柱面微通道板的制備及其性能研究

尼啟良，姜忠志，，劉文光，王惟彪，蒲冬冬，潘京生，張 蓉，孫建寧

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049，3.昆明物理研究所，昆明 650223）

1 引言

隨著我國空間科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對X射線-紫外波段光子計數(shù)成像探測器也有了迫切的需求.已經(jīng)立項的“風(fēng)云三號”有效載荷全球紫外成像光譜儀，目的在于探測全球電離層在83.4 nm、130.4 nm、135.6 nm、143 nm的輻射.世界空間紫外天文臺是由俄羅斯主導(dǎo)、中國及歐洲共同參與研制波段范圍在102 nm～320 nm之間的綜合性大型空間紫外望遠(yuǎn)鏡，其中我國負(fù)責(zé)研制長狹縫高分辨率成像光譜儀，這些工程任務(wù)的實現(xiàn)都離不開X射線-紫外波段的光子計數(shù)成像探測器，尤其是使用基于羅蘭圓結(jié)構(gòu)的高分辨率成像光譜儀，其焦平面是柱面，需要使用曲率半徑與羅蘭圓半徑相匹配的柱面MCP光子計數(shù)成像探測器，以便消除所用光學(xué)系統(tǒng)像差的影響，實現(xiàn)成像光譜儀的超高分辨率.上面提到的儀器都要求很高的靈敏度，而靈敏度主要是由MCP的暗計數(shù)率決定的，例如，長狹縫高分辨率成像光譜儀要求所用MCP的暗計數(shù)率達(dá)到0.1 count/（cm2·s）［1，2］，需要使用所謂的低噪聲MCP，國內(nèi)現(xiàn)有的平面MCP的暗計數(shù)率通常是幾個到十幾個count/（cm2·s），遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求.從國外能購買到的MCP暗計數(shù)率廠家通常給的是3～5 count/（cm2·s）［3，4］，因此，自行研制低噪聲柱面MCP來滿足我國空間任務(wù)的需求勢在必行.柱面MCP光子計數(shù)位置靈敏成像探測器最早用于美國衛(wèi)星ORFEUS 上的極紫外（EUV）-遠(yuǎn)紫外（FUV）高分辨率成像光譜儀，工作波段范圍39～120 nm，探測器像元分辨率30 μm×100 μm，最高計數(shù)率20 kcounts/s，MCP曲率半徑540 mm，尺寸95 mm×25 mm，長徑比120：1，13°斜切角，使用延遲線（DDL）陽極，此后相繼應(yīng)用在美國FUSE衛(wèi)星的FUV光譜儀（工作波段范圍：90～120 nm，探測器像元分辨率20 μm ×50 μm，最高計數(shù)率40 kcounts/s，MCP曲率半徑826 mm，尺寸95 mm×20 mm，長徑比80：1，13°斜切角，螺旋延遲線（HDDL）陽極，美國的Rosetta和HORIZON衛(wèi)星的FUV光譜儀，工作波段范圍：70～205 nm，探測器像元分辨率34 μm ×625 μm，最高計數(shù)率30 kcounts/s，MCP曲率半徑75 mm，尺寸46 mm×30 mm，長徑比80：1，13°斜切角，DDL陽極），以及美國的COS衛(wèi)星的FUV光譜儀［5，6，7］（工作波段范圍115～177.5 nm，探測器像元分辨率25 μm ×50 μm，最高計數(shù)率15 kcounts/s，MCP曲率半徑826 mm，尺寸85 mm×10 mm，長徑比80：1，19°斜切角，XDL陽極）等天文儀器.針對我國未來空間天文儀器對低噪聲柱面MCP的需求，本文給出了我們與北方夜視南京分公司［8］合作研制的柱面微通道板制備的新方法，并使用現(xiàn)有的楔條形陽極數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對制備出的柱面MCP的暗噪聲及其成像性能進(jìn)行了檢測.

2 柱面MCP的制備

2.1 低噪聲MCP玻璃制備及玻璃物化性能的研究

降低探測器的背景事件率是提高天體物理學(xué)儀器的靈敏度的一個有效方法.在MCP探測器中，MCP通道內(nèi)吸附的殘余氣體分子的電離反饋和MCP玻璃中的40K和/或87Rb（取決于制作MCP玻璃的成份）的β衰變的殘余輻射是MCP的背景事件本原的主要貢獻(xiàn)者，前者可隨著在真空中的時間增加而衰退，并且通過真空烘烤和電子清涮可有效降低甚至消除，但后者與探測器的電壓、時間和溫度都不相關(guān)，是自始自終都有的.因此針對光子計數(shù)探測應(yīng)用的MCP必須采用一種無放射性同位素含量的低噪聲玻璃來制作.

通道電子倍增器對基體材料性能的最基本和必需要求是一個微弱的電導(dǎo)性和合適的二次發(fā)射特性，MCP的電子發(fā)射和電導(dǎo)特性很巧妙的來自于燒氫處理這一過程.MCP玻璃成份的PbO組分經(jīng)過表面還原形成金屬的鉛粒子，此為導(dǎo)電機(jī)理的基礎(chǔ)，同時堿金屬成份在MCP基體材料成份中的存在是MCP的增益的主要貢獻(xiàn)者.

常規(guī)MCP的玻璃中的堿金屬成份通常都包含一定含量的K或Rb，以Na和/或Cs和/或Li替換了原來玻璃中的K和/或Rb成份，可能會造成基體材料二次電子發(fā)射特性的變化，并且玻璃的成份變化還會帶來玻璃的一系列物化性能的改變，將對MCP的制作工藝帶來很大改變，所有的制作工藝都要隨玻璃的溫度粘度關(guān)系和化學(xué)穩(wěn)定性的改變而改變，隨之會對MCP的制作工藝和最終性能帶來根本性的變化.

因此，MCP成份的調(diào)整和改變是在受多方因素影響和制約下的尋求平衡的提高，在不能破壞這些制約框架下如何尋求突破.因此研制出一種無放射性同位素的低噪聲玻璃，在結(jié)合MCP的制作工藝和可接受的性能要求的同時，同時應(yīng)在電導(dǎo)性、二次發(fā)射特性、化學(xué)穩(wěn)定性，以及芯皮玻璃的粘度匹配上，進(jìn)行綜合平衡和互補(bǔ).通過對玻璃成份配比的研究，完成了無鉀銣成份的MCP玻璃成份的優(yōu)化設(shè)計、制備和物化性能研究，這種低噪聲MCP玻璃（玻璃牌號NGG）的實際配比成份如表1 所示.

表1 低噪聲MCP玻璃成份Table 1 Composition of low noise MCP glass

玻璃的制備采用的是2L鉑金坩堝，裝入原料后在中性氣氛下置于硅鉬棒電阻爐中，經(jīng)過玻璃網(wǎng)絡(luò)體形成、玻璃液澄清和均化過程，將玻璃液澆注到成型模具內(nèi)徐冷，使其固化成型為Φ125 ×200 mm的柱體.然后將玻璃柱毛坯放入一個帶成型模具的耐熱不銹鋼圓柱套筒中，然后裝入到玻璃管擠壓機(jī)的爐子中，緩慢升溫到玻璃的軟化溫度，并在這個溫度保持足夠時間使玻璃充分吸熱，然后通過油壓千斤頂施加壓力，從模具中擠壓而出的玻璃管，在一個牽引輪牽引下形成滿足特定尺寸規(guī)格要求的玻璃管.

MCP玻璃是由兩種玻璃制作而成，即含有堿金屬成份的鉛硅酸鹽玻璃皮料管和酸溶玻璃芯棒.這兩種不同組分的玻璃首先被制備成具有特定尺寸的玻璃管、玻璃棒，然后通過玻璃復(fù)絲纖維拉制過程，熔合纖維光學(xué)制作、酸蝕除芯處理和氫還原處理等，制作成MCP.與其相匹配的芯玻璃為X-7，兩者的溫度粘度曲線見圖1 所示.

圖1 低噪聲MCP玻璃及其芯玻璃的溫度粘度曲線Fig.1 Temperature-Viscosity Curves of Low Noise MCP Glass and Its Core Glass

2.2 低噪聲柱面MCP制備

傳統(tǒng)MCP制作方法通常起始于兩種玻璃，一種含有堿金屬成份的鉛硅酸鹽玻璃皮料管和一種酸溶玻璃芯棒，通過玻璃復(fù)絲纖維拉制過程、熔合纖維光學(xué)制作，酸蝕除芯方法和氫還原處理方法，制成低噪聲MCP.因此低噪聲MCP制作方法，與常規(guī)MCP的制作方法相比，其唯一的不同是就其皮玻璃是一種不含鉀銣組分的玻璃.

平面MCP樣品的制作過程包含有可腐蝕芯玻璃和堿鉛硅酸鹽皮玻璃的單絲復(fù)合纖維，通過一個芯皮玻璃的管棒組合拉制而成，起始的芯/皮組合的幾何尺寸決定最后的通道間距和通道壁厚.這些單絲纖維以六邊陣列排列，然后被拉制成六邊形復(fù)絲，這些復(fù)絲排列在一個金屬模具中經(jīng)熱壓熔合成屏段.然后這個屏段以一定角度斜切成一定厚度的薄片.然后經(jīng)滾圓、倒邊、研磨、拋光，制成MCP毛坯板.通過化學(xué)腐蝕除去可酸溶芯玻璃形成通道.進(jìn)一步的化學(xué)處理是一個高溫的氫還原過程，鉛離子在鉛硅酸鹽玻璃通道的淺表面層被還原成自由金屬原子，在MCP通道上形成一個薄的電導(dǎo)膜層，產(chǎn)生電子倍增器在其通道內(nèi)所需要的電導(dǎo)和電子發(fā)射表面特性.MCP制作工藝流程圖2所示.

圖2 MCP制作工藝流程圖Fig.2 Flow chart of MCP fabrication process

關(guān)于柱面MCP制備裝置的方面的研究在國內(nèi)外還沒有公開的報道，對于曲面MCP的制備方法，國外相關(guān)文獻(xiàn)僅提到光學(xué)加工及拋光方法，制備出的柱面MCP雖然有精確的曲率半徑，但由于MCP使用時有一個斜切角，導(dǎo)致所制備的柱面MCP表面有不同的長徑比（MCP厚度與通道直徑的比值），而MCP的長徑比決定MCP的增益，因此，用這種方法制備的柱面MCP的增益是不均勻的.為了克服這一缺點，本文提出了將光學(xué)加工拋光與熱成型相結(jié)合的制備方法，即首先將平面實芯MCP毛坯板用熱成型的方法加工成具有一定曲率半徑的柱面實芯MCP毛坯板，然后用光學(xué)拋光的方法將其加工成具有需要曲率半徑的柱面實芯MCP毛坯板，這是一種新的方法，國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)沒有報道過，此方法的優(yōu)點是制備的柱面實芯MCP既具有精確的曲率半徑又具有相同長徑比.

本文根據(jù)圖1 低噪聲MCP玻璃及其芯玻璃的溫度粘度曲線，設(shè)計了一臺高真空高溫加熱爐，使用特殊的熱彎曲模具將平面實芯MCP毛坯玻璃在此爐內(nèi)加工成具有需要曲率半徑的實芯MCP毛坯玻璃，可以避免玻璃在高溫加熱過程中的氧化，因此避免了對成品柱面MCP性能的影響.圖3 是所制備的曲率半徑400 mm、尺寸30 mm×46 mm、長徑比80：1、通道直徑12.5 μm、通道間距15 μm的柱面MCP成品的照片.

3 柱面MCP的性能檢測

圖3 柱面成品MCP照片F(xiàn)ig.3 Cylindrical finished MCP photo

將預(yù)處理過的三片柱面MCP組成Z型結(jié)構(gòu)，并與感應(yīng)電荷楔條形陽極（WSA）一起構(gòu)成光子計數(shù)成像探測器，此時MCP堆工作在脈沖計數(shù)模式.采集的暗計數(shù)圖像，分析暗計數(shù)率的來源，測量暗計數(shù)的脈沖高度分布及暗計數(shù)率，測量探測器空間分辨率.圖4 給出了柱面MCP二維感應(yīng)電荷位置靈敏陽極成像探測器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖.

圖4 柱面MCP探測器性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural schematic diagram of cylindrical MCPdetector performance test system

該系統(tǒng)主要包括能產(chǎn)生準(zhǔn)直紫外光束的光學(xué)系統(tǒng)、置于高真空系統(tǒng)內(nèi)的感應(yīng)電荷WSA位置靈敏陽極單光子計數(shù)成像探測器及其后續(xù)的位置讀出電路三個部分.由于MCP對紫外光有響應(yīng)，所以紫外光源通常用作與工作波段無關(guān)的性能檢測的光源.以針孔陣列或USFA1951 分辨率板作為探測器成像性能檢測物體.一個輸出為負(fù)高壓的高壓電源通過分壓電阻為MCP堆和陽極提供高壓.單光子在感應(yīng)電荷WSA陽極產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過電荷前置放大器變成電壓信號，這些信號有些是疊加在一起的，需要整形放大器將疊加在一起的脈沖分開并進(jìn)一步放大.同時，將前置放大器輸出信號求和后送入一個快的整形放大器，然后經(jīng)過窗口比較器產(chǎn)生一個脈沖寬度為幾十納秒的TTL脈沖，此脈沖通過一個脈沖疊加拒絕電路去掉疊加的脈沖，不疊加的脈沖被用于產(chǎn)生控制FPGA的TTL脈沖，這樣來自W、S 和Z的信號同時經(jīng)過一個FPGA數(shù)據(jù)采集控制電路及USB接口送入計算機(jī)，再由軟件計算出（X，Y）坐標(biāo)，并將圖像顯示在計算機(jī)屏幕上.整個電路的最高計數(shù)率可以達(dá)到200 kcps.

3.1 MCP堆脈沖高度分布（PHD）

對于位置靈敏陽極探測器，其分辨率與MCP堆的增益成正比，對探測器的脈沖高度分布進(jìn)行測量是優(yōu)化探測器性能的關(guān)鍵.因為從脈沖高度分布曲線可以獲得如下信息：一是從不同高壓下的脈沖高度分布曲線可以獲得MCP堆在不同高壓下的增益，MCP堆的增益越高，探測器的分辨率越高；二是可以獲得脈沖高度分布曲線的FWHM，（PHD=W/G，G代表脈沖高度分布曲線的峰值，也是該高壓下MCP堆的增益，W是曲線的FWHM寬度），F(xiàn)WHM越小，探測器的整體計數(shù)率越高.通過優(yōu)化MCP像增強(qiáng)器的整體性能，可以獲得最小的FWHM及其對應(yīng)的MCP增益和加在其兩端的高壓數(shù)值.圖5 給出了在MCP堆兩端加不同高壓時，陽極輸出的脈沖高度分布的變化情況.圖6 是在這些高壓下MCP堆增益與PHD的關(guān)系曲線.

3.2 暗計數(shù)

圖5 不同高壓下MCP堆的輸出脈沖高度分布Fig.5 PHD of MCP stack at Different High voltageapplied to MCP

圖6 不同高壓下的MCP堆增益（gain）及PHDFig.6 MCPstack gain and PHD at different high voltage applied to MCPstack

暗噪聲（又稱暗計數(shù)）是無任何光照條件下探測器正常工作時產(chǎn)生的計數(shù)率.MCP堆的暗噪聲主要來源于場發(fā)射、宇宙射線產(chǎn)生的暗計數(shù)及MCP中含有的40K放射性衰變產(chǎn)生的暗計數(shù).因β射線引起的暗計數(shù)是MCP暗噪聲的主要來源，因此，減少暗噪聲的最有效方法是使用不含有40K的MCP.所制備的低噪聲玻璃不含鉀元素，其成分為65% SiO2、20.5%（PbO+Bi2O3）、3%（Na2O+Cs2O）和11.5%（TiO2+Gd2O3+BaO+Al2O3，因此，去除了因β 射線引起的暗計數(shù)，有效降低了MCP的暗噪聲.圖7 是采集的暗噪聲圖像，通過設(shè)定采集的光子數(shù)，并測量圖像的采集時間，獲得的暗計數(shù)率小于0.1 counts/（s·cm2），如圖8所示.加在MCP堆兩端的電壓為-3450 V，MCP出射面與感應(yīng)電荷WSA陽極之間的電壓為-300 V，對應(yīng)MCP堆增益約為2.5×107電子.

3.3 空間分辨率

圖7 柱面MCP暗噪聲圖像Fig.7 20 Cylindrical MCP dark noise image

圖8 暗噪聲隨時間變化曲線（采集時間23天）Fig.8 Dark noise time-varying curve（acquisition time 23 days）

探測器的空間分辨率是衡量其性能的重要指標(biāo).測量方法是使用紫外準(zhǔn)直光束照明放置在探測器前面零距離處的USAF1951 空間分辨率板，分辨率板上的每一組線寬對應(yīng)不同的線對，探測器所能分辨的最窄線對就是它的空間分辨率，如圖9 所示，右測圖是局部放大圖像，從局部放大圖像可知探測器能分辨7.13 線對/毫米（能分辨出分辨率板上第2 組第6 個單元），對應(yīng)的空間分辨率為0.14 mm，像元分辨率為70 μm.加在MCP堆兩端的電壓為-3350 V，MCP出射面與感應(yīng)電荷WSA陽極之間的電壓為-300 V，對應(yīng)MCP堆增益約為1.86 ×107電子.

圖9 柱面MCP探測器美國分辨率板圖像Fig.9 Cylindrical MCP Detector US Resolution target Image

4 結(jié)論

針對未來空間應(yīng)用超分辨率光譜成像儀器的需求，與北方夜視南京分公司合作研制出的低噪聲柱面微通道板，利用不含放射性元素的低噪聲MCP玻璃，制備出曲率半徑為400 mm、尺寸為30 mm×46 mm、長徑比為80：1、通道直徑12.5 μm、通道間距15 μm的柱面MCP，并將其與感應(yīng)電荷楔條形陽極（WSA）組成光子計數(shù)探測器，對其暗計數(shù)率、分辨率進(jìn)行了檢測，暗計數(shù)率約為0.1counts/（cm2·s），空間分辨率7.13 線對/毫米.