微通道板及其应用(Ⅰ)

一、微通道板的工作原理和发展历史 微通道板是从光电借增管、通道电子倍增器发展而来的.什么是光电倍增管(Photomul-tiplier简称为 PM)、通道电子倍增器(channeldectron multiplier 简称为 CEM) 和微通道板(microchannel　plate简称为MCP) 的工作原理呢?这必须从1905年爱因斯坦[1]提出的光电效应讲起,著名的爱因斯坦光电方程是:式中hv是光子能量,P是电子的逸出功, 是电子离开金属表面后所具有的能量.也就是说,入射光子的能量大于电子逸出功时,就有一个具有能量为的1/2mv2光电子从金属表面跑出来.爱因斯坦的光电效应理论曾被著名的物理…     

一种用于中微子探测的3-inch光电倍增管的优化设计

光电倍增管(PMT)作为当前中微子振荡研究的核心探测器件要求具有尽可能大的阴极有效探测面积与较小的渡越时间弥散,其时间特性直接决定了中微子的探测精度.针对高能粒子探测需求,本文优化设计了一种大阴极面超短型3-inch光电倍增管,基于Furman模型与电子轨迹追踪法展示了第一倍增极产生的二次电子向第二倍增极渡越的电子轨迹过程,据此对倍增极结构进行了局部优化;将Monte Carlo法与有限积分法相结合比较了不同分压下PMT内部电势分布对电子轨迹的影响并对优化后的大阴极面PMT的均匀性、收集效率、阴极至第一倍增极间渡越时间弥散(TTS CD1)等关键参数进行了统计与分析;利用particle-in-cell经典算法获得了此款PMT的增益特性.结果表明,优化后的大阴极面超短型PMT阴极有效探测面积较传统模型相比有效提升了30.87%,总长度仅103 mm,为目前最短的3-inch PMT设计结构;在1000 V阳极电压下,阴极顶点单光电子TTS_CD1为0.75 ns,较传统3-inchPMT模型相比提升了2.73倍,平均收集效率可达96.40%;当阳极电压为1100 V时,其增益可达10~6以上.     

微通道板电子传输时间特性的理论分析

电子在微通道内传输过程可以采用解析法和蒙特卡罗模拟进行研究，解析法的优点是物理图像更清晰，但对电子渡越时间的弥散特性不能给出满意的解释。采用统计学的方法对电子在微通道内传输过程的时间分布特性进行了讨论，得到了电子渡越时间的分布函数表达式，并据此可以得到时间弥散度与二次倍增次数的关系，即整个二次电子的渡越时间呈指数分布，且在最可机时间内集中了大量的二次电子。此外，由于碰撞次数对电子渡越时间弥散度的影响，因此在作为高时间分辨元件时应该考虑适当增加通道板两端的电压，以减少碰撞次数，从而降低渡越时间的弥散度和提高整个器件的时间分辨率。     

弯曲通道式微通道板

弯曲通道式微通道板是高增益微通道技术的最新发展。这种新型的电子倍增器比一般的微通道板有许多重大改进。一般的微通道板的缺点是增益有限和具有离子反馈。当通道内残余气体分子被二次电子电离时,就产生离子反馈。于是,这些带正电荷的离子就反向通过通道,当它们撞击通道壁时已得到足够的动量产生二次电子。这些二次电子逐次放大,景终形成杂散的输出脉冲。在另一种情况下,离子可以完全脱离通道,撞击在象管的光电阴极上致使离子毒化,最后降低阴极的量子效率。为了便于微通道板以高增益模式或光子计数模式工作,必须要限制离子反馈。在弯曲通道式微通道板内完成这一工作的方法,是将通道弯凸到足够的凸率,以缩短离子撞击通道壁之前可以运行的距离。这样就限制了离子的动量和造成杂散脉冲的二次电子的生成几率,从而逐次降低噪声因数。由于大大地减小了离子反馈比,现在就可能使单一微通道板的工作增益超过10~6,并且由于弯曲通道式微通道板是单片的电子倍增器,还保持了电子图象的空间分辨率。弯曲通道式微通道板无论是用模拟输出或脉冲饱和输出工作都具有低噪音的均匀增益。弯曲通道式微通道板能按照每个用户所需尺寸定做。     

用于脉冲星导航的X射线光子计数探测器研究

研制了用于脉冲星导航的X射线光子计数探测器原理样机, 该探测器主要由对X射线灵敏度较高的CsI光电阴极、微通道板电子倍增器和收集阳极组成. 对X射线光子计数探测器灵敏度、时间分辨率和整个系统的死时间进行了测试, 实验结果表明该探测器的灵敏度在5 keV时可达5.2× 10³ A/W, 时间分辨率可达到1.1 ns, 系统整体的死时间为100 ns. 关键词： 脉冲星导航 光子计数探测器 灵敏度 时间分辨率     

微通道板中电子时间倍增特性的数值模拟

 对微通道板的动态特性进行了数值模拟,得到了电子的渡越时间与入射时刻的关系曲线。获得了光电子的倍增次数随入射时刻而变化,并在考虑了入射电子为一高斯电子脉冲的情况下,分析了选通脉冲的幅度、宽度和波形对选通特性的影响。结果表明：随着倍增次数增多,渡越时间越大;当电压幅度不同时,增益曲线的峰值所对应的电子入射时刻也不同。     

OH自由基共振荧光的门控光子计数测量

针对气体扩张激光诱导荧光测量低浓度OH自由基系统中短寿命低强度荧光的检测需求,提出了一种共振荧光的门控光子计数测量方法,通过光电倍增管的快速门控电路设计,实现纳秒级时序内荧光的选择性测量.使用一个13级高增益端窗光电倍增管进行荧光探测,通过改变光电倍增管打拿极上的加载电压来实现光电倍增管的快速门控.电路可获得稳定的调制电压,开关延迟时间为168ns,上升沿时间约20ns.对门控电路进行器件优化及匹配参量后,采用调制打拿极d1d3d5的方式,开关引起的光电倍增管噪声降至210ns以内,调制开关比优于10~5.将门控系统应用于气体扩张激光诱导荧光系统OH自由基的荧光探测,有效获得自由基荧光信号.对307.8~308.2nm波段内的OH自由基激发谱线进行了测量,实验结果表明,门控电路能有效抑制激光杂散光的影响,实现低浓度OH自由基共振荧光信号测量.     

微通道板动态特性的数值模拟

对皮秒高压脉冲驱动下微通道板中电子的渡越时间特性和增益特性进行了数值模拟,在电压脉冲波形分别为高斯形、三角形和梯形时,得到了电子渡越时间与电压脉冲宽度、幅度的关系曲线。在考虑入射电子为一高斯电子脉冲的情况下,获得了增益曲线的半峰全宽和峰值随脉冲电压幅度、宽度的变化规律。分析结果表明：当微通道板两端所加电压为梯形波时,微通道板中电子的渡越时间特性和增益特性较加三角波和高斯波要好。     

基于红外上转换原理的MCP-PMT位敏探测器组件研究

针对工作波长为1 064 nm、脉冲宽度为10～20 ns的低占空比激光定向工程应用背景,提出了一种基于电子俘获材料红外上转换、S20光电阴极光电转换,双微通道板电子倍增、四阳极板接收的新型光电倍增管位敏探测器组件新方案.分析和研究了探测器组件原理样机研制过程中的高效能、短余辉红外上转换材料的优化选取、高性能组合光电阴极的设计和制作等关键技术,对原理样机进行了主要性能测试,取得了有效测试数据.对原理样机中存在的技术问题和改进途径进行了分析.     

微通道板选通X射线皮秒分幅相机

本文报道的超高速摄影机可在1.2ns内连续拍摄12幅图象,每幅图象的曝光时间为100ps,空间分辨率201p/mm,它具有几何畸变小、动态范围大等特点。对MCP皮秒选通的数值模拟考虑了电子渡越时间及弥散影响。变象管研制着重解决了微通道板上微带线的欧姆损耗问题。     

微通道板动态范围最佳化

由于微通道板探测器探测能量逐渐提高,使电子倍增器的应用范围日益扩大。技术上的新进展(超小孔径和高输出技术)使动态范围显著扩大。本文重点介绍微通道板探测器最佳动态范围的设计依据·所考虑的因素有尺寸,增益、温度、脉冲高度、分辨率和背景噪声等。     

一种双MCP选通型30~40 ps软X射线分幅相机

研制了一种双微通道板（Microchannel Plate,MCP）双选通型软X射线分幅相机.该相机采用两块厚度为0.5 mm的MCP,近贴放置成“V”形结构,用两列高压脉冲依次选通两块级联的MCP,通过控制两列脉冲之间的延迟时间,利用微通道板的电子渡越时间效应和非线性增益的相互作用,以损失一部分电子为代价获得比单MCP（60 ps）选通相机更短的曝光时间,并且可以降低直穿X射线造成的背景光噪音.     

基于红外上转换原理的MCP—PMT位敏探测器组件研究

针对工作波长为1064nm、脉冲宽度为10～20ns的低占空比激光定向工程应用背景,提出了一种基于电子俘获材料红外上转换、S20光电阴极光电转换,双微通道板电子倍增、四阳极板接收的新型光电倍增管位敏探测器组件新方案．分析和研究了探测器组件原理样机研制过程中的高效能、短余辉红外上转换材料的优化选取、高性能组合光电阴极的设计和制作等关键技术,对原理样机进行了主要性能测试,取得了有效测试数据．对原理样机中存在的技术问题和改进途径进行了分析．     

光电倍增管脉冲性能研究

采用外腔式电光开光,调制主动照相探测光源,使光电倍增管处于脉冲工作状态下,以提高光电倍增管的输出幅度和动态范围,改善信号的信噪比,同时避免样品和探测器受长时间强激光照射.对滨松H6780光电倍增管进行了调试,使其线性输出电流由静态的0.1mA提升到脉冲状态的4.4mA,信噪比提高4.5倍.该技术对其他光敏探测有借鉴意义.     

高密度外延电阻淬灭硅光电倍增器研究

针对表面淬灭电阻技术引起死区面积较大,以及高光子探测效率与大动态范围不能同时满足的矛盾,应用外延电阻淬灭技术,采用与雪崩光电二极管微单元相连的衬底外延层硅材料制作了淬灭电阻.研制成功的外延电阻淬灭硅光电倍增器的有源区面积为1×1mm~2,微单元尺寸为7μm,微单元密度高达21 488个/mm~2,测试结果表明:漏电流为10量级,反向击穿电压为24.5V,过偏压为2.5V时,增益达1.4×10~5,室温下暗计数率约为600kHz/mm~2,串话率低于10%,说明该器件具有良好的光子计数特性.该高密度硅光电倍增器测量的动态范围是1.8×10~4个/mm,光子探测效率为16%(@λ_(peak)=480nm),恢复时间为8.5ns,单光子分辨能力较高,并且在液氮温度环境能够探测光子,这对于拓展硅光电倍增器在极低温度条件下的应用,比如暗物质测量实验方面具有潜力.     

应用光学——光学系统设计指南 第十六章 光电探测器和热探测器

16.2.3 电子倍增和光电倍增管(MPT) 为了测量和探测的需要,光电管的输出常需要加以放大。毫无疑问,这种放大会增加信号的噪声,不过噪声究竟增加多少则取决于放大方法(见第16.2.4节)。电子倍增是噪声比较低的放大方法,因此往往常用     

电子清刷对微通道板增益及输出信噪比的影响

电子清刷是微通道板生产流程中常用的除气方法,会引起微通道板其他性能参量的变化.为研究电子清刷对微通道板输出信噪比及增益的影响,根据信噪比及增益的定义讨论了微通道板性能参量的测试方法,研制了微通道板参量测试系统.应用微通道板参量测试系统对微通道板进行了电子清刷处理,测试清刷过程中不同阶段微通道板的信噪比及增益变化.实验表明:微通道板增益随清刷时间增加而降低,同时增益稳定性提高;电子清刷过程中微通道板的输出信号及噪音的变化率与微通道板增益的变化率基本相同,输出信噪比基本不变.增益变化是影响清刷过程中信号及噪音变化的主要因素,并且电子清刷对微通道板输出信噪比影响较小.     

含负折射率介质的一维光子晶体构成的相干热辐射源的辐射特性及控制

电子清刷是微通道板生产流程中常用的除气方法,会引起微通道板其他性能参量的变化.为研究电子清刷对微通道板输出信噪比及增益的影响,根据信噪比及增益的定义讨论了微通道板性能参量的测试方法,研制了微通道板参量测试系统.应用微通道板参量测试系统对微通道板进行了电子清刷处理,测试清刷过程中不同阶段微通道板的信噪比及增益变化.实验表明:微通道板增益随清刷时间增加而降低,同时增益稳定性提高;电子清刷过程中微通道板的输出信号及噪音的变化率与微通道板增益的变化率基本相同,输出信噪比基本不变.增益变化是影响清刷过程中信号及噪音变化的主要因素,并且电子清刷对微通道板输出信噪比影响较小.     

微通道板噪声因子与工作电压关系研究

为了解决微通道板噪声因子的测量问题,提出了一种测量像增强器光电阴极灵敏度和信噪比,从而测量出微通道板噪声因子的方法 .根据该方法,分别在不同阴极电压、微通道板电压以及阳极电压条件下测量了微通道板的噪声因子.测量结果表明,当阴极电压、微通道板电压以及阳极电压分别变化时,微通道板的噪声因子会随之变化.微通道板电压对噪声因子的影响最大,阳极电压的影响最小.微通道板电压每增加100 V,噪声因子大约增加0.11,而阳极电压每增加100 V,噪声因子大约增加3.3×10-4.微通道板工作电压提高,意味着电子碰撞能量提高,同时也意味着二次电子发射系数提高,而根据现有微通道板噪声理论,微通道板的噪声因子会减小,但实测结果却相反.造成这一矛盾的原因是在现有微通道板噪声理论中,仅仅考虑了二次电子发射系数、探测率、电子碰撞几率的因数,而未考虑到电子碰撞能量的因数,因此噪声理论需要进行修正.     

RCA7265光电倍增管100ns门的研制

在受控聚变和等离子体物理研究中,激光散射是最常用的诊断方法之一.为了采集和处理托卡马克的激光散射信号,在光电倍增管上加门是非常必要的.此外在原子核物理、固体物理和分子物理中,在光电倍增管上加门的实验方法也被广泛采用.本文要介绍的RCA 7265光电倍增管 100 ns门,是为 6号托卡马克等离子体的激光散射信号的数据采集和处理工作而研制的. 一、线路和工作原理 RCA 7265 光电倍增管 100 ns门的线路如图1所示.将一个幅度为+48V、脉宽为100ns的方波──门脉冲加在3,5,7,9四个打拿极上,以控制各电极的电压分布,进而控制管内电场分布.这…