基于微通道有源襯底的電子光學復合探測機制研究

母一寧， 陳雪薇， 劉春陽， 劉德興， 郝國印

(長春理工大學 理學院， 吉林 長春 130022)

0 引言

單光子探測作為極弱光探測技術的一種[1]，在量子探測、生物光成像、空間光通信等領域具有極其重要的應用前景[2-7]。夜視設備主要分為車載和單兵作戰兩類[8-11]，技術方案主要采用兩種：第一種是采用能在低照度條件下采集信息的固體電耦合器件(CCD)、互補型金屬- 氧化物- 半導體成像器件(CMOS)以及在此基礎上發展出來的器件，作為信息探測器件(包括電子轟擊式)[8-10]；第二種是采用電子倍增后熒光屏成像[8-10]。雖然針對兩種方式國內外學者都有較為深入的研究，也取得了比較突出的成就[8-10]，但目前這兩種方式都存在一定的不足，而且像增強器部分提取信息單一，大都只能獲取目標圖像信息即目標的空間分辨力、灰度分辨力等信息[8-10]，而現在軍事設備要求最好能實現功能的集成化。

在空間探測領域，為了增大光信號接收功率，通常需要選用大口徑光學天線對光信號進行增益。然而由幾何光學原理可知，從理論上講大口徑光學系統，焦距無法太短，并且為了保證對于瞬態信號的有效檢測，接收端的半導體探測器光敏面尺寸無法太大。由此可見，實際的空間瞬態微弱光信號接收系統的視場通常極小[11-12]。另外，設備自身會發生隨機震動，又進一步提高了通信鏈路對光軸對準精度及跟蹤帶寬的需求。因此，本文基于以上現狀以及在激光雷達、激光通信、激光測距等技術領域對于瞬態光信號探測的技術要求，提出一種可在極微弱光條件下實現復合探測的探測機制。

1 復合探測機理

為了保證微通道孔導電層薄膜的持續供電，通常需要在微通道板(MCP)兩面制作Ni-Cr薄膜電極，且在兩端施加高壓形成板流用于補償二次電子發射的能量損失[13]。可見這種供電結構必然造成電子束在極間耦合過程中的束流密度衰減，即部分電子束被MCP輸入端Ni-Cr供電薄膜電極收集，通常情況下其電子束收集效率僅能達到60%～70%. 為了利用被損失掉的電子，以MCP上表面的Ni-Cr電極為支撐，根據電子束的空間調制機制和MCP的電子倍增特性，在其上制備一層具有調制分流能力的波導陽極，實現電流的分流。從而產生兩路信號，可以對被測目標的成像空間分辨力和瞬態光電脈沖時間分辨力等進行復合探測，在激光通信測距成像一體化等設備中具有可觀的應用前景。

復合波導陽極的微通道光電倍增管如圖1所示。

圖1 器件原理圖Fig.1 Schematic diagram of device

由圖1可見：光脈沖被光學天線匯聚，透過窗口聚焦于光電陰極并產生光電子；由于光電陰極與MCP采用近貼式結構，光電陰極所產生的光電子將被MCP所收集，并在MCP中倍增成高能電子束；高能電子束在外加高壓電極引入電場的作用下加速撞向復合式波導陽極。復合式波導陽極主要由MCP、透射式陽極、位敏陽極構成。首先在MCP兩端分別濺射微米量級的H-K絕緣薄膜(如氧化鋁或氧化鎂)；然后將透射陽極薄膜制作在MCP的一面(可以采用有機載膜去除工藝或襯底轉移工藝)，而在另一面采用相同的工藝制作位敏陽極薄膜；最后在位敏陽極上制作位敏結構。

2 器件模型分析

除評價全息光學系統時需要系統位相傳遞函數(PTF)以外,大部分的光學系統像質評價都采用調制傳遞函數(MTF)來代替光學傳遞函數(OTF)。故本文采用MTF來代替OTF評價像質。由第1節可知，復合波導陽極微通道光電倍增管主體由光電陰極、MCP、復合波導陽極3部分組成，其分辨力(空間分辨力)由上述三者及線性級聯系統關系可知，分辨力表達式為

(1)

式中：R為整個器件的分辨力；Rc為陰極電子光學分辨力；Ra為復合波導陽極電子光學分辨力；Rm為MCP固有分辨力；Rs為復合波導陽極固有分辨力。本實驗光電陰極采用金陰極，響應波段為200～340 nm. 不同光電陰極對不同波段的光信號進行響應，故更換光電陰極可擴展響應波段，長波可延展到紅外波段，短波可延展到射線波段。由此可知Rc值與光電陰極材料有關，但Rc也存在像差問題。根據靜電聚焦原理，r為引入的彌散圓半徑，表達為

(2)

式中：dc為陰極近貼距離；εa為電子束出射平均動能；Vi為極間電壓；β為電子束初始發散角。令ξ=εa/Vi，Dm=2dcξ0.5，即r=Dmsinβ. 由(2)式可知，凡具有初始平均動能為εa、初始角β的光電子都有幾率打到半徑為r的圓內，可見問題轉化為求二元隨機變量(ξ，β)的函數r的分布問題。設電子落在r0(r0為最大彌散圓半徑)內的概率為P{r

N(r)=?DdN(ξ,β)，

(3)

式中：D為指定區域。對(3)式微分，便可獲得密度函數n(r)=dN(r)/dr. 將密度函數代入點擴散函數并進行傅里葉- 貝塞爾變換，即

(4)

式中：f表示空間頻率；J0表示0階貝賽爾函數。

獲得最終MTF表達式為

(5)

式中：εa可通過愛因斯坦公式求得

(6)

λ0為陰極材料發生光電效應的特征波長，λ為入射光波長。

由(6)式可以看出，光電子的初始最大動能只與光陰極材料相關且初始最大動能差別不大。Ra與Rc存在明顯不同，為了能讓高能電子隧穿復合波導陽極，必須為電子束加速預留一定空間，進而無法采用近貼式結構。同理按照MTFRc的求解辦法獲得MTFRa，其表達式為

(7)

式中：da為MCP與復合波導陽極距離；εo為MCP輸出電子束的出射動能；Va為極間加速電壓。由于復合波導陽極是在MCP上制作不同的微結構陽極而成的，其固有分辨力的計算方式與MCP固有分辨力的制作方式基本相同，Rs與Rm的MTF分析方法與表達式基本相同。同理按照MTFRc、MTFRa的求解辦法獲得MTFMCP，表達式為

(8)

式中：J1表示1階貝塞爾函數；D表示MCP的孔徑直徑。

由(8)式可知，微通道孔直徑線性影響其分辨能力，只要減小D就可以直接提高其分辨能力。根據文獻[14]的相關研究，微通道直徑已達到微米級，因此從理論上講這部分對整個器件的分辨能力影響不大。

3 復合陽極驗證與分析

采用的器件參數如下：美國BHK公司生產的冷陰極紫外燈作為外部直流紫外光源，同時利用輸入電流來控制發光功率；在該光源前端放置焦距為60 mm、口徑為40 mm的石英雙凸透鏡實現對紫外光準直與擴束，并在透鏡后放置一直徑為0.6 mm的小孔光闌，在小孔光闌后方通過相同的石英雙凸透鏡將光斑耦合至真空系統中的金陰極表面中心區域，即將直徑為0.6 mm的紫外光斑等比例投射到陰極表面。試制固有分辨力約5 mrad的器件(結構見圖1)參數如下：光電陰極為金陰極；選用有效口徑為18.4 mm、孔徑為6 μm，孔徑之間的間距為8 μm、厚度為0.3 mm，徑長比為50的MCP；復合波導陽極中的MCP參數和上述一致，透射陽極膜厚度為0.2 μm，位敏陽極(四象限式位敏陽極)膜的厚度為2 μm，中心分割間距為25 μm；MCP板壓為1 000 V，透射陽極與位敏陽極之間壓差為700 V. 本次實驗中光電陰極和MCP之間預留的距離為0.5 mm，為加速電子渡越速度并減少電子彌散，在光電陰極和MCP之間加電壓500 V. 由文獻[15]與(6)式可知，金陰極的電子逸出初始最大動能約2.26 eV. 通信光脈沖和MCP之間擁有高壓(Va)，可以加速電子快速渡越并減少一定的彌散，但這部分的分辨力損失是不可避免的。MCP與透射陽極之間的間距為5 mm，MCP與透射陽極之間壓差為7 000 V. 由于本文選用的MCP孔徑很小，只有6 μm，這里設定電子出射均值能量約為65 eV.

本文開展了以下驗證性實驗：當MCP與透射陽極之間的壓差由7 000 V、每隔500 V依次逐漸降低，透射陽極的隧穿效率與位敏陽極提取到的電流相應變化趨勢如圖2所示。

圖2 復合陽極電流變化趨勢Fig.2 Current change trend of composite anode

根據第2節所述光學傳遞模型，可知該器件的理論調制傳遞函數如圖3所示。

圖3 光學調制函數Fig.3 Optical modulation transfer function

由圖2可見，當隧穿電壓下降時，透射陽極隧穿電子量將隨之大幅下降，進而導致位敏陽極輸入信噪比也大幅下降，最終導致薄膜散射、暗電流等噪聲影響將越發明顯。反之，隨著隧穿電壓的升高，第2塊MCP的飽和趨勢將越發突顯，位敏陽極的細分精度下降。該復合式波導陽極在該光照條件下的最佳隧穿電壓出現在4 500～5 000 V之間(這部分電流變化梯度最為明顯，MCP的增益特性與信噪比均可達到最佳狀態)。遂穿電壓將決定遂穿電子的比例，如果電壓太大則遂穿電子過多將導致第2塊MCP自飽和，增益下降，分辨力降低，進而使屏幕的空間分辨力降低，同時到達熒光屏的電子能量變大。從而導致熒光屏上像素點的亮度變大，而相鄰像素點的亮度差值減小，即屏幕的灰度對比度下降，每個像素點的光軸產生較大的偏差，使得成像效果下降。由此可知，探索復合式波導陽極自適應隧穿門控技術，將是在復雜光場環境中實現精準光軸定位的前提。以5 000 V隧穿電壓為例，透射陽極讀出電流約9.7 nA，并約有6%的電子完成了隧穿。

以上結果驗證了復合波導陽極實現光電子分流的可行性。根據第2節所述光學傳遞模型，可知該器件的理論調制傳遞函數如圖3所示。在圖3中，Ra的OTF與器件整體(圖中R所示)的OTF基本重合，可見Ra是導致器件空間分辨力較低(不到10 lp/mm)的主要原因。在器件制作過程中工藝復雜，需要用薄膜轉移技術等工藝技術，使得其成品率較低，而且由于工藝的不成熟會對器件性能造成一定影響[16]。為了簡化器件制作工藝，本文在復合探測原理基礎上，又提出采用電場調制進行分流的方法，即柵極復合薄膜微通道光電倍增結構。

4 復合波導柵極工作原理

波導柵極復合探測器件構造及工作原理如圖4所示。由圖4可見，脈沖光信號透過光學接收窗(見圖4中a)聚焦于光電陰極(見圖4中b)表面，由光電效應激發的光電子在負高壓電場加速作用下，電子到達上層倍增用MCP(見圖4中c)，經MCP的初次倍增形成電子束，電子束在空間電場作用下撞向復合式柵極結構上的金屬薄膜電極(見圖4中d)，產生電子分流，部分電子由柵極截獲并輸出高頻脈沖通信用信號。而能夠成功渡越過柵極薄膜的電子入射到下級波導用MCP(見圖4中f)引發二次電子倍增以提高微弱成像信號探測靈敏度，倍增的電子最終被楔條形陽極WSZ(見圖4中g)收集并由信號采集電路完成讀出。

圖4 波導柵極薄膜復合探測器件原理圖Fig.4 Schematic diagram of waveguide-gate film complex detector

在傳統空間光電探測系統中，為兼顧響應頻率與接收視場兩方面特性，系統性能通常受到光敏面尺寸的制約。而利用MCP波導柵極薄膜器件進行探測，可以有效緩解光敏面尺寸的約束程度。故MCP波導柵極薄膜器件能夠滿足復合探測中對輕小型化和入射光軸精確定位的需求。

5 實驗與分析

5.1 隔離膜的選擇實驗

為了實現電子分流，選擇兩種隔離膜進行研究：一種是氧化物絕緣膜；另一種是有機絕緣膜。

首先，考慮到MCP表面多孔的表面形態，可使用磁控濺射方法在MCP表面沉積MgO絕緣薄膜。使用離子濺射方法在MCP表面直接生長絕緣膜，濺射到微孔中的絕緣材料將污染微通道孔內壁表面的激活層，對MCP增益產生一定影響。其次，采用自支撐附著有機膜工藝。圖5所示為兩種材料的隔離膜電子增益對比圖。

圖5 鍍膜前后結果對比圖Fig.5 Comparison of electron gains before and after coating

由圖5可見，在MCP表面沉積MgO絕緣薄膜后，其電子增益能力大幅下降，表明沉積的MgO對微通道孔內壁的電子發射層造成了較嚴重的污染，但仍具備一定的電子倍增能力。因此選用自支撐附著有機膜法在MCP表面附著有機薄膜的方式進行復合柵極測試，采用有機膜方式不易污染MCP，但是要對膜厚度進行控制。

5.2 探測能力實驗

為了實現電子束隧穿金屬薄膜，波導陽極的遂穿電壓需達到4 kV左右。因此，為了避免MCP間真空擊穿放電，要求板間距要達到毫米量級。

本文實驗用的柵極束導結構的板間距降低到了0.2 mm,所以在光學傳遞方面遠高于波導陽極結構。圖6所示為柵型復合薄膜的調制效果圖，從中可見柵型薄膜的電子束調制能力完全可控。圖7所示為兩種結構的OTF效果對比(傳遞函數計算方法與第2節基本一致，不再贅述)，其中：d表示2塊MCP之間的距離，U表示2塊MCP之間的電壓，ε表示陰極出射電子的最大動能。

圖6 復合柵型薄膜的電子束調制效果Fig.6 Electron beam modulation of gate-type compound film

圖7 兩種結構的OTF對比效果Fig.7 OTFs of two structures

器件靈敏度是此類器件的一個性能指標，一般來講此類器件的探測靈敏度主要取決于光陰極，與本文的研究不相關。本文的靈敏度問題主要表現為失真和畸變問題。

圖8所示為按照實測數據擬合而成的高斯電子束分布效果圖，來對比復合柵極和復合陽極的靈敏度，從中可以看出，復合柵極靈敏度比復合陽極要好。

圖8 高斯電子束畸變效果Fig.8 Gaussian electron spot distortions of two structures

因此復合柵極探測動態范圍方面，空間柵型束導結構也具有明顯優勢。實時觀察兩種機構的輸出光電流，具體實驗結果如圖9所示。綜上所述，束導型復合探測機構在成像與探測動態范圍兩個方面遠遠優于復合波導陽極機構。

圖9 電流密度變化曲線Fig.9 Input/output current densities of two structures

5.3 模型分析

空間束導柵型機構的電子束調制效果如圖10所示。圖10中：dx表示2塊MCP之間的距離，E表示2塊MCP之間的電場強度，v0表示表示第1塊MCP輸出電子的初速度，D1表示第1塊MCP的孔徑大小，D2表示第2塊MCP的孔徑大小。

圖10 MCP極間束導機構示意圖Fig.10 Schematic diagram of beam-guide mechanism in coupling of two microchannel plates

由圖10可見：電子束在渡越2塊微通道間隙(GAP)時的電子束彌散情況對復合探測起著至關重要的調制作用，彌散過大會使其成像能力明顯下降；反之，其電子束的調制能力及復合探測能力便明顯受限。

對附著于下級波導MCP的柵極薄膜,要求其在滿足電子抽取能力的前提下，部分電子能透射到下級微通道后被陽極收集作為成像用信號。為此，采用Monte Carlo統計模擬方法對大量隨機入射到固體中的電子軌跡進行模擬，所模擬的電子渡越柵極膜層的運動情況為低能電子和原子核外電子的相互作用，建立基于莫特彈性散射截面的物理模型[17]如下:

(9)

式中：θ為電子散射角；f(θ)、g(θ)分別為采用分波法解狹義相對論中狄克拉波動方程的入射波解、散射波解；x為角度取值的變上限，利用插值法可以求解莫特截面值。又因為所需模擬的為鋁和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)構成的多元界面層，在考慮電子散射平均能量損失情況下，適用Joy等對Bethe公式進行修正[18]：

(10)

式中：E為運動電子的能量；S為散射截面面積；ρ為介質密度；Z為原子序數；A為原子量；k=0.757，為PMMA襯底的修正值；J為MMA料的平均電離位移。

圖11是對不同入射能量的電子穿過不同膜厚柵極薄膜的仿真模擬圖，基于Joy等所建立的物理模型[18]，對該波導柵極電子散射情況進行相對更嚴格的模擬。從圖11的4張仿真結果圖中可以看出：入射電子在柵極雙層不同介質膜層中的縱向運動距離隨著膜厚和入射電子能量的變化而變化：隨著膜厚增加，入射電子因與膜內粒子的庫倫力作用造成能量損失，使電子透射率降低；隨著入射電子能量的增加，電子在膜層中的渡越距離也越大。因此，從工藝制備角度精確控制柵極復合薄膜膜厚和利用驗證實驗標定器件調制電壓成為器件制備實現的兩個關鍵要素。

6 波導柵極薄膜復合探測驗證

為了驗證該波導柵極薄膜器件調制分流的可行性，利用光電子倍增器件真空動態測試平臺開展實驗驗證。實驗在真空度為10-5Pa的腔室內進行，整個測試系統主要由紫外光源、復合探測器件、高壓供電電池組和信號采集系統組成。

圖12給出了校準后器件輸出電流與波導柵極加速電壓的關系。在給定柵極加速電壓后，獲得柵極的總電流，此時調制開關尚未開啟，柵極以下未形成有效的空間電場，陽極收不到電子。開啟開關后，柵極到陽極的電場線形成，陽極獲得輸出電流的同時柵極依然存在輸出，器件電子束分流功能基本實現。由于能成功渡越柵極薄膜的電子占入射電子總量的極少數，并且由于前級光電子激發和倍增過程存在時間上的積累延遲，導致柵極輸出電流在開關開啟前后變化并不明顯。然而，隨著柵極加速電壓的增大，柵極處場強增大，柵極調制占主導作用，柵極輸出電流增大而陽極電流減小。同時由于入射到柵極的電子束能量也隨之增大，陽極電流的下降趨勢成亞納安量級減緩，器件電子束調制功能基本實現。

圖12 柵極和陽極電流隨空間電場加速電壓變化情況Fig.12 Variations of anode current and gate current with acceleration voltage in spatial electric field

7 結論

本文提出了具有復合探測功能的新型器件結構，建立了器件的OTF模型并論述了相應的器件約束條件，在真空環境中對器件的探測機理進行了研究。得到主要結論如下：

1) 從OTF理論出發分析了復合波導陽極結構的光學傳遞力約束條件，并通過實驗驗證了其具有一定的信號束流空間調制能力。

2) 進一步提出了復合波導柵極結構，該結構減小了2塊MCP之間的距離，提升了其光學傳遞能力。在真空環境中進行了信號束流調制能力驗證實驗。驗證結果表明復合柵極結構在電子束調制能力方面優于復合陽極結構。