MCP真空探測器的信號拾取及讀出

一、MCP真空探測器的信號拾取及讀出

微通道板本身只是對電子進行倍增放大的器件，它吸收輸入的帶電粒子或光子，輸出倍增以后的電流（電子云）。為獲取實驗結果，需要將輸出的電子經過拾取或轉換后，形成能夠拍攝、記錄或計數的信號。

因此，對于一個特定目的的MCP真空探測器，信號拾取和讀出是非常重要的部分。通常會需要一個陽用來拾取電子云信號，陽與MCP輸出端之間有一定間距并加有高壓。一般而言有幾種類型的陽：

l 熒光屏：受高能電子轟擊后會發光，從而形成可見光的圖像；

l 金屬導電陽：直接拾取電流，用于粒子流強的分析或計數；

l 位置敏感陽：如阻性陽或延遲線等，通過多通道讀出，在獲取信號強度的同時分析電子云的位置；

l 多陽：多個相互隔離的金屬陽，支持多點實時的信號采集。

圖4采用熒光屏成像的MCP探測器結構示意

MCP放大輸出的電子云經過陽轉換或拾取之后，尚需要讀出和信號處理、記錄，常用的有幾類部件：

l CCD/CMOS相機：通過透鏡或光纖錐，將熒光屏上的像傳遞到圖像芯片上，并傳輸至電腦處理；

l 示波器、A/D轉換或計數器：主要用于讀出陽電流信號。入射流強較大時，可得到連續的電流，經過A/D轉換存儲為數字信號或經過示波器顯示，從而得到信號隨時間變化的特性；信號微弱時，采用閾值鑒別的方法進行計數；

l 位置分辨數據處理：對位置敏感陽的信號進行高速處理，得到事件的位置、到達時間以及計數率；

l 多通道并行處理：用于多陽探測器。

MCP真空探測器的信號拾取及讀出

2.1 熒光屏及其讀出

用于成像目的的MCP探測器一般采用熒光屏作為陽。熒光屏在數個keV的高能電子轟擊下會發射可見光，經過相機拍攝后形成圖像型號。

圖5成像型MCP真空探測器的輸入（左圖）與輸出（熒光屏，右圖）

熒光屏所使用的材料，有P20、P43、P46、P47等多種。通常主要依據信號的重復頻率來選擇。P43具備較好的發光效率，其發光波長（550nm）正位于一般CCD相機感光效率zui高的區域，因此是zui常用的熒光屏；但P43的熒光衰減時間約1.2ms，故不適合幀率>500fps的成像；快速熒光屏中zui常用的是P46，其發光效率月為P43的1/4，但余輝時間僅為300ns。

一般熒光屏相對于MCP輸出的高壓會高達5kV以上。

熒光屏可以鍍在玻璃窗片上，該窗片同時起到真空密封的作用。也可以鍍在光纖錐面板窗片上，這樣像可以傳遞到窗片外側，以便后續再通過光纖錐與成像傳感器連接。

Photek 公司可根據用戶的需求提供各種材質的熒光屏鍍膜，并提供透鏡耦合/光纖錐耦合方式。

根據具體的應用，光學耦合及CCD/CMOS相機的選擇可以有多種方式：

l 光纖錐耦合與透鏡耦合：光纖錐的優點是效率高，像畸變小；缺點是信號強度均勻性會受到一定的影響，另外光纖錐耦合需要后端相機芯片上已經粘好光纖面板輸入，故相機的選擇受到一定的局限；透鏡耦合結構比較簡單，放大倍率靈活可調，比較適合大縮放比的情景，透鏡耦合效率低于光纖錐耦合，而分辨率、成像質量取決于透鏡的質量。透鏡耦合可以設計成90度轉折光路，當實驗系統有穿透性非常高的粒子（如中子、高能光子）時，這種設計有助于保護后續相機及電子線路免受輻射損傷。

即使探測器本身選配了光纖錐輸出，仍舊可以采用透鏡來作像傳遞。

l CCD或CMOS相機的選擇：由于MCP本身有較大的增益，一般信號探測可采用普通的科研級CCD/CMOS相機，根據所需要的分辨率及幀速選擇；較為微弱的、需要長時間積分的信號，可選擇制冷型CCD相機；對探測動態范圍有需求時，建議使用sCMOS相機；如果工作在單光子計數模式，可以選擇常規的CMOS相機。

l 單光子計數模式：針對微弱的信號，CCD/CMOS相機可工作在單光子計數模式，單光子計數模式需要前端采用二級連或以上（>1E6增益）的MCP。在單光子計數模式時，相機持續以固定幀率或接受外觸發同步采集信號，MCP探測到的單粒子事件會在圖像上形成分立的斑點；軟件計算每個斑點的總強度和強度重心，超過一定閾值的被認為是單個粒子事件，其重心位置對應的坐標計數值加1。經過長時間、多幀疊加后，還原圖像。

采用相機進行單光子探測無法進行高速的時間分辨（時間分辨取決于相機的幀率），但其統計的方式可以實現非常低的噪聲，同時因為單粒子事件的空間坐標采用統計重心的方式，其空間分辨率可以非常高，達到CCD芯片的水平。

Photek提供成像或粒子計數的成套系統，包括MCP探測器、光學耦合、相機和軟件。

2.2 金屬陽輸出（真空PMT）

如果在MCP輸出端之后放置金屬陽，并施加高壓，電子云會到達陽并可以形成電流輸出，電流強度正比于輸入信號的強度。電流可通過示波器、A/D轉換器采集，或者（信號微弱，只能產生分立的單粒子峰時）經鑒別器、計數器計數。

這類探測器具備超快的時間響應（小口徑探測器可達到<100ps的上升沿，100ps左右的FWPM脈沖響應），非常適合做TOF（Time Of Fly，時間飛行）譜儀的探測器，因此也常稱作TOF探測器。

除了MCP本身的電子渡越時間展寬之外，電子云在MCP和陽之間的飛行以及電流形成有時會對脈沖形狀（尤其是后沿）造成影響。經過特殊設計的陽形狀（如錐形陽）可以減輕這種效應。Photek可根據用戶的需求設計不同形狀的陽板。

圖6采用錐形陽的MCP探測器

如果對輸入面的電位無要求（例如，光子探測），陽直接接地有助于方便的拾取電流信號。但在很多場合下MCP輸入面需要零電位，這樣陽相對于地就有數千伏的高壓，后續信號拾取時需要采用隔直電容：隔直電容需要耐高壓、容量和取樣電阻需要精心設計以確保對快速信號的通過帶寬，而且一旦電容失效就會立刻擊穿后續電路。Photek可配置隔離陽，將電流取樣和陽板絕緣，確保響應速度，同時免去用戶設計隔直電路的煩惱和風險。

2.3 空間分辨陽

MCP本身是二維（成像）器件，采用熒光屏+相機讀出可以獲得圖像，但是其時間分辨由相機決定；而采用導電陽可以獲得超快的信號（<100ps響應），卻喪失了空間分辨能力。通過采用特殊的陽結構，如阻性陽(resistive sea anode) 或者延遲線(delay line)，可以同時實現高速度的時間、空間分辨。

圖7 阻性陽的空間分辨原理

阻性陽為具備特定形狀及非零電阻的陽板，如圖7所示。通過四個端角上取樣的電流脈沖的比率來計算信號在MCP板上的位置，同時具備實時響應的特征。

圖8 延遲線（Delay Line)示意圖

而延遲線則通過兩組密切排布的、排布方向互相垂直的導線作為陽；兩組導線的四個端點拾取的信號的時間可以獲知事件發生的位置和時間。

需要注意的是這類探測器（阻性陽與延遲線）通常工作在單粒子計數模式，如果在短時間（如<5ns）內有兩個信號同時抵達MCP的不同位置，則位置反演會給出錯誤的結果。當然，對于點源的跟蹤，這類探測器也可工作在模擬、連續輸出的模式。

Photek提供阻性陽和延遲線探測器，以及探測系統（包括探測器、快電子線路、計數軟件），可以實現<5ns的時間分辨率和512×512水平的空間分辨率。

2.4  多陽探測器

采用多個相互絕緣的金屬陽，這樣可以輸出每個金屬陽探測到的電子信號，實現位置分辨、超快時間分辨的探測。其結構如圖8所示。

圖9 多陽探測器的結構示意

陽個數可以達到64×64甚至更多，陽之間的間距可達亞毫米水平，每個陽的響應時間可快至百微秒。這類探測器能夠實現亞納秒信號的二維多通道同時采集。

每個通道需要一路單獨的讀出電路，因此這類探測器成本較高。電路可通過MEMS方式集成在探測器上，也可以外置。

針對某些特殊應用，探測器可以做成方形的，方便擴展探測面積和通道數目。

Photek 公司提供多陽MCP探測器以及包括電子線路的探測系統。