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硕十论文体积导电微通道板的结构设计与特性模拟 摘要 对于传统的铅硅酸盐玻璃微通道板，为了使玻璃具有足够的电导率，必须进行氢热 还原处理以产生表面导电层。但是导电薄膜层经受长时间的电子轰击后，发射和补充电 子的能力会逐渐降低；更重要的是，氢还原中大量的氢残留在导电薄膜层表面，在电子 轰击时被电离化而形成离子反馈，如果使用离子阻挡膜，又会使信号受到衰减，信噪比 下降。而采用体积导电材料制备微通道板则可以克服这些缺点，从而改变现有微通道板 难以在增益，动态特性及噪声等方面同时得到改善的现状。 本文主要研究这种体积导电微通道板。介绍了微通道板的原理、结构以及发展状况， 分析了微通道的特性，论述了这种体积导电微通道板的优势、结构和特性。 本文通过已有的微通道增益特性分析方法初步得到了用于体积导电微通道板的增 益理论公式，并根据公式做出了增益与长径比的曲线；初步分析了体积导电玻璃的电流 传递特性以及新的脉冲供电方式；分析了体积导电玻璃微通道板和传统微通道板的电场 分布，阐述了体积导电玻璃能用于制造新型无离子反馈膜微通道板的原因并根据其x p s 电子能谱曲线判定了它的成分。 关键词：微通道板，体积导电，增益，长径比，离子反馈 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t f o rt h et r a d i t i o n a lm i c r o c h a n n e lp l a t e ( m c p ) m a d eb ys i l i c a t eg l a s s ，i tm u s tt a k et h e h y d r o g e nh e a td e o x i d i z et om a k ea l le l e c t r i cl a y e ro nt h es u r f a c eo ft h ec h a n n e lw a l l ，f o rt h e p u r p o s eo fm a k es u r et h e r ei se n o u g hc o n d u c t i v i t yo ft h es i l i c a t eg l a s s b u ta f t e ral o n gp e r i o d o fb o m b a r d m e n tb ye l e c t r o n s ，t h ea b i l i t yo fe m i r i n ga n dr e p l e n i s h i n go fe l e c t r o n so ft h i s l a y e rw i l lr e d u c e ；t h em o r ei m p o r t a n ti s ，d u r i n gt h eh y d r o g e nh e a td e o x i d i z et h e r ew i l lb e p l e n t yo fh y d r o g e ns t a yo nt h ec h a n n e lw a l l ，w h i c hw i l li o n i z eb yt h ee l e c t r o nb o m b a r d m e n t ， a n dt h e nf o r map o s i t i v ei o nf e e db a c k i fu s eai o nf i l m ，t h es i g n a lw i l lb ea t t e n u a t e da sw e l l a st h es i g n a ln o i s er a t i o ( s n r ) s ow ec a nc o n q u e rt h ed i s a d v a n t a g eb yu s i n gt h eb u l k c o n d u c t i n gg l a s s ，i tc a nc h a n g et h es t a t u sw h i c ht h et r a d i t i o n a lm c pi sh a r dt oi m p r o v e a m o n gt h eg a i n ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h en o i s ea tt h es a m et i m e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ar e s e a r c hh a sb e e nm a d eo nt h i sb u l kc o n d u c t i v em c ei ti n t r o d u c e s t h et h e o r y , s t r u c t u r ea n dt h e d e v e l o p m e n t o fm c ea n a l y z e dt h e c h a r a c t e r i s t i co f m i c r o c h a n n e la n dd i s c u s st h ea d v a n t a g e ，s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft h i sb u l kc o n d u c t i v e m c p i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ee d u c et h ea c a d e m i cf o r m u l ao ft h eg a i no ft h i sb u l kc o n d u c t i v e m c p b yu s i n gt h et r a d i t i o n a la n a l y t i c a lm e t h o do fm c p , p r o t r a c tt h ec u r v eo fg a i na n dl e n g t h t od i a m e t e rr a t i o a n a l y z e dt h ec u r r e n tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c ，n e wp u l s ep o w e rs u p p l ym o d e a n dt h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fb u l kc o n d u c t i v em c e e x p l a i nt h er e a s o no fn o np o s i t i v e i o nf e e db a c ko ft h i sb u l kc o n d u c t i v em c p , a n df i n di t sc o m p o n e n tb yu s i n gx - r a y p h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) k e yw o r d ：m i c r o c h a n n e lp l a t e ，b u l kc o n d u c t i v e ，g a i n ，l e n g t ht od i a m e t e rr a t i o ，p o s i t i v e i o nf e e db a c k n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：阻 加。7 年6 月2 多日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：_ 二竭l 2 p 9 7 年占月j 弓日 硕士论文体积导电微通道板的结构设计与特性模拟 1 绪论 微光夜视技术作为开拓人眼视觉的方法，自上个世纪六十年代以来发展非常迅速。 新概念、新思想、新工艺和新技术的不断出现，推动着夜视器件与技术的发展。这期间， 国外微光夜视技术的发展已经历了一代，二代和三代，并且进入了第四代。由于军用光 电子技术的需求牵引，电子倍增器件得到了很快的发展，其中以微通道板 ( m c p m i c r o c h a n n e lp l a t e ) 为典型代表。m c p 的问世、应用和发展，促进了微光像管和 微光夜视技术的更新换代。首先实现了二代微通道像管的问世，并用倒像式和近贴式结 构像管实现了替代一代三级面板藕合像管的变革，八十年代中期，美国已用二代微光夜 视系统装备部队；相继高性能长寿命m c p 问世后，立即引入到三代微光像管中，促进 了三代微光成像系统性能的飞跃。到目前为止，利用半导体玻璃制作的体积导电微通道 板已经成为研究的焦点。 1 1 研究背景和意义 微通道板是一种二维连续电子倍增的器件，它是一个薄片状阻性通道板，两个端面 为导电层，板内有成千上万个细长的通道，而在通道内壁涂有次级发射材料。当有电子 进入通道后，撞击管壁产生二次电子，随后这些二次电子在电场作用下不断加速与管壁 撞击，从而产生更多的电子，这样电子就得到了倍增。 传统的微通道板都是由铅硅酸盐玻璃制造的，为了使玻璃具有足够的电导率，必须 进行氢热还原处理以产生表面导电层。氢热还原工艺可在微通道表面形成一层1 0 0 a 的 单晶p b 或a p b 的n 型半导体的表面导电层，二次电子发射系数大于3 ，电阻在1 0 8 1 0 1 0 q 之间。由于像增强器正常工作期间经受长时间的电子轰击，这层导电薄膜会变得不稳定， 在使用过程中会产生一系列的问题。首先就是导电薄膜层的发射和补充电子的能力随着 工作时间的延长而逐渐降低，使m c p 的效率下降。然后，更重要的是，氢还原中大量 的氢残留在导电薄膜层表面，在电子轰击时被电离化而形成j 下离子进入通道，并沿电场 反向迁移损坏n e a 层，并有损光电阴极的光电发射特性。为了抑制离子反馈，必须在 通道板电子输入端面上加离子阻挡膜，这种离子阻挡层通常是由非导电材料构成的，可 有效地减小离子反馈，但它会散射或吸收由光电阻极发射的电子，这样将不可避免地使 信号受到衰减，信噪比下降。 如果采用体电导材料制备m c p ，就没有必要进行氢热还原处理，也没有必要采用 离子阻挡膜。美国的l i t t o n 电子一光学系统( e o s ) 公司和美军夜视及电子传感监理会在 “2 1 世纪微通道板( m c p ) 技术新的开发前沿：体积导电m c p 型像增强器 一文【2 】中对 微通道板的材料做出了如下评述： 1 绪论 硕士论文 “半导体硅材料的电阻率较低，无法加载电子增殖所需要的电场强度，因而不能使 用。半导体磷酸盐玻璃已经成为制作体电导微通道板最有希望的材料，用该玻璃制作的 像增强管可以获得较高的电子增益。此外，磷酸盐玻璃具有均匀的组成，表面氢含量低， 离子反馈效应小，有利于增加像增强管的使用寿命和提高信噪比。”y i ，y u 和h u e n 的 研究也表明：磷酸盐玻璃具备了制造体电导微通道板所需要的特性，是更新换代的潜在 材料。 半导体玻璃体电导微通道板具有以下优点p j ： ( 1 ) 受电子撞击时，在玻璃替内较均匀地加热，而不仅限于表面层。它的温度梯度平缓， 热应力小，提高了产品的使用寿命。 ( 2 ) 具有很少的h ：和h ：o 分子，产生的正离子数量也大大减少。此外，由于可以在微通 道板内部建立非轴向电场，阻止正电子向光阴极迁移。因此，可以除去离子反馈阻挡膜， 从而提高了器件的信噪比。 ( 3 ) 电阻率可以根据玻璃组成设计，可以在更宽的范围内工作。 通过对已经制造出来的半导体玻璃微通道板进行测试，得出的结论与理论预测一 致，表明采用磷酸盐玻璃制作实用微通道板是可行的。但是，现有的制作工艺还有待进 一步完善，体电导微通道板的理论工作还有待进行。 1 2 本文的主要工作与内容 本文研究了这种新型的体积导电微通道板的结果与特性，主要工作如下： ( 1 ) 介绍了研究背景及这种新型微通道板的优势； ( 2 ) 介绍了微通道板的基本原理、结构、工艺及发展状况； ( 3 ) 详细分析了微通道的特性，包括其增益特性，实际增益计算，电流传递特性，电阻 模型，噪声及离子反馈等； ( 4 ) 在第三部分的基础上分析了体积导电微通道板的增益特性，得到了它的增益理论公 式，分析了电流传递特性以及论述了体积导电玻璃可以用于制造无离子反馈膜微通道板 的原因并根据其x p s 电子能谱曲线判定了它的成分； ( 5 ) 总结了本文的工作以及所得到的结果。 2 硕士论文体积导电微通道板的结构设计与特性模拟 2 微通道板的原理、结构、工艺以及主要类型 2 1 微通道板的基本原理及基本结构 微通道板是由中空玻璃纤维电子倍增管集合而成的二维列阵，它的外形是直径约为 2 0 - l o o m m ，厚度约为0 3 - 0 5 m m 的薄片，中心部分平行排列着数百万根孔径约为5 1 0 9 r n 的微通道，如图2 1 所示【4 】。通道壁上具有电子传导层和二次电子发射层。每一个通道 通道 图2 1m c p 结构图 都是一个单通道电子倍增器，端面开口面积比为5 5 8 8 ，在m c p 的两个端面镀有镍 铬膜层，作为输入和输出电极。为了增加入射粒子与通道壁的碰撞几率，通常微孔通道 不垂直于端面，而且有7 0 到1 0 0 的斜角。图2 2 t 4 j 是单根微通道的工作原理示意图，在工 作时其两端电极施加直流电压，通常为千伏左右，由于微通道板基体是由高电阻材料制 成，所以产生的电流很微弱，同时两端所施加的电压在通道内形成沿通道轴线方向的匀 强电场，这个电场构成了m c p 的工作电场。由于通道内孔表面具有二次发射特性，当 具有一定能量的短波长光子或带电粒子与壁碰撞时，就会在通道内表面产生大于1 的二 次电子倍增。因此，经过碰撞后使通道壁发射的二次电子在数量上得到倍增，倍增的二 次电子在通道内电场作用下获得沿通道轴向的加速，并沿抛物线的轨迹以较大的能量碰 撞内壁的另一面而又得到了数量上的倍增。由于通道长度是通道直径的几十倍，因而从 一次电子进入通道到从通道射出口射出，中间经过多次碰撞通道内壁，从而射出的电子 3 2 微通道板的原理、结构、工艺以及主要类型 硕士论文 数量获得极大的倍增。如果取每次碰撞的一次倍增系数6 = 2 ( 通常6 = 2 5 ) ，累积碰撞次 数为1 6 时，则通道的电子倍增值大于g = 2 1 6 ，由此可见通道的电流增强作用是十分惊人 的。 通道壁 电极 初贻电子 输出电子 图2 2 通道电子倍增原理图 微通道板的通道是在二维空间内规则而均匀地排列，且彼此隔离的，它将二维空间 内分布的电子流对应的进行增强而保持原来的二维空间分布的密度，这就实现了增强电 子图像的作用。作为一种光电倍增元件，微通道板可广泛应用于微光夜视仪、x 射线像 增强器等领域。目前，常用的微光像增强器都使用微通道板进行光电子信号的放大与增 强。作为微光像增强器的关键部件之一，微通道板的性能对微光像增强管的质量具有重 要的影响。 m c p 的通道由三层结构组成：二次电子发射层，导电层和基层玻璃【5 ，如图2 3 所示。电子或光子激发二次电子的基本过程是：一个电子或光子撞击二次电子发射层并 产生电子空穴，当二次电子逃逸到表面时，它的能量会因为与自由电子和固体中的缺 陷位置撞击而损失掉。但是许多的二次电子有足够的能量逃逸到通道中，然后在电场的 作用下不断加速，直到又撞击上通道壁，产生更多的二次电子。 就微通道板的材料来说，要形成稳定的电场和供给足够的电子，就必须具有适当的 导电层和大的二次电子发射系数这两个必要条件。具有适当电阻值( 微通道板电阻值实 用范围为1 1 0 8 q s r 6 1 0 9 q ) 的导电层供应高的二次电子发射所需的电流，而微通道板 的电子增益作用是由于半导体表面被电子轰击时发生的二次电子发射所引起的。微通道 板的增益g 取决于材料的二次电子发射特性6 。显然，二次电子发射系数6 越大，电子 对通道壁碰撞次数n 越小，对通道板电极所施加的电压就越低。 4 硕士论文 体积导电微通道板的结构设计与特性模拟 初始电子 2 2 微通道板的制造工艺1 7 i 过度层 图2 3 微通道板的截面图 微通道板的制备过程为： ( 1 ) 单丝拉制 加热玻璃棒( 管) ，将其拉制成直径约为l m m 的单丝。 ( 2 ) 复丝拉制 将单丝排列成六角形截面的丝束。然后在设定温度下加热( 过程同单丝拉制) ，拉 出六角形复丝。拉丝过程如图2 4 所示。 5 2 微通道板的原理、结构、工艺以及主要类型 硕士论文 同鼎 图2 4 微通道板制备上艺过程 ( 3 ) 压屏 复丝拉制成型后，经过排列，然后在高温高压下压屏。 ( 4 ) 切片、研磨、抛光 热压得到的微通道板屏根据产品规格依次进行切片、研磨、抛光，得到约为0 5 m m 厚的薄片。 ( 5 ) 酸溶 将薄片放置入酸溶液中，将芯料溶去，得到由数百万根孔径约为5 1 0 1 t m 中空玻璃 纤维集合而成的微通道板。 ( 6 ) 金属镀膜 6 硕士论文 体积导电微通道板的结构设计与特性模拟 将金属蒸镀到微通道板圆片的两面，使它能在两面接上电源后可以形成一个电路回 路。 目前，国际上商用的微通道板都是由铅硅酸盐玻璃制造的，这种材料制作的微通道 板，为了使其有足够的电导率，需要对其进行氢热还原处理使表面产生导电层。这样， 在工作中长期受到电子的轰击会将氢热还原处理时残留的大量氢电离出来，成为正离 子，并沿电场方向反向迁移从而破坏光阴极，即离子反馈。为了阻止这种情况，通常会 在m c p 的输入面制作一层阻挡层。这层防离子反馈膜应满足尽可能多的电子透过和使 反馈正离子难以通过它而达到光阴极的双重要求。因此，膜层厚度应尽可能薄，对大多 数电子是透明的而对反馈的正离子形成足够的反射和吸收，不至因正离子轰击而损坏。 高强度无污染的a 1 2 0 3 薄层1 8 l 正是人们所关注的对象。a 1 2 0 3 薄膜密度大，表面纤维硬度 接近刚玉，对正离子阻挡能力高。a 1 2 0 3 薄膜可以分单晶、多晶和非晶三种状态。由阻 档正离子的机理可知，单晶薄膜能满足要求，但是单晶生长过程中的成膜温度高( 高于 m c p 烧氢温度) ，因此，不适于在m c p 输入面上制作。而多晶薄膜一般达到百n n l 或更 厚，电子透过时候损失能量太多，通常可以达到百伏特甚至是千伏特，所以多晶薄膜在 m c p 器件中也不能应用。超导研究表明，非晶态越2 0 3 薄膜连续性好，膜层厚度可薄到 3 - 5 n m ，电子透过时候能量损失约为1 5 0 2 0 0 v 。所以a 1 2 0 3 非晶态超薄膜是我们希望的 制作防离子反馈膜的材料。 制备非晶薄膜的方法很多，可归纳为液相急冷和从稀释态凝聚( 包括蒸发，离子溅 射，辉光放电，电解沉积等) ，以及离子注入，激光辐照等方法。 2 3 二次电子发射理论1 9 , 1 0 , 1 1 j 当固体受到电子轰击时，二次电子就会从材料上激发出来。这种现象是在1 9 0 2 年由 a u s t i n 和s t a r k e 首先观察到的，并被应用于发展电子倍增系统中。这些设备不仅被用于电 子增殖和探测，还可以用于探测离子、软x 射线和光子。在己知的所有的可以激发二次 电子的固体中，玻璃是最有前景的。这是因为玻璃可以被制成各种形状，并具有化学惰 性和宽广的光谱性能。 2 3 1 二次电子发射的基本概念 当入射的电子或原始电子轰击到固体的表面时，有一部分被弹性反射掉，其余的电 子进入到固体中。而在所有的这些进入固体的电子中，有一些电子会因与固体中晶格电 子发生非弹性碰撞而失去部分能量，并回到固体表面逸出，产生卢瑟福散射。这些电子 是最初的非弹性反射电子。大多数进入固体的最初的电子会激发晶格电子到更高能级， 并损失掉能量。这些被激发的电子向表面移动，其中的一部分逸出表面。这种现象叫“次 级电子发射或“二次电子发射”，它是电子发射中一种重要发射形式之一。一般称轰击 7 2 微通道板的原理、结构、工艺以及主要类型 硕上论文 物体表面的电子叫“源电子”或“一次电子”，从表面发射出来的电子称为“次级电子” 或“二次电子 。 “二次电子”的定义常包括所有从表面逸出并被正极收集器收集到的电子，然而其 中又有所区分： ( 1 ) 弹性反射掉的初始电子； ( 2 ) 非弹性反射的初始电子； ( 3 ) 真正的二次电子。 二次电子的数目与源电子的数目的比叫“二次发射系数，有时也称为“二次发射 比，是衡量二次发射性能的重要参数，用6 表示。在这个定义中，包括了以上所有三 种类别的散射电子。 而二次电子发射大致又分为以下几种类型： ( 1 ) 当用电子束轰击物体时，二次电子是从被轰击的表面发射出来的，称这种发射为反 射型二次电子发射，一般所说的二次电子发射也主要是指这一类型。 ( 2 ) 如果二次电子是从被轰击物体的背面发射出来，则称为投射型二次电子发射。 ( 3 ) 还有另一种类型是当被轰击的物体是绝缘体，本身没有二次电子发射，仅仅是在被 轰击区域内绝缘体瞬时变成导体，而一旦停止电子轰击又恢复绝缘体性能，称这种类型 的“二次发射 为电子轰击导电或电子轰击传导。 纯金属、半导体、绝缘体和一些复杂的组合物都会发生二次发射。通常纯金属的6 值较小，其最大值不过比1 稍大一点；而半导体和绝缘体的6 6 值则较大，有的可达6 8 ； 而一些复合体就是为了获得高二次发射系数而研制的，可达十几甚至几十。 2 3 2 二次电子发射的基本理论 二次电子发射的物理过程大致可分为三个阶段：首先是二次电子的激发过程。当一 次电子入射到发射体内部以后，就与发射体原子的壳层电子发生相互作用，使其受到激 发跃迁到导带或较高能级，一次电子能量逐渐损耗，速度变慢，成为导带内的“束缚” 电子。这些受到激发但未逸出的电子称为内次级电子。在单位距离内被激发的内次级电 子数目，显然是和一次电子的能量损耗成正比的；第二个阶段是内次级电子向表面扩散 运动的过程。内次级电子有一定的能量，它们的初速度分布是各向同性的，其中速度方 向指向发射体表面的那一部分就会向表面运动。在这个过程中，电子会与导带内的电子 碰撞，与品格原子碰撞等等。本身将部分损失或全部损失能量；第三个阶段是克服表面 势垒的逸出过程。当内次级电子在发射体内经过多次碰撞而运动到表面时，如果能量还 足以克服表面势垒的影响，它们就能逸出表面而成为真正的二次电子。 d e k k e r 己经提出了一套初步的理论来解释二次电子激发的基本特征。基本上该过程 可以分成两个部分：二次电子的发射和它们的逸出。下面列出了一种简化的方程式： 8 硕士论文体积导电微通道板的结构设计与特性模拟 6 = in ( x ) f ( x ) d x ( 2 1 ) 这里，z 是一个初始电子名l r n x + d x 的深度范围里激发的二次电子数，触) 是指在深 度为x 的地方发射的一个二次电子能到达表面并散射到真空管的概率。当积分范围延伸 到整个样品厚度时，d e k k e r 认为这个过程中有效范围只是一个厚2 0 0 a 的薄层。 二次电子的发射机理涉及初始电子射入固体，然后激发多个电子导致的能量损失。 所以，当初始电子撞击一个目标时，就存在一个函数( d e d x ) ，它对应于一个初始电子每 单位路径长度上的平均能量损失。这样对于一个初始电子发射的二次电子数量，就与 ( d e p d x ) 成比例关系，如下所示： ，2 ：一三孕( 2 2 ) 这里，e 表示发射一个二次电子所需要的平均能量。这样， 固体中二次电子是怎么样发射的。根据w h i d d i n g t o n 定律： d e p 一 彳 d xep ( x ) 这里的a 是材料常数。 2 3 3 材料中激发的二次电子 金属的二次电子散射有坚实的理论基础，然而对于绝缘体的二次电子散射过程，则 缺少足够的理论解释，因为绝缘体的二次电子发射过程涉及到填充带的电子激发，且这 些价带电子波函数还没有被准确表达出来。但是从定性的角度讲，金属和绝缘体的二次 电子散射本质还是可以被解释透彻的。 一般来说，金属的发射系数较低，介于1 o n l 5 2 _ 间。然而它们可以发射许多二次 电子，因为这些原子都相当大，带有许多松散的外层电子，同时它们的电离电压也相对 较低。从电子所处的能量方面看，金属的价带和导带重叠，由此产生一个“自由 电子 只需要少量能量。而金属的发射系数这么低的原因是低逃逸率的结果。由于带与带之间 相互重叠，二次电子会与自由电子相互作用，导致相对较高的平均能量损失。这样，金 属中二次电子的逃逸深度只能达n 3 0 a 。这样式( 2 1 ) 中金属的二次电子发射厚度f i x ) 就急 剧减小，最终导致金属的发射系数很小。 通常绝缘体都是化合物，它们的键强很强，电离电势很高。比起金属来，绝缘体中 的电子被牢牢地束缚住。因此很容易想到一个初始电子在绝缘体中能发射的二次电子应 该比金属中发射的少。一个初始电子在绝缘体中产生自由载体或二次电子比起在金属中 就要困难很多，因为价带与导带之间的间隙很大。 但事实上绝缘体的发射系数比金属的要大很多，它归咎于高逃逸率的结果。与金属 9 2 微通道板的原理、结构、工艺以及主要类型硕十论文 不同，二次电子在绝缘体材料中与晶格电子不互相干扰( 一种高能损失过程) ，因为良绝 缘体的特征就是能量间隙l t - - 次电子的能量大很多。这样，如果不完全禁止，电子就不 太可能从填充价带被激发。取而代之的是，二次电子在绝缘体中的逃逸过程主要决定于 二次电子与点阵振动相互作用，这是一种低能量损失的过程。因此绝缘体由于低表面阻 碍( 电子引力小) ，它们的有效逃逸深度就可以达至u 2 0 0 a 。因此声子相互作用的低能量损 失过程使绝缘体具有高二次电子逃逸率，增益也就更大。 玻璃的二次电子曲线【9 j 是由s a l o w 首先使用脉冲的方法得到的。b l a n k e n f e l d 也测试了 不同玻璃的二次电子曲线。他们的结果列于图2 5 ，m u e l l e r 从2 4 0 c 到4 2 0 测试了耐热 玻璃的二次电子发射曲线，结果列于图2 6 ，这些曲线之所以有不同值，是因为玻璃的电 阻发生了变化。 3 籁 垛 惑- - b - , 2 m 脚 莆1 01234567 初始电子能量( k e v ) 图2 5s a l o w 和b l a n k e n f e l d 狈1 得的不同玻璃的二次电子发射曲线 二次电子从玻璃中激发出来的特点可以归纳为以下几点： ( 1 ) 最大产值为2 到4 ； ( 2 ) 二次电子的发射曲线彼此相似，与绝缘体的发射曲线也相似； ( 3 ) e p ，m 在3 0 0 4 0 0 e v 范围内； ( 4 ) 在能量为2 0 一3 0 e v 时就出现第一次交换。 绝缘体的二次电子发射曲线形状不同于金属的曲线，因为它们的电子结构不同，也 就导致了不同的二次电子散射过程。另一方面，氧化物玻璃的二次电子散射过程至少与 绝缘体相似，因为它们的键合、电子性能和二次电子曲线形状类似。 特别的，玻璃基本上不受温度的影响。b l a n k e n f e l d 的实验结果表明，在初始能量不 变的情况下，温度直到4 5 0 增益还能保持常数。 l o 硕士论文体积导电微通道板的结构设计与特性模拟 的 籁 1 谣 杂 越 m 翘 ：憋 11 e p ( e v ) 图2 6 耐热玻璃的二次电子发射对初始电子能量图 2 3 4 影响二次电子发射系数的因素 不论是纯金属，还是半导体和绝缘体的二次发射，其发射系数不仅与一次电子的能 量有关，而且还与一次电子的入射角、表面状况、逸出功、温度以及物质密度等因素有 关。 2 341 功函数的影响 如前所述，当材料受到电子轰击时就会发射出电子。在入射的或最初的电子入射到 固体表面时，一部分被弹性反射，其余的部分穿透固体。这些穿透的电子与晶格电子发 生非弹性碰撞，一部分损失在固体中，另一部分则发生卢瑟福散射。这些穿透电子从表 面返回并逸出，这样的电子是非弹性反射的最初电子。进入固体的最初电子大部分都会 损耗自己的能量激发晶格电子到较高的能级，于是受激电子( 真正的“二次电子”) 向表 面运动，同时一部分从固体表面逸出。通过集电极收集的“二次电子 常常包括所有从 表面逸出的电子。 因此，固体最大二次电子增益系数6 可表达为： 6 研_ o 9 x 学6 州( 2 4 ) ， o 【 b 为逸出几率； 沩二次电子激发能； 2 微通道板的原理、结构、丁艺以及土要类型 硕士论文 a 为最初电子吸收常数； 0 【为二次电子吸收常数或平均自由程倒数。 在最大二次电子产额为峰值时入射能量为： 4 = 2 3 f ，= 尸4( 2 5 ) 仪 由以上公式可看出，二次电子发射主要取决于表面功函数。所谓功函数就是指电子 从它在金属中所占据的最高能级迁移到真空介质时所需的功，表示电子在物体中受到的 束缚力的强弱。功函数越大，热电子越少，电子越不容易离开物体。 因为二次电子发射包括低于所考虑的表面层深度上的“热电子”，所以二次电子发 射主要通过固体基体性质起作用，这意味着具有低功函数的材料可以是良好的热离子或 光电子物质，具有不影响二次发射的特点。 一般来说，金属具有低的二次电子发射系数，其6 在1 0 1 5 e v 附近。绝缘体的二次 电子发射系数比金属大得多，因为它产生的二次电子不与晶格电子相互反应( 高能量损 耗机理) 。在绝缘体中二次电子逸出过程决定于晶格振动相互作用，不是低能损耗机理。 具有低表面载流子( 电子亲合力) 的绝缘体有效逸出深度可达2 0 n m 。最大逸出深度可达到 5 0 一l o o m ，电子轰击二次电子发射系数为6 = 1 5 - 2 5 。玻璃的二次电子发射曲线形状与 绝缘体类似，最大二次电子发射系数从2 到4 ，最大发射初始能e o m = 3 0 0 - 4 0 0 e v 。 2 3 4 2 一次电子能量的影响 二次电子发射系数6 与一次电子能量e p 之问关系十分密切，6 是e p 的函数。e p 及其6 最大时所对应的一次电子能量e p m 是二次电子发射的两个特征参量，它们代表着不同物 质的二次电子发射本领。6 一e p 二次发射曲线具有极大值的原因是当一次电子能量较小 时，入射深度较浅，物体内部被激发的电子总数较少，所以二次电子发射也小；当一次 电子能量较高时，入射深度较深，这时虽然激发的电子总数较多，但激发的电子大多数 处在物体内部的深处，当它们向表面运动时，又要与各种粒子发生碰撞，损失能量较多， 逸出机会就少，因而次级发射也较小。显然，介于上述两者之间，必有一个最佳能量， 在该能量下激发电子多，逸出的也多。 二次能量的分布取决于最初的能量。低能二次电子相对数随着最初能量增加而增 加。因为当最初的能量处于低能时，二次电子的形成靠近表面，因而在晶体中通过相互 作用不损失能量就可逸出许多电子。在最初能量高时，二次电子在材料中较深处产生， 二次电子通过与晶格相互反应损耗能量，于是有较小能量的二次电子随着最初能量增加 而产生。 半导体和绝缘体的6 值之所以很大，是因为它们的导带都是空带。一次电子主要激 发满带中的电子，故其在体内作扩散运动到达高潮时，与其它粒子碰撞机会少，能量损 失也小，故二次电子发射系数6 就大。 1 2 硕士论文 体积导电微通道板的结构设计与特性模拟 2 3 4 3 表面粗糙度的影响 实验证明，对于同一种材料，在相同的一次电子能量e d 下，粗糙度大的表面，其二 次电子发射系数6 较低，而表面光滑的则6 大。这是因为当表面粗糙时，有一部分二次电 子逸出表面不远后又被原物质吸收所致。因此，将表面打毛或喷上一层粗糙的金属粉末 常常是降低二次电子发射系数的有效方法。 2 344 吸附膜和吸附气体的作用 一般说来，固体表面总是被吸附膜所覆盖。这是因为新鲜表面具有较强的表面力， 能迅速从空气中吸附气体或其它物质来满足它的结合要求。吸附膜的形成改变了表面原 来的结构和性质，还会改变金属材料的功函数，从而改变它们的电子发射和化学活性。 当吸附物的电离势小于吸附剂的功函数时，电子则从吸附物移到吸附剂表面，降低金属 的功函数。反之，当吸附物是非金属原子时，若其电子亲和能大于吸附剂功函数时，电 子将从吸附剂移向吸附物，从而提高了吸附剂的功函数，改变了电子发射能力和转移方 向。 吸附气体常常是造成二次电子发射系数6 变化的原因。这是因为一旦次级发射体表 面吸附气体，它便与金属发生化学反应形成化合物，这就相当于使金属导体变成了半导 体或绝缘体，使导带变成了空带。当一次电子入射到体内产生次级电子，这些次级电子 又向表面扩散时，能量损失较小，故6 变大。 2 345 入射角的影响 实验指出，对于同一种物质并在同一一次电子能量e p 下，一次电子的入射角愈大， n - 次电子发射系数6 也愈大。此外，这个现象随着一次电子能量b 的增高，增加越显 著。 2 3 4 6 温度的影响 温度对于金属的二次电子发射系数6 的影响很小。这主要是因为，当温度改变时， 金属内部的大部分自由电子的动能变化并不大，因此，它还会影响一次电子与金属中电 子之间的能量交换过程，和被激发的内二次电子向表面扩散的过程。然而，对于某些半 导体和绝缘体，如氧化镁，锑的次级发射体来讲，在一定条件下，其二次电子发射系数 6 与温度是有关的。此外，晶体结构的变化对与纯金属的二次电子发射影响很小，甚至 到了难以检测的情况。 由此可见影响二次电子发射系数6 的因素有很多，其中主要包括一次电子的能量e 口， 入射角，材料的逸出功，吸附气体和温度等。二次电子的时滞性很小，且二次电子发射 系数与一次电流的强度无关；与热电子发射一样，有热噪声等。 2 4 微通道板的主要类型 还原铅硅酸盐玻璃微通道板( r l s g - m c p ) ：早在1 9 3 0 年，p t f a m s w o r t h 等人就提 1 3 2 微通道板的原理、结构、工艺以及主要类型硕士论文 出把电子倍增器中的分立打拿极合并为连续打拿极的概念。至j j l 9 6 0 年，美国的b e n d i x 公 司和英国的m u l l a r d 公司同时研究出了单通道电子倍增器。7 0 年代以来，国外m c p 技术 得到了迅速发展，有普通微通道板，低噪声微通道板，长寿命微通道板，弯曲通道微通 道板和高输出技术微通道板等；为了一些特殊的需要，有时将二块或三块m c p 串联起来 成v 型或z 型的方式工作，如图2 7 所示。但是，玻璃多纤维拉制技术的固有缺点和局限 性，阻碍了微通道板性能的提高和应用领域的扩大。 单个m c p j 厶 飞 v 型 之 留 髟遗 多 、 、 、多 、 、 、 一 、 、 多 多 萋 、 芒一一 、 、 、 、 、 太。 z 型 图2 7 串联成的v 以及z 型m c p 2 4 1r l s g m c p 2 411 直通道m c p ( 二代m c p ) r l s g m c p 问世后首先在军事上应用于二代微光夜视器件中，通常称之为二代 m c p 。采用的是传统玻璃多纤维拉制工艺，采用高铅玻璃皮料和钡硼玻璃作为可溶芯料， 烧氢温度在4 0 0 。c 左右，软化温度为5 2 0 。c ；六角形排列，探测效率( 开口面积比) 约为 5 5 ，长径比a = 4 0 5 0 ，通道轴线与端面倾角为5 0 - 1 3 0 ，通道孔径为1 0 - 1 3 1 t m ，中心距 为1 3 1 5 1 t i n ，体电阻为1 0 0 5 0 0 m f 2 ，稳定电子增益为5 x 1 0 3 ( v m = 9 0 0 v ) 。直流工作状 态下，工作寿命可达到2 0 0 0 小时。这种m c p 工艺比较成熟，但为了制造微孔( 微孔尺 1 4 硕士论文体积导电微通道板的结构设计与特性模拟 寸 6 i - t r n ) 、大面积m c p ，大动态范围和高性能指标的m c p 是比较困难的。 2 4 1 2 长寿命微通道板( l 2 m c p 即三代m c p ) 0 2 j 3 1 随着科学技术的发展，尤其是军事和空间技术的需要，对与m c p 的性能提出了更 高的新要求。八十年代初期，长寿命微通道板问世，首先应用于三代微光像增强器中。 三代m c p 首先解决的是长寿命、低噪声问题，这两个问题与材料的选择和最佳工艺技 术密切相关。在高性能的玻璃材料成分中不含k 、n a 等碱金属和放射性同位素4 0 k 。这 种材料有足够的电导率，高而稳定的二次发射系数( 8 = 3 4 ) ，低的暗发射电流 ( j 5 0 0 0 ，噪声系数f i 8 ，寿命高于6 0 0 0 小 时。 2 4 1 3 弯曲通道微通道板( c 2 m c p ) 1 1 4 ，1 5 ，1 6 】 为了某些特殊需要，在1 9 7 9 年到1 9 8 1 年间美国g a l i l e o 电子光学公司研制了弯曲 通道微通道板，能有效地防止正离子反馈( 反馈率减小至0 5 - 0 1 5 ) ，其增益可达1 0 6 ， 噪声因数f 为1 0 5 1 8 ，空间分辫率为2 4 5 2 1 p m m ，脉冲计数模式下，暗计数率0 0 1 个c m z s ，可单片使用，不存在v 、z 型模式m c p 探测器有时不稳定的问题。但c 2 m c p 工艺难度大，造价昂贵。应用领域：直流工作状态时，可用于各类像管、条纹管、实时 成像处理机和超快速光电倍增管等；在脉冲工作模式下，在单光子计数，u v ( u l t r a v i o l e t ) 和x 射线应用范围内是有效的，尤其是空间科学的分析仪器如太阳球型观测台和空间望 远镜成像摄谱仪最为典型。 2 4 1 4 高输出技术微通道板( h o t - m c p ) 1 1 7 l 为了适应维持高的输出电流和动态范围场合的需要，在八十年代出现了高输出技术 微通道板，它集常规l 2 m c p 的全部优点于一身，尤其是通过使用l 2 m c p 材料的同时， 修改了加工工艺，提高了热失控限度，使电导率重新分布，使得这种m c p 的稳定工作 能力较标准m c p 高出6 0 倍。线性特性( 输出电流与输入电流之比的线性范围) 好；在直 流电压保持稳定的前提下，输出电流可达1 0 4 a ( q 0 4 0 m m ) ，而标准的m c p 为1 0 。a 。动 态范围( 最低和最高探测信号范围) 在标准状态下可提高1 5 0 倍；其可在5 0 0 条件下进 行氢还原处理，在3 5 0 。c 条件下工作，而标准m c p 的工作温度不得超过2 0 0 。其可用 于空间光调制器、高亮度摄影和超快速阴极射线管中。 2 4 1 5 超小孔径微通道板( u s p m c p ) i 堪i 为了适应成像器件对高时间和空间分辫率以及高动态范围的要求，八十年代就开始 1 5 2 微通道板的原理、结构、工艺以及主要类型 硕十论文 了超微孔微通道板的工艺研究，由于精密纤维拉制技术和腐蚀技术的新发展，使得最小 孔径6 岫的m c p 得以问世，用其装制的微光像管的分辫率已经达到6 0 8 0 1 p m m 。二十 世纪末期，5 岫孔径的m c p 己在美国i t t 公司问世。 2 4 2 先进技术微通道板( a t m c p l 上世纪九十年代初期，美国g a l i l e o 电子一光学公司的j r h o r t o n 等人提出利用半导 体微细加工技术制造m c p 的新技术途径，并称由此技术制作的微通道板为先进技术微 通道板。文献中相继报道了孔径为3l i m ，中心距为4 1 a m ，深度为4 0 p m 和方孔边长为4 1 t m ， 中心距为6 岬，深度为5 5 1 t m 的微孔列阵刻蚀结果，以及连续打拿极材料二次发射特性 的实验研究，这种新型微通道板一旦获得成功，就能从根本上摆脱目前采用的 r l s g - m c p 生产中出现的g m d 工艺和后继氢还原之问相互牵制的困难，将m c p 基底 与打拿极材料的选择分开；微孔深通道列阵的制作与连续打拿极的形成分开，彻底解决 了m c p 材料热拉制性能与优异电性能间的矛盾，也给使用高纯原料和先进半导体工艺 制作打拿极创造了条件。 2 4 3 体电导玻璃微通道板( b c g m c p ) 1 2 , 1 9 , 2 0 i 所有的三代管都在光电阴极和微通道板之间采用了防离子反馈膜。防离子反馈膜限 制了微通道板放大器对光电阴极的反馈，使像管的寿命延长至1 0 0 0 0 个工作时以上。但 它也有缺陷，也就是说它会散射或吸收由光电阻极发射的电子，会牺牲像管的增益，这 样就会降低像增强器装置的信噪比和鉴别率。最近由于采用了新材料和改进了m c p 生产 技术，使l i t t o n 公司可以摒弃采用具有防离子反馈膜的m c p 。 l i t t o n 公司在制造体电导微通道板时考虑过多种材料。人们很自然地选择诸如硅这 类的半导体材料。但是在深人研究了m c p 内部的电场后，人们便很快放弃了这种选择。 尽管硅的价格低廉，且方便获得，硅的处理技术也相当成熟，但是用硅制作的体电导微 通道板不能用作像增强器内部的电子放大器，因为它不能承受高压电场的作用。出于同 样的理由，还有其他一些半导体材料也很快被淘汰。由y i 先生和y u 先生研究的磷酸盐玻 璃立刻成为试制b c g m c p 的最有希望的候选材料。y i 和y u 先生有关磷酸盐玻璃的试验 表明，用磷酸盐玻璃制造的m c p 在相当于通常像增强器所具有的电压下，仍具有高增益。 此外，磷酸盐