低阻MCP在直流模式下的線性動態(tài)范圍

姚文靜，劉術(shù)林，閆保軍，趙高峰，董永偉，王志剛，朱科軍，張斌婷，溫凱樂，王玉漫,4，谷建雨,5

〈微光技術(shù)〉

低阻MCP在直流模式下的線性動態(tài)范圍

姚文靜1,2，劉術(shù)林2,3，閆保軍2，趙高峰1，董永偉2，王志剛2，朱科軍2，張斌婷2,3，溫凱樂2，王玉漫2,4，谷建雨2,5

（1. 河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開封 475004；2. 中國科學(xué)院高能物理研究所，核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室，北京 100049；3. 中國科學(xué)院大學(xué) 物核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100049；4. 南京大學(xué) 物理學(xué)院，江蘇 南京 210093；5. 廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530004）

對國產(chǎn)低電阻微通道板（microchannel plate, MCP）在直流模式下的線性動態(tài)范圍開展了詳細研究。利用深紫外光源（低壓汞燈）激發(fā)蒸鍍有金陰極的MCP，獲得較寬范圍的輸入電流，進而測試了與低阻MCP線性動態(tài)范圍相關(guān)的各項參數(shù)，包括電阻、增益、傳導(dǎo)電流以及最大最小輸入電流等。結(jié)果表明：降低體電阻能夠有效提高MCP的線性動態(tài)范圍，其最大和最小輸入電流之間跨越6個數(shù)量級；該低阻MCP在3種不同工作電壓下，最大輸出電流為傳導(dǎo)電流的16%～19%，與國際上高輸出技術(shù)MCP相比，性能相當，能夠應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域。

0 引言

探索宇宙暗物質(zhì)粒子一直是天體粒子物理研究領(lǐng)域中最前沿的課題之一。中科院高能物理研究所提出的中國空間站高能宇宙輻射探測設(shè)施（high energy cosmic-radiation detection facility，HERD）項目[1]，將以前所未有的靈敏度搜尋暗物質(zhì)，探究并理解宇宙線起源的世紀之謎，同時開展高能伽馬射線全天巡天和監(jiān)視。HERD量能器采用了三維位置分辨五面靈敏的創(chuàng)新設(shè)計，可以實現(xiàn)更大的接收度并將宇宙線觀測能量擴展至“膝”區(qū)。量能器共采用7500塊晶體，其輸出光子由波長位移光纖陣列傳輸?shù)焦忮F后，在光陰極內(nèi)產(chǎn)生光電子，光電子經(jīng)過大動態(tài)范圍微通道板的倍增后，轟擊熒光屏，再通過光錐耦合到sCMOS相機讀出[2]。其中，增強相機系統(tǒng)最重要的組成部分就是含有微通道板（microchannel plate，MCP）的像增強器。為了滿足HERD更寬探測能區(qū)、高粒子鑒別能力、高能量分辨能力等要求，研制出高線性動態(tài)范圍的MCP顯得至關(guān)重要。

1 MCP及其線性動態(tài)范圍

MCP是一種二維電子倍增元件，其主體通常是厚度為亞毫米量級的薄板，大量平行的微通道在薄板上密集分布，并貫穿其上下表面，每個微通道的內(nèi)壁都有二次電子發(fā)射材料，可以獨立進行電子倍增。由于MCP具備時間響應(yīng)快、增益高、均勻性好等優(yōu)點，可以用來探測電子、X射線、g射線和帶電粒子等。因而在微光像增強器、飛行時間質(zhì)譜儀、核輻射以及空間粒子探測器等方面得到廣泛應(yīng)用，研制出優(yōu)良性能的MCP還能夠滿足醫(yī)療、生物、軍事以及天文物理等對高性能探測器的需求。

動態(tài)范圍是MCP性能的一項關(guān)鍵指標，其定義在不同的文獻中有所差異：第一種定義是指MCP在某一工作電壓下保持增益不變時，可探測到的最小信號與最大信號的范圍[3]；第二種定義為探測到的輸出電流與輸入電流始終保持線性關(guān)系時，所對應(yīng)的輸入電流（或輸出電流）的范圍；第三種定義是剛進入飽和狀態(tài)時輸入電流密度與最小可探測輸入電流密度的比值[4]。以上3種定義都是用來評判MCP線性動態(tài)范圍這一性能的不同表述。為了便于理解，本文所指的線性動態(tài)范圍是指在某一工作電壓下，在保持增益不變時，所對應(yīng)的最小輸入電流與最大輸入電流的范圍，即與第一定義的含義相當。

在線性動態(tài)范圍內(nèi)，最小輸入電流作為MCP的探測信號的下限，不能簡單地把MCP的暗電流作為MCP探測信號的下限，實際上測得的暗電流是指無輸入信號時，MCP輸出端的電流，即暗電流屬于輸出電流。事實上，MCP在線性動態(tài)范圍內(nèi)的探測下限應(yīng)是暗電流除以此時的增益，即等效輸入暗電流EEI[5]。MCP線性動態(tài)范圍的上限，在此定義為增益保持在90%時對應(yīng)的最大輸入電流。提高MCP線性動態(tài)范圍實際上就是轉(zhuǎn)化為如何進一步降低MCP的暗電流和如何提高其增益并維持在90%時，對應(yīng)的輸出電流。

電子在MCP內(nèi)倍增放大時，通道內(nèi)壁會不斷地發(fā)射二次電子，隨著輸入電流的增大，通道內(nèi)壁需要的二次電子就會越多。特別是在通道的末端，當輸入的二次電子過多時，通道內(nèi)壁發(fā)射層的電子無法得到及時的補充，該效應(yīng)在MCP體電阻過高時尤其明顯。此時，MCP末端會聚集大量的倍增電子，這些電子電荷形成的電場與原來通道內(nèi)的電場相互疊加，會出現(xiàn)空間電荷飽和效應(yīng)[6]，進而影響通道內(nèi)部的電場分布，導(dǎo)致增益降低。MCP在工作時，通道內(nèi)部會產(chǎn)生傳導(dǎo)電流（帶電流）s，傳導(dǎo)電流可用于補充通道內(nèi)壁損失的二次電子，傳導(dǎo)電流越大，補償能力越高。由于s＝/，其中和分別為MCP的工作電壓和電阻，因此在一定的工作電壓下，通過降低MCP的電阻，可以增大MCP的傳導(dǎo)電流，從而提高通道內(nèi)壁二次電子補償能力，以滿足更大的輸入信號的倍增[3]。

國際上已有部分針對MCP動態(tài)范圍的相關(guān)研究，美國的Galileo公司（Burle公司的前身，后被法國Photonis收購）和日本的濱松公司先后都曾研制出體電阻在5～10МΩ的MCP，被稱之為高輸出技術(shù)（high output technology MCP，HOT MCP[7]，它在不增加等效輸入暗電流的情況下，增加了最大輸入電流（在增益不變的條件下），即在維持增益不變的條件下，擴大可動態(tài)范圍，由此能夠應(yīng)用于某些具有特殊需求的領(lǐng)域。鑒于HERD項目的實際需要，即通過提高MCP線性動態(tài)范圍實現(xiàn)HERD更寬的粒子探測能區(qū)，北方夜視技術(shù)股份有限公司研制出新型低電阻MCP，我們在此對其工作體電阻、增益、傳導(dǎo)電流以及線性動態(tài)范圍進行了詳細的測試研究。

2 測量裝置和方法

圖1是低阻MCP工作在直流模式下的測試原理示意圖，為確保測試的準確性和重復(fù)性，除測試儀表測試的數(shù)據(jù)可靠外，包括鍍金MCP、低阻MCP以及熒光屏所在腔室的真空度優(yōu)于10－5Pa，實驗使用盤型低壓汞燈（峰值波長為253.7nm）作為深紫外光源。

圖1 低阻MCP測試原理圖

為了給MCP提供大范圍且連續(xù)可調(diào)的輸入電流in，光源與待測MCP之間放置了另一鍍金MCP，其電壓由多路高壓電源提供，入射光照射至鍍金MCP表面的Au膜后，發(fā)生光電效應(yīng)，產(chǎn)生的光電子會在該MCP中得到倍增，其放大倍數(shù)可通過改變鍍金MCP兩端電壓進行調(diào)節(jié)；經(jīng)過鍍金MCP放大后的電流作為待測MCP的輸入電流；采用熒光屏來觀察MCP的成像質(zhì)量以及作為陽極來收集MCP的輸出電流。待測MCP的工作電壓由MCP測試專用電源提供，其輸入電流in、輸出電流out以及傳導(dǎo)電流s均可通過MCP清刷控制器讀出。另外，由于低阻MCP的暗電流較弱，故由靈敏度更高的Keithley 6517B靜電計測量。實驗采用鍍金MCP產(chǎn)生輸入電流，不僅是由于Au薄膜光電發(fā)射穩(wěn)定且產(chǎn)生的光電流密度分布均勻[8]，而且通過調(diào)節(jié)其工作電壓，可以產(chǎn)生從皮安級（10－12A）～亞微安（10－5A）范圍的輸出電流，為大動態(tài)范圍MCP的研究提供測試條件。

本測試實驗采用的MCP是由北方夜視技術(shù)股份有限公司南京分公司提供的25mm的MCP，其標稱電阻為8МW。主要測量了其在500～800V工作電壓下，輸入電流位于6×10－14～2×10－8A區(qū)間內(nèi)的輸出電流、增益以及傳導(dǎo)電流。

3 測量結(jié)果與分析

圖2顯示了固定輸入電流為1.18×10－10A時，25mm MCP的工作體電阻隨工作電壓變化關(guān)系的測量結(jié)果。在800V工作電壓下，該MCP的工作體電阻為8МΩ，相比于工作體電阻在100МΩ左右的傳統(tǒng)MCP[9]，其電阻隨工作電壓的穩(wěn)定性稍差，特別是在有輸入的工作狀態(tài)下。在這里特別強調(diào)一下，MCP的工作體電阻不同于技術(shù)指標所提出的體電阻，前者是MCP在有輸入的前提下MCP施加工作電壓時，測量其回路電流，該工作電壓與回路電流的比值，后者則是MCP無任何輸入，在其輸入、輸出端加上500V時的回路電流，500V電壓除以該回路電流即為MCP的電阻。事實上，在輸入電流較小時，MCP供電電源提供的電流，一方面，提供MCP電子倍增最后輸出到陽極的電子流，另一方面，維持回路穩(wěn)定的傳導(dǎo)電流，有時也稱帶電流（strip current），當MCP輸入電流較大時，電路變得復(fù)雜，在此不涉及相關(guān)內(nèi)容，故此，不做深入討論。

圖2 在118pA輸入電流下，MCP的工作體電阻隨工作電壓的變化

當MCP在直流模式時，其增益的定義為輸出電流out與輸入電流in的比值。圖3為固定輸入電流in＝2.86×10－10A時，低阻MCP的直流增益隨工作電壓變化的關(guān)系曲線，可以看出其在800V工作電壓下的增益能達到5.8×103左右。

圖3 MCP的增益隨工作電壓的變化關(guān)系

圖4則表示在3組不同工作電壓下，MCP的增益隨輸出電流的變化關(guān)系。與傳統(tǒng)的MCP相比，增益確有所下降，這是因為MCP動態(tài)范圍的增加在某種程度上是以犧牲增益為代價的[10]?？紤]到HERD應(yīng)用場景更傾向于低增益，考慮到后端熒光屏和Is CMOS相機的增益補償具有能力，犧牲MCP的增益是允許的。

圖4 MCP的增益隨輸出電流的變化關(guān)系

圖5為低阻MCP工作電壓在760V、780V、800V時的線性動態(tài)范圍測試結(jié)果，該測試的關(guān)鍵在于確定低阻MCP的最小輸入電流和最大輸入電流。其中，最小輸入電流是由暗電流除以增益對應(yīng)的等效輸入電流得到；最大輸入電流則是通過在實驗測試過程中確認，即在確定的工作電壓下，不斷增加輸入電流，直到輸出電流與此時的輸入電流的比值降低到原來增益的90%時，此時的輸入電流即為最大輸入電流。從圖中可以看出，低阻MCP在輸入電流范圍為10－15～10－9A時，輸出電流和輸入電流能夠保持很好的線性關(guān)系，線性動態(tài)范圍跨越6個數(shù)量級，而傳統(tǒng)MCP的最大輸入電流僅為10－10A[11]。由此可以看出低阻MCP線性動態(tài)范圍要大于傳統(tǒng)MCP的線性動態(tài)范圍。

圖5 低阻MCP的在不同工作電壓下的輸出電流隨輸入電流的變化關(guān)系

表1是低阻MCP在不同電壓下測量的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，從中看出低阻MCP輸出電流為傳導(dǎo)電流的16%～19%，這與其他文章[7]提到的當MCP輸出電流占傳導(dǎo)電流的7%～20%時增益不受抑制的結(jié)論一致，也從一個側(cè)面驗證我們的測試系統(tǒng)是可靠的。HOT MCP的輸出電流為傳導(dǎo)電流的10%時，其增益保持穩(wěn)定[7]，與之相比，北方夜視技術(shù)股份有限公司研制的這種低電阻MCP不僅顯示出HOT MCP的高動態(tài)范圍、寬線性響應(yīng)等技術(shù)特征，甚至輸出電流占傳導(dǎo)電流的比值更大一些，依舊保持很好的線性。

表1 低阻MCP在不同工作電壓下測得的參數(shù)

最大線性輸出電流占傳導(dǎo)電流的比值，與微通道板的材料和制作工藝有關(guān)。理論上，輸出電流與傳導(dǎo)電流比值越大，說明MCP從電源中拾取的電荷更多地轉(zhuǎn)換成MCP的輸出電流，相同情況下轉(zhuǎn)換成焦耳熱相對減少。至于更低電阻工作于更高電壓導(dǎo)致的熱效應(yīng)，在此不做過多討論。另外從表格數(shù)據(jù)中看出，線性上限隨電壓增加而下降，相應(yīng)地，線性動態(tài)范圍也隨電壓增加而下降，而暗電流則逐漸增加。因此，直觀上傾向于在低偏壓下有利于擴展動態(tài)范圍，這個結(jié)果為低阻MCP的應(yīng)用提供了參考。

提高MCP最大線性輸出電流及其所占傳導(dǎo)電流的比率，主要針對MCP材料及其還原后電阻層的性能，即電阻較低且電阻的溫度系數(shù)[12]也較低，同時，開發(fā)MCP的高二次電子發(fā)射材料，使得其二次電子發(fā)射系數(shù)的峰值向低能端移動，由此獲得在較低的工作電壓下獲得較高的增益，由此不僅可以降低等效輸入暗電流，結(jié)合低阻特性，還可以進一步提高最大輸出線性電流，進而最大限度的提高MCP的動態(tài)范圍，這是未來MCP在動態(tài)范圍領(lǐng)域的最佳技術(shù)途徑。

4 結(jié)論

采用新材料和新工藝，在等效輸入暗電流并未發(fā)生明顯提高的前提下，降低MCP的體電阻，盡可能將傳導(dǎo)電流更大比例地轉(zhuǎn)化為MCP的輸出電子流，由此來提高MCP在直流工作狀態(tài)下的動態(tài)范圍是本課題研究的最終目的。基于HERD項目探測寬能區(qū)的信號的需求，研制大動態(tài)范圍的增強型sCMOS相機的關(guān)鍵在于開發(fā)MCP的動態(tài)范圍。通過對國產(chǎn)低電阻（8МΩ）MCP的測試分析，結(jié)果表明：當MCP工作電壓分別在760V、780V和800V時，其最大輸出線性電流為傳導(dǎo)電流的19%、17%和16%，線性動態(tài)范圍達6個數(shù)量級左右；較低的工作電壓更有利于擴展其線性動態(tài)范圍，而這正好契合HERD項目要求的MCP工作于低增益；未來最佳動態(tài)范圍MCP的研制方向是：電阻及其電阻溫度系數(shù)近可能盡可能低、MCP在較低的工作電壓下獲得較高的增益。

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Linear Dynamic Range of Low Resistance Microchannel Plate in DC Mode

YAO Wenjing1,2，LIU Shulin2,3，YAN Baojun2，ZHAO Gaofeng1，DONG Yongwei2，WANG Zhigang2，ZHU Kejun2，ZHANG Binting2,3，WEN Kaile2，WANG Yuman2,4，GU Jianyu2,5

(1.,,475001,;2.,,,100049,;3.,,100049,;4.,,210093,;5.,,530004,)

In this paper, a detailed study of the linear dynamic range of the domestic low-resistance microchannel plate (MCP) in DC mode is carried out. In the experiment, a deep ultraviolet light source (low-pressure mercury lamp) is used to excite the MCP with a gold film in order to obtain a wide range of input current, and then various parameters related to the linear dynamic range of the low-resistance MCP are tested. These parameters include resistance, gain, strip current, the maximum and minimum input current, etc. The results show that reducing the resistance can effectively improve the linear dynamic range of the MCP, and the maximum and minimum input current span over 6 orders of magnitude. The low-resistance MCP has a maximum output current of 16% to 19% of the strip current under three different operating voltages. It has comparable performance to the international high-output MCP technology and can be applied in related fields.

microchannel plate, resistance, linear dynamic range, gain

TN152

A

1001-8891(2022)03-0310-05

2021-04-08；

2021-06-09.

姚文靜（1995-），女，碩士研究生，研究方向為物理學(xué)。E-mail: yaowj@ihep.ac.cn。

劉術(shù)林（1963-），男，研究員，從事微通道板探測器研究。E-mail: liusl@ihep.ac.cn。

國家自然科學(xué)基金重點項目（11535014）；國家自然科學(xué)基金面上項目（11975017，11675278）；核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室（SKLPDE-ZZ-202015，SKLPDE-ZZ-202102）。