图像增强器图像增强器第五章第五章微通道板微通道板-MCP1、微通道板微通道板Micro channel plateso20世纪世纪70年代在单通道电子倍增器基础上发年代在单通道电子倍增器基础上发展起来的一种多通道电子倍增器。展起来的一种多通道电子倍增器。o微通道板具有结构简单、增益高、时间响应微通道板具有结构简单、增益高、时间响应快和空间成像等特点，因而得到广泛的应用。快和空间成像等特点，因而得到广泛的应用。o它主要应用于各种类型的像增强器、夜视仪、它主要应用于各种类型的像增强器、夜视仪、量子位置探测器、量子位置探测器、射线放大器、场离子显微射线放大器、场离子显微镜、超快速宽频带示波器、光电倍增器等。镜、超快速宽频带示波器、光电倍增器等。 o微通道板（微通道板（Microchannel Plate，MCP）是一种大面阵的高空间分辨的电子倍增探测器，是一种大面阵的高空间分辨的电子倍增探测器，并具备非常高的时间分辨率。并具备非常高的时间分辨率。o主要用作高性能夜视像增强器，并广泛应用于主要用作高性能夜视像增强器，并广泛应用于各科研领域。微通道板以玻璃薄片为基地，在各科研领域。微通道板以玻璃薄片为基地，在基片上以数微米到十几微米的空间周期以六角基片上以数微米到十几微米的空间周期以六角形周期排布孔径比空间周期略小的微孔。一块形周期排布孔径比空间周期略小的微孔。一块MCP上约有上百万微通道，二次电子可以通道上约有上百万微通道，二次电子可以通道壁上碰撞倍增放大，工作原理与光电倍增管相壁上碰撞倍增放大，工作原理与光电倍增管相似。似。 2、微通道板结构微通道板结构o微通道板是由许许多多的特殊空心玻璃纤维压微通道板是由许许多多的特殊空心玻璃纤维压制成的一块很薄的板（图制成的一块很薄的板（图1），空心纤维的内），空心纤维的内径为径为2040m，板的厚度大约，板的厚度大约2mm，板的，板的外径目前可做到外径目前可做到56cm左右。左右。o每根空心纤维每根空心纤维(即每个微通道即每个微通道)的内表面层是次的内表面层是次级电子发射系数较大的材料（通常发射系数可级电子发射系数较大的材料（通常发射系数可达达34），在真空的条件下，微通道的两端面），在真空的条件下，微通道的两端面用真空溅射的办法镀一层导电物质作为电极。用真空溅射的办法镀一层导电物质作为电极。 2、微通道板结构图微通道板结构图特点特点o1. 通道孔径：通道孔径：550 m o2开口比：开口比：60 o3电极材料：电极材料：Ni-Cr o4电极浸没深度：输入端：电极浸没深度：输入端：0.8d (d : 通道孔径通道孔径) 输输出端：出端：23d (d: 通道孔径通道孔径) o5烘烤温度：烘烤温度：400 o6高输出电流、大动态范围、高增益、低噪声、长寿命高输出电流、大动态范围、高增益、低噪声、长寿命 o7带带/不带固体边不带固体边2、微通道板结构o通道内壁具有较高的二次电子发射系数。在通道内壁具有较高的二次电子发射系数。在 的两个端面之间施加直流电压形成电的两个端面之间施加直流电压形成电场。入射到通道内的电子在电场作用下，碰场。入射到通道内的电子在电场作用下，碰撞通道内壁产生二次电子。撞通道内壁产生二次电子。o这些二次电子在电场力加速下不断碰撞通道这些二次电子在电场力加速下不断碰撞通道内壁，直至由通道的输出端射出，实现了连内壁，直至由通道的输出端射出，实现了连续倍增，达到了增强光电子图像的作用。续倍增，达到了增强光电子图像的作用。图1-13、微通道板工作原理微通道板工作原理o当微通道板两端加上当微通道板两端加上1kV左右的直流电压，在每个左右的直流电压，在每个微通道内部都形成与通道中心轴平行的电场，图微通道内部都形成与通道中心轴平行的电场，图2表示这样一个微通道内的电场和电子倍增原理。表示这样一个微通道内的电场和电子倍增原理。o具有初速度的电子从通道一端射入，这些电子在电具有初速度的电子从通道一端射入，这些电子在电场和垂直电场方向的速度分量的作用下，以抛物线场和垂直电场方向的速度分量的作用下，以抛物线轨道飞行并得到加速，而后碰在通道的壁上打出几轨道飞行并得到加速，而后碰在通道的壁上打出几个次级电子。这些次级电子在电场作用下又得到加个次级电子。这些次级电子在电场作用下又得到加速，再次撞击内壁打出次级电子。如此重复多次，速，再次撞击内壁打出次级电子。如此重复多次，便实现了电子的倍增。板上所有微通道的电子倍增便实现了电子的倍增。板上所有微通道的电子倍增的总和就构成了整个微通道板的电子增益。的总和就构成了整个微通道板的电子增益。 微通道内电子倍增原理微通道内电子倍增原理微通道内电子倍增原理微通道内电子倍增原理3、微通道板工作原理微通道板工作原理o可见，微通道板必须工作在高真空的条件下。可见，微通道板必须工作在高真空的条件下。而且，电子在倍增过程中走的路程很短，仅几而且，电子在倍增过程中走的路程很短，仅几毫米，飞行时间只有毫米，飞行时间只有1纳秒（纳秒（ 秒）左右，秒）左右，飞行时间涨落则更小，从而有可能成为皮秒（飞行时间涨落则更小，从而有可能成为皮秒（ 秒）级的光电转换，电子倍增器件中的重要组秒）级的光电转换，电子倍增器件中的重要组成部分。成部分。o光电子进入微通道板后，通过倍增作用，使电光电子进入微通道板后，通过倍增作用，使电流放大流放大10003000倍。其输出电子经加速倍。其输出电子经加速后轰击荧光屏，显示出可见光图像。后轰击荧光屏，显示出可见光图像。 3、微通道板工作原理微通道板工作原理o电子倍增系数的大小和微通道板的厚度电子倍增系数的大小和微通道板的厚度（即微通道的长度），微通道内径，二（即微通道的长度），微通道内径，二次级电子发射系数以及所用的电压有关，次级电子发射系数以及所用的电压有关，一般可达一般可达 ，如果采用较高的，如果采用较高的电压，把两块板串联起来，电子倍增系电压，把两块板串联起来，电子倍增系数达到数达到 也是不困难的。也是不困难的。 3、微通道板工作原理微通道板工作原理o微通道板的电流和电荷饱和特性是指在一定微通道板的电流和电荷饱和特性是指在一定电压下可输出的最大电流或电荷，图电压下可输出的最大电流或电荷，图3绘出绘出了一个典型的电流特性曲线，图中曲线了一个典型的电流特性曲线，图中曲线是是直流工作条件下的饱和特性，输出电流明显直流工作条件下的饱和特性，输出电流明显地偏离线性；曲线地偏离线性；曲线是脉冲工作条件下的饱是脉冲工作条件下的饱和特性，较窄的电流脉冲输入时，如和特性，较窄的电流脉冲输入时，如0.2s宽的脉冲，输出电流密度可达宽的脉冲，输出电流密度可达10mA/c 。 o微通道板的主要噪声来源是：微通道板的主要噪声来源是：o场致反射、直流反馈噪声、交流闪烁本底噪场致反射、直流反馈噪声、交流闪烁本底噪声等。声等。o另外，由于板中各个微通道的增益不同还带另外，由于板中各个微通道的增益不同还带来了空间图像噪声。来了空间图像噪声。4、微通道板种类微通道板种类o微通道板像增强器主要有两种形式微通道板像增强器主要有两种形式:o近贴式和倒像式。近贴式和倒像式。o近贴式微通道板像增强器将通道板放置在光近贴式微通道板像增强器将通道板放置在光电阴极和荧光屏之间。电阴极和荧光屏之间。o阴极发射的电子束在电场作用下打到微通道阴极发射的电子束在电场作用下打到微通道板上，经过倍增后，投射到荧光屏上成像。板上，经过倍增后，投射到荧光屏上成像。由于结构的关系，这种夜视仪尺寸小，但鉴由于结构的关系，这种夜视仪尺寸小，但鉴别率较低，光学增益相对小些，需附加正像别率较低，光学增益相对小些，需附加正像装置，又称为薄片管。装置，又称为薄片管。 4、微通道板种类微通道板种类o二代双近贴式像增强器的结构如图二代双近贴式像增强器的结构如图4所示。所示。近贴于光阴极和荧光屏之间，构成两个近贴空间，近贴于光阴极和荧光屏之间，构成两个近贴空间，因此又称为双近贴式像增强器。由于采用了双近贴、因此又称为双近贴式像增强器。由于采用了双近贴、均匀场，所以图像无畸变，放大率为，不倒像。均匀场，所以图像无畸变，放大率为，不倒像。同样，由于近贴，会出现光阴极、荧光屏同样，由于近贴，会出现光阴极、荧光屏三者之间的相互影响。三者之间的相互影响。o如光阴极和如光阴极和 之间的近贴，为了避免场致发之间的近贴，为了避免场致发射，所加电压较低，因而光电子到达射，所加电压较低，因而光电子到达 的能的能量也较低，这使近贴管的增益受到限制；又如光阴量也较低，这使近贴管的增益受到限制；又如光阴极与荧光屏之间的空间很小，其光反馈比较严重，极与荧光屏之间的空间很小，其光反馈比较严重，这使其分辨力受到影响。这使其分辨力受到影响。4、微通道板种类微通道板种类o 图图4二代双近二代双近贴式像增强器贴式像增强器结构示意图结构示意图光阴极；光阴极；微通道板；微通道板；荧光屏荧光屏o倒像式微通道板像增强器，是在荧光屏前面倒像式微通道板像增强器，是在荧光屏前面放置微通道板，能达到几万倍以上的光学增放置微通道板，能达到几万倍以上的光学增益，而且不用再次倒像。益，而且不用再次倒像。 o在平面阴极和平面荧光屏之间加微通道板的双在平面阴极和平面荧光屏之间加微通道板的双近贴式微光管没有倒像作用。通常采用近贴式微光管没有倒像作用。通常采用 180扭转的纤维光学面板，把由物镜形成的倒立像扭转的纤维光学面板，把由物镜形成的倒立像再颠倒过来，从而得到正立的图像。这类微光再颠倒过来，从而得到正立的图像。这类微光管一般采用厚多碱光电阴极，以提高红光和近管一般采用厚多碱光电阴极，以提高红光和近红外区域的灵敏度采用灵敏度更高的红外区域的灵敏度采用灵敏度更高的-族负族负电子亲和势光电阴极，即为第三代像增强管。电子亲和势光电阴极，即为第三代像增强管。红外变像管通常采用对红外敏感的半透明银氧红外变像管通常采用对红外敏感的半透明银氧铯光电阴极。铯光电阴极。o用红外变像管可以制成红外望远镜。用红外变像管可以制成红外望远镜。 图5图65、 微通道板像增强器的优缺点：微通道板像增强器的优缺点： 优点：优点：体积小，重量轻，整管长度和重量约为一体积小，重量轻，整管长度和重量约为一代级联管的二分之一；代级联管的二分之一；(2) (2) 亮度便于调节；亮度便于调节； (3) (3) 减少了荧光屏的光反馈；减少了荧光屏的光反馈； (4)(4)整管电压较低整管电压较低缺点：缺点：噪声大，主要是附加噪声；噪声大，主要是附加噪声；图像不够均匀；图像不够均匀；工艺难度大，主要是制作以及后续工序对工艺难度大，主要是制作以及后续工序对MCP有影响。有影响。6、 MCP使用中的注意点：使用中的注意点：o1保持端面的清洁，不能用手触摸。保持端面的清洁，不能用手触摸。o2避免碰撞，挤压造成机械破损。避免碰撞，挤压造成机械破损。o3避免真空不高的情况下加高压，以免引起通道避免真空不高的情况下加高压，以免引起通道内孔放电。内孔放电。o4防止两端面间高压击穿造成绝缘破坏。防止两端面间高压击穿造成绝缘破坏。o5防止防止MCP一次性直接暴露在强粒子束中。一次性直接暴露在强粒子束中。7、 MCP的应用：的应用：o1作为各种粒子计数用，由于没有窗和包装材料作为各种粒子计数用，由于没有窗和包装材料的吸收问题，在低能粒子探测中显出优越性。的吸收问题，在低能粒子探测中显出优越性。o2 MCP由于包含上百万个坐标位置完全确定的，由于包含上百万个坐标位置完全确定的，相对独立的通道计数系统，因此它常被作为位相对独立的通道计数系统，因此它常被作为位置灵敏探测器。置灵敏探测器。o3利用快上升时间特性，利用快上升时间特性，MCP也可用于飞行时也可用于飞行时间谱仪的探头。间谱仪的探头。 o思考题思考题:o1、微通道板结构和工作原理；、微通道板结构和工作原理；o2、微通道板的种类；、微通道板的种类；o3、微通道板像增强器的优缺点。、微通道板像增强器的优缺点。参考