biāo)陽極的MCP光子計數(shù)成像探測器，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校和英國的萊斯特大學(xué)在此方面的研究均處于領(lǐng)先地位。

我國在極紫外探測方面主要開展了基于楔條形陽極的MCP 光子計數(shù)成像探測器的研究。由于2012 年將是一個太陽活動高峰年，我國計劃在2012 ～2014 年期間發(fā)射的“夸父計劃”3 顆衛(wèi)星也將利用橢圓軌道衛(wèi)星通過直接探測地球等離子體層中He+密度的空間分布來實現(xiàn)對地球等離子體層頂部的極紫外成像探測。此外，計劃于2013 年發(fā)射的“嫦娥三號”探月衛(wèi)星，也把用于探測地球等離子體層的極紫外相機(jī)列為其有效載荷之一。由于月球自轉(zhuǎn)和繞地公轉(zhuǎn)的周期具有一致性，如果在“嫦娥三號”上安置極紫外相機(jī)并使其面向地球，則相機(jī)將始終指向地球，從而為從側(cè)面連續(xù)拍攝探測地球等離子體層提供了有利條件。本文研究的極紫外波段MCP 光子計數(shù)探測器就是“嫦娥三號”極紫外相機(jī)的一個關(guān)鍵部件。該種探測器的特性主要包括空間分辨率、暗計數(shù)率、脈沖高度分布等。本文主要研究了溫度和MCP堆所加高壓對預(yù)處理后的探測器的空間分辨率、暗計數(shù)率等特性的影響。

2 MCP 光子探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

圖1 MCP 光子探測器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理簡圖［4］Fig.1 Schematic structure of microchannel plate photon detecting system［4］

如圖1 所示，MCP 光子探測系統(tǒng)主要由3 部分組成，即MCP 堆、楔條形位置靈敏陽極和位置讀出電路以及數(shù)據(jù)采集和圖像處理軟件系統(tǒng)，其中MCP 堆用于實現(xiàn)高增益的電子倍增，楔條形位置靈敏陽極則用于收集從MCP 輸出端輸出的電子云信號，被陽極收集的信號經(jīng)位置讀出電路實現(xiàn)放大整形，隨后經(jīng)存儲、傳輸、處理，最終獲得入射光子的(X，Y) 坐標(biāo)，即二維圖像。MCP 光子探測器工作時需要加上負(fù)高壓，在MCP 堆輸入端和輸出端之間以及MCP 堆輸出端與陽極之間通過分壓電阻來提供分壓，從而為電子運動提供電場。目前MCP 光子探測器中用于收集電荷的陽極有多種，如電阻陽極、延遲線陽極和游標(biāo)陽極等，選擇楔條形陽極的主要原因［3］是其直徑能與此次極紫外探測器使用的MCP 的直徑匹配度最高。

3 MCP 暗計數(shù)的一般特性

暗噪聲圖像的形狀如圖2( a) 所示，與MCP的圓形形狀吻合，說明暗計數(shù)在MCP 內(nèi)分布均勻，在空間分布上具有隨機(jī)性。圖2( b) 為暗噪聲脈沖高度分布曲線，采集時間為30 min，MCP 脈沖高度分布的曲線形狀為負(fù)指數(shù)分布。對負(fù)指數(shù)分布的解釋［5］可理解為: 暗計數(shù)如果在微通道內(nèi)均勻分布，那么它應(yīng)該具有各種可能的增益值。由于增益與噪聲產(chǎn)生處的通道深度呈線性關(guān)系，即距離微通道輸入端越遠(yuǎn)，噪聲電子產(chǎn)生倍增的次數(shù)越少，那么最終產(chǎn)生的電子云含電子越少，增益也越小。當(dāng)一些光子在入射到第一片MCP 時，如果其入射方向正好平行于第一片MCP 微通道的軸向時，這些光子將穿過第一片MCP 而從第二片MCP 微通道內(nèi)壁開始碰撞并產(chǎn)生電子倍增。由于可產(chǎn)生碰撞的通道距離變短，這樣就比較容易解釋MCP 暗噪聲多數(shù)位于低增益，從而使其脈沖高度分布呈負(fù)指數(shù)分布。

圖2 MCP 暗噪聲圖像和脈沖高度分布曲線Fig.2 Dark noise image and pulse height distribution curve of microchannel plate

3．1 MCP 的殘余氣體噪聲

如圖3 所示，MCP 是一個多孔陣列排列而成的很薄的圓片，孔的尺寸一般為微米量級。MCP的厚度多為零點幾個毫米，每一個單通道相當(dāng)于一個連續(xù)的打拿極倍增器。在MCP 兩端施加負(fù)電壓，在通道兩端即形成電場，當(dāng)電子或高能光子等進(jìn)入通道并撞擊通道壁后就會產(chǎn)生二次電子，二次電子反復(fù)碰撞通道壁即實現(xiàn)電子倍增。

正是由于MCP 的這種多孔結(jié)構(gòu)，使得MCP在制作、加工以及保存過程中不可避免地吸附了一些殘余氣體，這些氣體在MCP 工作狀態(tài)下會在通道的輸出端被大量電子電離，電離出的正離子在電場作用下會反向加速撞擊通道壁產(chǎn)生二次電子，這些二次電子和負(fù)離子產(chǎn)生的二次電子一起形成噪聲電子，影響系統(tǒng)的信噪比。

將MCP 光子探測器放在真空室內(nèi)并在其兩端施加負(fù)電壓，會發(fā)現(xiàn)真空度迅速下降，說明MCP 內(nèi)有殘余氣體。如果MCP 長期工作在這種狀態(tài)下，不僅影響器件的性能，還將大大降低微通道板的壽命。因此，在使用之前應(yīng)對其進(jìn)行除氣處理。由于MCP 是多孔陣列結(jié)構(gòu)，一般的清洗方法無法深入孔內(nèi)除氣，通常通過預(yù)處理操作來對MCP 進(jìn)行除氣。

圖3 微通道板的結(jié)構(gòu)示意圖及單通道電子倍增原理示意圖［6］Fig. 3 Structure diagram of MCP and the principle schematic diagram of MCP electron multiplication［6］

MCP 的預(yù)處理［7］包括高溫真空烘烤和紫外光電子清刷兩部分。本文建立了MCP 堆預(yù)處理試驗裝置，并對極紫外相機(jī)所用MCP 位置靈敏陽極光子計數(shù)成像探測器的MCP 堆進(jìn)行了預(yù)處理實驗。高溫真空烘烤需要嚴(yán)格控制溫度，溫度過高超過MCP 的承受范圍，將導(dǎo)致增益下降，而溫度過低又不能充分除氣，因此高溫真空烘烤的溫度一般設(shè)在350 ℃，烘烤時間為18 h。紫外光電子清刷是對MCP 進(jìn)一步徹底除氣，采用253.7 nm 紫外光在高壓下對MCP 進(jìn)行除氣，施加高壓一般應(yīng)使MCP 剛好處于飽和增益狀態(tài)，不同型號的MCP，其增益飽和電壓也不同。為了防止清刷強(qiáng)度太大導(dǎo)致微通道二次電子發(fā)射層遭到破壞，一般使MCP 輸出端的出射電流為0.2 μ А，累積出射電量為0.06 C·cm-2。剛經(jīng)過預(yù)處理的MCP 在高壓真空工作狀態(tài)下時，真空度穩(wěn)定，MCP 光子探測系統(tǒng)具有較低的暗噪聲，經(jīng)過預(yù)處理的MCP 光子探測系統(tǒng)在室溫22 ℃下暗計數(shù)率僅為0.34 count/( s·cm2) ，處于高壓工作狀態(tài)時真空度無明顯下降。

3.2 MCP 的其他噪聲

圖4 不同電壓和溫度下暗噪聲的分辨率圖像Fig.4 Resolution images of dark noise obtained at different voltages and temperatures

對經(jīng)過預(yù)處理的MCP 光子探測系統(tǒng)進(jìn)行實驗，研究了溫度和電壓變化對MCP 噪聲的影響。圖4 為在不同電壓和溫度條件下，MCP 光子探測系統(tǒng)的暗計數(shù)圖像。表1 為在不同電壓和溫度下探測器的暗計數(shù)率。

從圖4 和表1 可以看到，隨著溫度的升高，暗計數(shù)率顯著增大，這說明MCP 存在熱噪聲，即熱電子發(fā)射噪聲［8］，也就是MCP 本身的熱電子發(fā)射數(shù)漲落，這些電子能量雖然很低，但是數(shù)目很多。另外，隨著MCP 兩端分壓的增大，電子增益增大，暗計數(shù)率也增大。為此，應(yīng)盡量避免探測器在高溫狀態(tài)下工作，且在保證MCP 處于增益飽和狀態(tài)時，其兩端分壓也不宜過高。

表1 探測器在不同電壓和溫度下的暗計數(shù)率Tab．1 Dark noise count rates at different voltages and temperatures

除此之外，有研究表明，MCP 通道內(nèi)壁二次電子發(fā)射層本身的一些低原子序數(shù)的原子在電場作用下的電遷移和電子撞擊下的受激脫附以及MCP 材料中的放射性元素40 K 的β 射線蛻變也會造成電子噪聲［9］。但是殘余氣體噪聲和熱噪聲應(yīng)是MCP 噪聲的主要來源，這兩種噪聲可以通過MCP 預(yù)處理和控制溫度得到抑制。

4 MCP 光子探測系統(tǒng)的分辨率特性

一般來說，MCP 兩端分壓越大，其增益越大，分辨率也越高。由于溫度對暗計數(shù)有較明顯的影響，因此，本文針對溫度和電壓對系統(tǒng)分辨率以及計數(shù)率的影響進(jìn)行了實驗。

圖5 不同電壓和溫度下的分辨率圖像Fig.5 Resolution images at different voltages and temperatures

實驗結(jié)果表明: 信號的計數(shù)率受電壓變化的影響顯著，隨著電壓增大，計數(shù)率也隨之變大，但是溫度升高，信號的計數(shù)率反而會略有下降，-3 200 V的圖像整體比-3 000 V 圖像要明亮均勻，這與-3200V的計數(shù)率較高有關(guān)。另外，在-3 000 V時，不論常溫還是高溫，分辨率均為5.04 lp/mm，然而在-3 200 V 時，高溫和低溫情況下的分辨率均降為4.00 lp/mm，這說明并非MCP 兩端電壓越大，系統(tǒng)的分辨率就越好。當(dāng)然這也不表明電壓越大，增益越大，系統(tǒng)的分辨率會越小。以下的實驗針對這一問題進(jìn)行了研究。

表2 探測器在不同電壓和溫度下的信號計數(shù)率Tab．2 Signal count rates at different voltages and temperatures

4.1 分辨率與電壓和計數(shù)率的關(guān)系

選用不同型號的MCP，針對電壓與分辨率關(guān)系的研究做了大量實驗，在室溫下，對MCP 兩端施加-3 800 ～-4 200 V 的電壓，其分辨率圖像如圖6 所示，即從清晰變模糊。為了清楚地觀察分辨率，只取分辨率板的中心單元進(jìn)行放大，可以看到圖中有一條明顯的斜線，這是MCP 本身的缺陷造成的。

圖6 探測器在不同電壓下分辨率板圖像的中心部分放大圖Fig.6 Enlarged centre parts of the resolution plate images at different voltages

表3 為探測器在圖6 所示的不同電壓條件下的計數(shù)率和分辨率。從表3 可以看出，隨著電壓的增大，MCP 光子探測系統(tǒng)計數(shù)率增大，其分辨率先增大后減小，說明要獲得較好的分辨率，并非電壓越大越好，而是要選擇適宜的電壓。電壓過大，分辨率降低可能有多種原因，當(dāng)電壓過大時，輸出脈沖數(shù)過多，出現(xiàn)嚴(yán)重的脈沖堆積現(xiàn)象，使得探測器的脈沖堆積拒絕電路［10］也無法完全將其分開，從而造成對電子云脈沖的質(zhì)心解碼出現(xiàn)誤差。另一方面，電壓過大，易使MCP 出現(xiàn)增益疲勞，影響MCP 的性能。

表 探測器在圖 所示的不同電壓下的計數(shù)率和分辨率Tab．3 Signal count rates and resolutions at different voltages corresponding to the images in Fig．6

為了進(jìn)一步驗證系統(tǒng)在高計數(shù)下存在脈沖堆積現(xiàn)象，實驗固定電壓為-4 100 V，通過調(diào)節(jié)光源來增大探測器系統(tǒng)的計數(shù)率，從而可以明顯看出分辨率圖像從清晰變模糊，如圖7 所示。

圖7 4 100 V 下探測器在不同計數(shù)率條件下分辨率板圖像中心部分放大圖Fig.7 Enlarged centre parts of the resolution plate images of detectors at different count rates at 4 100 V

表4 對應(yīng)圖7 中不同計數(shù)率下探測器的分辨率，隨著計數(shù)率增大，分辨率從5.66 lp/mm 降為4.00 lp/mm，這說明計數(shù)率過大導(dǎo)致脈沖堆積現(xiàn)象，從而使圖像模糊。

表4 圖7 所示條件下探測器的計數(shù)率和分辨率Tab．4 Signal count rates and resolutions corresponding to the images in Fig．7

由此可以得出結(jié)論，電壓過大或計數(shù)率過大，都會造成信號的脈沖堆積，從而使MCP 光子探測系統(tǒng)的分辨率降低。

5 結(jié) 論

對MCP 光子探測系統(tǒng)的噪聲特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明: MCP 光子計數(shù)探測系統(tǒng)的噪聲主要來源于MCP 的殘余氣體離子反饋和熱噪聲，要降低探測器系統(tǒng)的噪聲，應(yīng)對MCP 進(jìn)行徹底的預(yù)處理除氣并使其盡量避免高溫工作，常溫下經(jīng)過預(yù)處理除氣的MCP 噪聲計數(shù)率為0.34 count/( s·cm2) ，并且在高壓工作下無真空度下降現(xiàn)象。

對探測器系統(tǒng)分辨率的影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明: 溫度升高，將導(dǎo)致信號的計數(shù)率略有下降，但是對成像分辨率沒有明顯影響，系統(tǒng)的成像分辨率隨電壓增大變化顯著，電壓越大分辨率越好，但是電壓過大或計數(shù)率過大，將導(dǎo)致分辨率急劇下降。因此要獲得較好的分辨率，需要選擇適宜的電壓以及合適的計數(shù)率。

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