可见光脉冲输入下微通道板光电倍增管的动态范围研究

结合理论分析与实验测试,研究了在可见光脉冲输入条件下频率以及第二片微通道板与阳极之间电势差对微通道板光电倍增管动态范围的影响。研究结果表明:随着信号光脉冲频率的增大,微通道板壁面电荷补充不充分致使阳极输出偏离线性,并逐渐趋于饱和。当输入可见光脉冲宽度为50 ns,频率为500 Hz时,阳极的最大线性输出达到2 V(即40 mA);当输入光频率增加到1000 Hz,阳极输出在1 V(即20 mA)时线性偏离程度达到10%以上;当输入光频率增加到5000 Hz,阳极输出在0.3 V(即6 mA)时线性偏离程度达到约15%。随着第二片微通道板与阳极之间电势差的增大,阳极最大线性输出电压呈现波动性变化而非与其呈线性关系。当第二片微通道板与阳极之间的电势差在200 V左右时,阳极线性输出电压达到峰值,随着电势差不断增大,阳极线性输出电压开始出现波动,在电势差为500 V左右时达到第二个峰值,这主要是由于极板间电场强度与空间电荷效应共同作用的结果。该研究可为提升微通道板光电倍增管的动态范围提供指导,便于其应用于强辐射脉冲测量、激光通信等领域。

高空间分辨微通道板现状及发展

微通道板(MCP)是超二代、三代微光像增强器中的核心元件之一,其空间分辨能力对于微光像增强器分辨力、传函、光晕(Halo)等性能有重要的影响。基于最先进的超二代和三代像增强器所采用MCP的新技术发展,整理国内外已经开展的研究成果报道,从像增强器成像过程中与MCP直接相关的光电子入射至MCP输入面、MCP电子倍增、倍增电子图像输出3个阶段进行系统梳理分析,明确先进像增强器对于微通道板高空间分辨的具体性能需求。提出国产MCP的发展方向展望:未来几年研制孔径5μm、开口面积比70%左右、输出电极优化的MCP并批量应用;应用于超二代像增强器的MCP需要开展小孔径扩口以及电子减速膜等新技术研究,使MCP开口面积比达到90%以上、像增强器传函与对比度性能显著提升;应用于三代像增强器的MCP需要开展低放气、低离子反馈MCP研究以支撑无膜三代像增强器的研发,抑制Halo、提高信噪比,在实现无膜MCP的基础上,扩口技术、输入增强膜层技术、电子减速膜等MCP技术均有应用于三代像增强器中的潜力。

应用于微通道板导电层的TiO_(2)∶Al_(2)O_(3)纳米复合薄膜的制备研究

基于原子层沉积技术提出了一种TiO_(2)∶Al_(2)O_(3)纳米复合薄膜作为微通道板导电层材料。根据微通道板的规格参数以及体电阻要求,推导出微通道板导电层薄膜的方块电阻范围为1.73×10^(13)~5.20×10^(13)Ω/□;研究了TiO_(2)循环百分比与TiO_(2)∶Al_(2)O_(3)纳米复合薄膜方块电阻之间的关系,发现当TiO_(2)循环百分比在30.27%~37.06%时复合薄膜电阻率满足微通道板导电层要求;设计制备了20 nm的Al_(2)O_(3)过渡层以及100 nm的TiO_(2)∶Al_(2)O_(3)纳米复合薄膜,测量厚度约为122 nm,且薄膜表面平整光滑,实现了微通道板微孔内壁TiO_(2)∶Al_(2)O_(3)纳米复合薄膜导电层的制备。在1000 V测试电压下,其体电阻为212.81 MΩ,增益为18357,表明TiO_(2)∶Al_(2)O_(3)纳米复合薄膜作为微通道板导电层具有可行性。

微通道板斜切角对像增强器性能的影响研究

采用试验对比分析的方法,从MCP斜切角对像增强器的MCP噪声因子、分辨力、MCP增益三方面的影响展开研究。试验结果表明,MCP斜切角在5°~12°范围内时,MCP噪声因子与MCP斜切角呈抛物线关系,当MCP斜切角为9°时,MCP噪声因子最小;分辨力与斜切角呈负相关关系,当MCP斜切角为5°时,分辨力最大;MCP增益随斜切角的增加呈抛物线变化,当MCP斜切角为9°时,MCP增益最大。这主要是因为改变MCP斜切角后,光电子进入MCP通道前端二次电子发射层的角度深度不同,激发出的二次电子数及电子在MCP输出端形成的散射斑半径存在差异。若要选择最佳MCP斜切角,必须综合考虑不同场景下对像增强器主要性能指标的要求。

一种显著提高三代像增强器信噪比的微通道板

鉴于离子阻挡膜保证了三代像增强器的工作寿命,但增加了微通道板和三代像增强器的噪声因子,降低了三代像增强器的信噪比,削弱了NEA光阴极的优势,提出一种最新研制的微通道板。它优化了玻璃成份,提高了玻璃的工作温度,同时还改善了通道内壁工作面结构,且开口面积比达到65%-70%。通过三代像增强器制管试验证实,这种高性能微通道板具有低噪声因子特性,与标准M CP相比,可显著提高三代管的信噪比。最后指出通过进一步试验和改进,实现更高信噪比长寿命无膜三代像增强器的可能性。

一种半导体玻璃及其制作的体导电微通道板的特性表征

将微通道阵列移植到体导电基体可使微通道板(Microchannel Plate,MCP)免受离子反馈难题的困绕,而半导体玻璃可在不改变MCP的传统制作方法的基础上制作体导电MCP。一种特定组分的钒铁铅铝磷酸盐的半导体玻璃,采用与传统的还原铅硅酸盐玻璃MCP完全相同的制作方法,但不经过氢还原处理,制作成通道间距为12μm的25 mm直径的无实体边的MCP样品,这种半导体玻璃制作的MCP样品,在加载1 kV的恒稳态电压下,有稳定的微安级的传导电流和102量级的电流增益。本文对这种钒铁铅铝磷酸盐的半导体玻璃及其制作的体导电MCP样品的基本性能和表现进行了表征和分析,并讨论了进一步改进措施。

新型微通道板的进展与研究

这里介绍一种新型光电器件-新型微通道板（AT-MCP），阐述了目前还原铅硅玻璃微通道板（RLSG-MCP）存在的局限性及与其比较AT-MCP所具有的优点．

微通道板非晶态Al_2O_3电子透射膜

文中介绍了ＭＣＰ非晶态Ａｌ２Ｏ３电子透射膜在成像器件中的作用，阐述了膜层的选择、形成条件与方法，给出了膜层形成及其与辉光气体放电的关系，测量了膜层及带膜ＭＣＰ的某些特性，并进行了初步分析和讨论．

低噪声、高增益微通道板的研制

降低微通道板噪声和增加其电子增益是改善微光像增强器信噪比、视场清晰度和亮度增益最好的技术途经之一。采用具有高而且稳定的二次电子发射系数的皮料玻璃和与皮料玻璃的热物理性能相匹配且化学腐蚀速率比皮料大4个数量级的芯料玻璃以及与两者在一切工艺过程相匹配的实体边玻璃,通过优化实体边实芯工艺制作出的高性能微通道板,其暗电流密度小于5×1-0 13A/cm2,固定图案噪声和闪烁噪声明显降低;在真空系统中,经40μA h电子清刷后,电子增益(800 V)大于500。制管实验表明:这种微通道板达到了预期效果。

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。

微通道板输入信号利用率提高研究

分析了微通道板输入信号损失的原因,提出了在微通道板输入端镀制绝缘层,从而提高微通道板输入信号利用率的方法,并进行了试验.试验结果表明:在微通道板输入端镀制一层15nm的绝缘层,可以提高微通道板输入信号的利用率,从而提高微通道板的增益.绝缘层的二次电子发射系数越高,微通道板输入信号的利用率越高,增益提高的比例越大.对SiO2膜层而言,可以提高12%左右;对Al2O3膜层而言,可以提高35%左右.在微通道板增益提高的同时,像增强器的分辨力和调制传递函数会降低,并且绝缘层的二次电子发射系数越高,分辨力和调制传递函数降低的比例越大.但微通道板分辨力和调制传递函数降低的比例远低于增益提高的比例.本文提出的提高微通道板输入信号利用率的方法具有一定的实用性,可以推广使用.

微通道板光子计数成像探测器预处理实验研究

微通道板光子计数成像探测器是嫦娥三号极紫外相机的关键成像器件,嫦娥三号极紫外相机被用于探测地球等离子层中极微弱的He+共振散射辐射,为了消除微通道板内部吸附的残余气体产生的离子反馈等背景噪音对探测器微弱信号成像性能的影响,需要对微通道板进行预处理.预处理包括高温真空烘烤和紫外光电子清刷.根据预处理的实验要求,设计了一套微通道板预处理装置,为微通道板预处理实验提供高真空环境和高温加热及保温功能.本文详细介绍了微通道板预处理实验的实现过程,对三片Z型级联的微通道板进行预处理实验后,背景噪音由27.09counts/s·cm2降低为0.53counts/s·cm2、空间分辨率达到125μm,上述实验结果表明MCP在预处理之后其表面、亚表面和体内吸附的杂质气体得以有效去除,获得了稳定的增益,成像性能也得以改善.

极紫外波段微通道板光子计数探测器

研究了一种极紫外波段微通道板(MCP)光子计数探测器,用于探测地球等离子体层中极微弱的30.4 nm辐射。通过改变电压、温度等参数对比了该微通道板光子计数探测器的暗噪声和分辨率的变化。结果表明:微通道板探测器的暗噪声主要来源于残余气体离子反馈和热噪声,因此要降低探测器暗噪声,应对微通道进行彻底的预处理除气,并尽量避免探测器在高温状态下工作,常温下经过预处理的微通道板光子探测系统的暗计数率仅为0.34 count/(s.cm2)。系统的分辨率主要受电压和计数率的影响,受温度影响不明显。由于不同的微通道板有不同的耐压范围,过小或过大的电压或计数率都会造成系统分辨率的降低。

原子层沉积法制备微通道板发射层的性能

随着微通道板的不断发展与完善,通过改善传统工艺提升其性能越来越困难,开发提升微通道板性能的新技术迫在眉睫。纳米薄膜材料的发展及其制备技术的成熟为微通道板的发展提供了契机,利用原子层沉积技术在通道内壁沉积一层氧化铝纳米薄膜,作为二次电子发射功能层,可以增强通道内壁的二次电子发射能力,从而提升微通道板的增益性能。通过优化原子层沉积工艺参数可以在微通道板的通道内壁沉积厚度均匀的氧化铝薄膜。研究结果表明,微通道板增益随沉积氧化铝厚度的变化而变化,在氧化铝厚度为60 cycles时,施加偏压800 V时增益可达56 000,约为正常微通道板增益的12倍。

微通道板像增强器的调制传递函数的测量与研究

根据狭缝法测量调制传递函数(MTF)的理论,建立了微通道板(MCP)像增强器的MTF测量装置.利用CCD相机测量像增强器对狭缝的空间响应,得到系统的线扩散函数(LSF) ,经过傅里叶变换求出MTF.实验测量了两种MCP像增强器的MTF,得到的极限分辨率与厂家标定值一致.在不同的工作偏压下以及不同的像面位置处的MTF测量结果表明,像增强器的空间分辨能力随着光阴极偏压的升高逐渐提高并趋于稳定.随MCP偏压的升高而迅速下降,在一定的电压范围内不随荧光屏电压的变化而改变;像增强器在不同像面位置处的空间分辨能力变化较小.

微通道板结构参数对噪声因子的影响

采用对比测量方法研究了微通道板结构参数,即开口比、板厚、电极深度、离子阻挡膜、输入增强膜对其噪声因子的影响。结果表明,开口比增大,噪声因子减小;板厚增加,噪声因子增加;输入电极深度增加,噪声因子增加;离子阻挡膜会增加噪声因子;输入增强膜会降低噪声因子。其中,离子阻挡膜对噪声因子的影响最大,板厚对噪声因子的影响最小。微通道板的结构参数不仅对噪声因子产生影响,而且对其他参数,如增益、均匀性等性能均会产生影响。要降低微通道板噪声因子,比较可行的方法是将微通道板的开口比提高到68%,在此基础上,再在微通道板的输入端制作一层高二次电子发射系数的MgO2输入增强膜,使微通道板的噪声因子接近1,从而达到理想微通道板的水平。

无增益微通道板皮秒分幅技术研究

研制了无增益微通道板(Microchannel plate,MCP)选通X射线分幅相机,由无增益MCP变像管、成像针孔阵列、皮秒选通脉冲发生器及CCD构成。对相机时间分辨率进行了测量,当无增益MCP加载-1.5 k V、145 ps的选通脉冲和-300 V的直流偏置时,测得相机的时间分辨率为59 ps。改变MCP直流偏置电压,获得了时间分辨率、输出信号强度与MCP偏置电压的关系。实验结果表明,随着MCP偏置电压的减小,时间分辨率提高,但输出信号强度降低。

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.

硅微通道板电子倍增器

本文采用感应耦合等离子体刻蚀机 (ICP)和低压化学气相淀积 (LPCVD)技术制备了硅微孔列阵和连续打拿极 ,得到具有一定性能的硅微通道板 .同时分析讨论了微孔列阵的表面形貌、反应离子刻蚀的尺寸效应以及电子增益系数等问题 .与传统工艺相比 ,新工艺将微通道板基体材料与打拿极材料的选择分开、微孔列阵形成和连续打拿极制作过程分开 。

微通道板选通X射线皮秒分幅相机曝光时间的均匀设计

将均匀设计法应用于微通道板选通X射线皮秒分幅相机(MCP-XPFC)曝光时间的研究工作中,目的是找到一个简单高效的试验预估方法来指导分幅相机的研制和试验工作.基于分幅相机皮秒动态选通理论模型,建立了采用0.5mm厚、长径比40的MCP的皮秒分幅相机选通脉冲参量与曝光时间之间的快速预估模型.利用这一模型得出了相机的曝光时间随选通脉冲脉宽和幅值分别呈抛物线变化,且脉宽和幅值对曝光时间具有交互影响作用.在试验参量范围内,此预估模型能够精确地代替相机理论模型和高效地指导实验.通过实验验证了预估模型,并分析了影响结果的因素.