微通道板增益對光子計數(shù)探測器成像性能影響

韓素立，尼啟良，張宏吉，何玲平，陳 波

（1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所 空間一部，吉林 長春130033；2.中國科學院大學，北京100039）

引言

極紫外相機采用EUV多層膜反射鏡和光子計數(shù)成像探測器探測極微弱的紫外光輻射信號。光子計數(shù)成像探測器具有分辨率較高、噪聲低、探測動態(tài)范圍大［1－2］和在極紫外波段量子探測效率高［3］等優(yōu)點，被廣泛應用于空間探測［4］。在光子計數(shù)成像探測器中，微通道板的主要作用是一個大面陣二維電子圖像倍增器［5－7］。其增益大小以及電子倍增過程中信噪比分布特性對光子計數(shù)探測器的成像性能有很大影響。研究增益特性十分必要。

采用光陰極產(chǎn)生的光電子作為入射電流測量球面微通道板的增益。由于光陰極透過的紫外光經(jīng)微通道板電極進行光電轉換后會產(chǎn)生額外的增益，因此測量了20nm厚的透射式金光陰極的紫外透射率曲線。測出了三極級聯(lián)球面微通道板的增益隨電壓變化曲線。

在一定的范圍內隨著電壓的增加，增益增大，探測器的分辨率增加，當電壓增大到一定程度，探測器的分辨率降低。電子云的計數(shù)隨能量的變化即為脈沖高度分布（PHD）。脈沖高度分布包含信號和各類噪聲電子能量大小與其總輸出光電子數(shù)占得比例，可以獲得微通道板增益分布。脈沖高度分布的峰谷比越大，脈沖能量分辨率越小，光子計數(shù)探測器的性能越好。因此，可通過測量脈沖高度分布，優(yōu)化光子計數(shù)探測器的整體性能。

1 采用光陰極產(chǎn)生的光電子測增益

1.1 增益測量原理

采用光陰極測增益的方法為：紫外光經(jīng)光闌照射光陰極后產(chǎn)生的光電子源作為入射電流，入射電子經(jīng)微通道板倍增后的出射電子由電極收集作為出射電流。根據(jù)電流增益的表達式G＝Iout／Iin，可以測得微通道板的增益。實驗采用的光陰極為透射式金光陰極，光源為產(chǎn)生200nm～400nm紫外波段的氘燈。

1.2 透射式金光陰極

采用的透射式金光陰極是在厚度為1.5mm石英玻璃上面鍍大約20nm厚的Au薄膜，由于Au金屬薄膜可以多次暴露在大氣之中而不改變其光電發(fā)射特性［8］，且光電密度分布均勻。所以一般采用投射式Au光陰極來探測微通道板的增益。Au的功函數(shù)約為4.8eV和實驗室常用的低壓汞燈（發(fā)射波段253.7nm（4.9eV））和氘燈發(fā)射的紫外連續(xù)光譜非常匹配。因此在200nm～300nm之間有較高的量子效率。

采用Lambda光譜分光光度計測得的金陰極的反射率和透過率曲線如圖1所示。

由圖1可以看出：反射率隨波長增加而增加。透射率在4.5eV附近有一個谷值。金陰極在紫外波段的透過率約為3.4%，此透射光經(jīng)微通道板Ni-Cr電極（在200nm～400nm，量子效率＜0.01）引起的附加增益對測量造成的誤差約為3%。透射式金光陰極光電子收集裝置（如圖2所示）可以測得光電子電流。此電流作為微通道板的入射電流。

圖1 透射式金光陰極透射率（虛線）和反射率（實線）Fig.1 Reflectivity（solid）and transmissivity（dash）of transmission-mode Au photocathode

圖2 透射式金光陰極光電子收集裝置Fig.2 Photoelectric collecting equipment of transmission-mode Au photocathode

透射式光陰極和收集極之間采用聚四氟材料固定和絕緣。由ORTEC公司生產(chǎn)的556型高壓電源提供負高壓，采用KITHLEY公司生產(chǎn)的6485型皮安表測量微弱電流，最小量程為20fA。

由金陰極的發(fā)射特性可知，當電壓小于50V時，金陰極發(fā)射的光電子電流隨電壓增加而增加。當電壓超過50V時，金陰極發(fā)射的光電子電流基本保持不變，約為0.32nA。

出射電流測量裝置如圖3所示。

由公式G＝Iout／Iin，計算出球面微通道板的增益如圖4所示。

圖4 微通道板的增益Fig.4 Gain characteristics of MCP

1.3 增益測量結果和分析

由圖4可以看出，1片MCP增益隨電壓線性增加，1片微通道板很難達到更高的增益。2片以上MCP疊加能夠抑制離子反饋并且可以獲得高增益的電荷脈沖信號輸出。3片MCP的增益可以達到107。圖5中的增益曲線同Arradiance公司給出的微通道板增益曲線趨勢一致，但增益比國外產(chǎn)品低些，說明了本文增益測量的正確性。

增益測量誤差來源主要有3個，一是光源輻射波動引起的誤差（約為2%）；二是金光陰極的紫外透過率引起的誤差（約3%）；三是電磁干擾造成的誤差（控制在3%）。計算得到總的測量誤差約為4.7% 。為了減小誤差可以使鍍的金薄膜更厚，從而減少因透過的紫外光引起的誤差。

2 微通道板增益對光子計數(shù)探測器成像性能影響

2.1 光子計數(shù)成像探測器及主要組成

微通道板光子計數(shù)成像探測器結構，如圖5所示，主要是由球面微通道板、感應電荷位置靈敏楔條形陽極和相關讀出電路構成。其中位置讀出電路包括電荷靈敏前置放大器（CSA）、整形放大器（AMP）、峰值保持電路（S／H）、模數(shù)轉換器（ADC）以及脈沖疊加拒絕電路組成。采用的楔條形陽極是由細的絕緣溝道分割成的楔形（Wedge，W）、條形（strip，S）和（Zigzag，Z）3個電極。電子云的質心位置x和y 由（1）式給出［9］：

式中：QW、QS和QZ分別為 W、S和Z電極收集到的電荷量。

根據(jù)微通道板倍增的電子云脈沖個數(shù)和脈沖的能量（WSZ 3個電極經(jīng)電路處理后的電壓信號大小之和）的關系即為脈沖高度分布（PHD）曲線。當入射光子為單光子狀態(tài)，經(jīng)裸露微通道板電極光電轉換成離散的電子時，電子經(jīng)微通道板倍增的電子云信號經(jīng)電荷靈敏前置放大器后，輸出一個與此電荷量成比例的電壓信號［10－11］，電荷靈敏前置放大器的電壓輸出的幅值Vout為

圖5 微通道板光子計數(shù)成像探測器結構圖Fig.5 Structure of MCP photon counting imaging detector

式中：QD為電子云脈沖信號的電荷量；Cf為電荷靈敏放大器的反饋電容。Cf越小，轉換靈敏度越高。電荷靈敏放大器的反饋電容約為10－12f。

2.2 脈沖高度分布

脈沖高度分布（PHD）給出了電子云脈沖信號和各類噪聲的能量大小以及不同能量脈沖的個數(shù)。MCP產(chǎn)生的離子反饋噪聲位于低能區(qū)，放射性線輻射噪聲位于高能區(qū)。如果通過電子學處理，斬除離子反饋噪聲和高能離子噪聲，只讓信號進行放大，這樣可以使微通道板噪聲降低使其可以探測極其微弱的信號。不同電壓下的計數(shù)率脈沖高度分布曲線如圖6所示?？梢钥闯鲭S著電壓的增大，微通道板光子計數(shù)探測器計數(shù)率增大。定義脈沖高度分布峰值處為模式增益G，脈沖的能量分辨率為Re＝ΔG／G，其中ΔG為PHD的半寬度（FWHM）。脈沖高度分布的能量分辨率從3 700開始增大，因其在3 700V時峰谷比最大，能量分辨率相對較小。光子計數(shù)探測器成像性能最好。

從圖6可得，隨著電壓的升高，高能區(qū)的脈沖數(shù)增多，每個電子云脈沖包含更多的電子，增益增大。同采用透射式光陰極測得的增益隨電壓變化結果一致。

圖6 不同電壓下的脈沖高度分布Fig.6 PHDs at different volts

由不同電壓下的暗計數(shù)率曲線（圖7）可以看出，隨著電壓的升高，暗計數(shù)增加，高能區(qū)的噪聲變大。可能是由于MCP中的殘余氣體被電離引起的噪聲和MCP玻璃中含的40K放射性衰變引起的噪聲組成。

圖7 不同電壓下暗計數(shù)Fig.7 Dark counts at different volts

2.3 增益對分辨率影響

當電壓較低時，增益較小，系統(tǒng)分辨率降低。但是探測器要獲得高的分辨率，并非電壓越大越好，而是要選擇適宜的電壓。電壓過大，分辨率降低有多種原因。當電壓過大時，信噪比變差。另一方面，輸出脈沖數(shù)過多出現(xiàn)脈沖堆積現(xiàn)象，電子云脈沖質心解碼時出現(xiàn)誤差。

如圖8所示，在3 700V時光子計數(shù)成像探測器可以分辨到4.49lp／mm（第2組第2個單元），分辨率最好。當電壓較低時，增益變小，系統(tǒng)分辨率降低（3.56lp／mm，第1組第6個單元）。當電壓升高時，增益增加，但是微通道板倍增的電子云在高能區(qū)暗計數(shù)增加，分辨率降低（3.56lp／mm）。

圖8 不同電壓下3塊MCP所成分辨率圖像Fig.8 Images of three MCPs at different volts

3 結論

微通道板作為二維位置靈敏陽極光子計數(shù)成像探測器的圖像倍增器件，其增益性能對探測器的成像質量有很大影響。采用了透射式金光陰極對增益進行了測量，測量結果表明：三級級聯(lián)微通道板能夠抑制離子反饋噪聲并且可以獲得高的增益。通過PHD分析得到，隨著電壓的增加，計數(shù)率和峰谷比增高，電子云尺寸更加均勻，探測器的分辨率提高；而當電壓過大時，暗噪聲也隨之增大，脈沖高度分布的能量分辨率上升，高能部分的電子云增加，探測器的分辨率下降。因此電壓過大或過小都會影響探測器的成像性能，需要優(yōu)化電壓，選擇合適的增益，獲得高的分辨率圖像。

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