極紫外波段微通道板光子計數探測器

卜紹芳，尼啟良 ，何玲平，張宏吉，劉世界

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033;2.中國科學院 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破壞地球的遠程通訊，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) 光子計數探測器［1］具有高空間分辨率、低噪聲等優點，在國外已經被廣泛地應用于從近紫外到X 射線波段的空間探測。美國宇航局分別于1992 年和2000 年發射的極遠紫外探索衛星( EUVE) 和IMAGE 衛星均搭載了基于楔條形陽極［2］的MCP 光子計數成像探測儀，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，國外已經開始研究基于交叉條紋陽極或游標陽極的MCP光子計數成像探測器，美國加利福尼亞大學伯克利分校和英國的萊斯特大學在此方面的研究均處于領先地位。

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 年期間發射的“夸父計劃”3 顆衛星也將利用橢圓軌道衛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 年發射的“嫦娥三號”探月衛星，也把用于探測地球等離子體層的極紫外相機列為其有效載荷之一。由于月球自轉和繞地公轉的周期具有一致性，如果在“嫦娥三號”上安置極紫外相機并使其面向地球，則相機將始終指向地球，從而為從側面連續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 光子計數探測器就是“嫦娥三號”極紫外相機的一個關鍵部件。該種探測器的特性主要包括空間分辨率、暗計數率、脈沖高度分布等。本文主要研究了溫度和MCP堆所加高壓對預處理后的探測器的空間分辨率、暗計數率等特性的影響。

2 MCP 光子探測系統的結構及原理

圖1 MCP 光子探測器系統的結構原理簡圖［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據采集和圖像處理軟件系統，其中MCP 堆用于實現高增益的電子倍增，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位置讀出電路實現放大整形，隨后經存儲、傳輸、處理，最終獲得入射光子的(X，Y) 坐標，即二維圖像。MCP 光子探測器工作時需要加上負高壓，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，說明暗計數在MCP 內分布均勻，在空間分布上具有隨機性。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指數分布。對負指數分布的解釋［5］可理解為: 暗計數如果在微通道內均勻分布，那么它應該具有各種可能的增益值。由于增益與噪聲產生處的通道深度呈線性關系，即距離微通道輸入端越遠，噪聲電子產生倍增的次數越少，那么最終產生的電子云含電子越少，增益也越小。當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 微通道內壁開始碰撞并產生電子倍增。由于可產生碰撞的通道距離變短，這樣就比較容易解釋MCP 暗噪聲多數位于低增益，從而使其脈沖高度分布呈負指數分布。

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，每一個單通道相當于一個連續的打拿極倍增器。在MCP 兩端施加負電壓，在通道兩端即形成電場，當電子或高能光子等進入通道并撞擊通道壁后就會產生二次電子，二次電子反復碰撞通道壁即實現電子倍增。

正是由于MCP 的這種多孔結構，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生二次電子，這些二次電子和負離子產生的二次電子一起形成噪聲電子，影響系統的信噪比。

將MCP 光子探測器放在真空室內并在其兩端施加負電壓，會發現真空度迅速下降，說明MCP 內有殘余氣體。如果MCP 長期工作在這種狀態下，不僅影響器件的性能，還將大大降低微通道板的壽命。因此，在使用之前應對其進行除氣處理。由于MCP 是多孔陣列結構，一般的清洗方法無法深入孔內除氣，通常通過預處理操作來對MCP 進行除氣。

圖3 微通道板的結構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 堆預處理試驗裝置，并對極紫外相機所用MCP 位置靈敏陽極光子計數成像探測器的MCP 堆進行了預處理實驗。高溫真空烘烤需要嚴格控制溫度，溫度過高超過MCP 的承受范圍，將導致增益下降，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在350 ℃，烘烤時間為18 h。紫外光電子清刷是對MCP 進一步徹底除氣，采用253.7 nm 紫外光在高壓下對MCP 進行除氣，施加高壓一般應使MCP 剛好處于飽和增益狀態，不同型號的MCP，其增益飽和電壓也不同。為了防止清刷強度太大導致微通道二次電子發射層遭到破壞，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。剛經過預處理的MCP 在高壓真空工作狀態下時，真空度穩定，MCP 光子探測系統具有較低的暗噪聲，經過預處理的MCP 光子探測系統在室溫22 ℃下暗計數率僅為0.34 count/( s·cm2) ，處于高壓工作狀態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

對經過預處理的MCP 光子探測系統進行實驗，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 光子探測系統的暗計數圖像。表1 為在不同電壓和溫度下探測器的暗計數率。

從圖4 和表1 可以看到，隨著溫度的升高，暗計數率顯著增大，這說明MCP 存在熱噪聲，即熱電子發射噪聲［8］，也就是MCP 本身的熱電子發射數漲落，這些電子能量雖然很低，但是數目很多。另外，隨著MCP 兩端分壓的增大，電子增益增大，暗計數率也增大。為此，應盡量避免探測器在高溫狀態下工作，且在保證MCP 處于增益飽和狀態時，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 通道內壁二次電子發射層本身的一些低原子序數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是MCP 噪聲的主要來源，這兩種噪聲可以通過MCP 預處理和控制溫度得到抑制。

4 MCP 光子探測系統的分辨率特性

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

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

實驗結果表明: 信號的計數率受電壓變化的影響顯著，隨著電壓增大，計數率也隨之變大，但是溫度升高，信號的計數率反而會略有下降，-3 200 V的圖像整體比-3 000 V 圖像要明亮均勻，這與-3200V的計數率較高有關。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，系統的分辨率就越好。當然這也不表明電壓越大，增益越大，系統的分辨率會越小。以下的實驗針對這一問題進行了研究。

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

4.1 分辨率與電壓和計數率的關系

選用不同型號的MCP，針對電壓與分辨率關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 光子探測系統計數率增大，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，當電壓過大時，輸出脈沖數過多，出現嚴重的脈沖堆積現象，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心解碼出現誤差。另一方面，電壓過大，易使MCP 出現增益疲勞，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

為了進一步驗證系統在高計數下存在脈沖堆積現象，實驗固定電壓為-4 100 V，通過調節光源來增大探測器系統的計數率，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 對應圖7 中不同計數率下探測器的分辨率，隨著計數率增大，分辨率從5.66 lp/mm 降為4.00 lp/mm，這說明計數率過大導致脈沖堆積現象，從而使圖像模糊。

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

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

5 結 論

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

對探測器系統分辨率的影響因素進行了研究，結果表明: 溫度升高，將導致信號的計數率略有下降，但是對成像分辨率沒有明顯影響，系統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率過大，將導致分辨率急劇下降。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率。

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