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工程硕士学位论文微通道板光电倍增管性能研究 摘要 微通道板光电倍增管( m i c r o c h a n n e lp l a t ep h o t o m u l t i p l i e r ，简称m c p - p m t ) 是指以微通道板为电子倍增系统的光电倍增管，与传统的静电聚焦打拿极结构的光电倍 增管( p m t ) 相比，这种以微通道板代替打拿极结构、以近贴聚焦代替静电聚焦管型结构 的光电倍增管，首先在结构上使得电子从光电阴极到阳极的运动距离大大缩短，再加上 微通道板的电子倍增特性，决定了这种结构的光电倍增管具有许多特定的性能。研究这 些性能，对于设计、制造性能优良的m c p p m t 以及正确选择和使用它将具有重大的指导 意义。 根据微通道板的特性并结合近贴聚焦电子光学系统的相关特点，本论文重点研究了 m c p - p m t 的时间响应特性、脉冲计数特性、抗电磁场干扰特性以及增益、暗电流等性能， 探讨了相应的测试方法和应用特点。在时间响应特性研究中，通过建立电子倍增过程物 理模型，模拟计算相关时间响应特性，并与现有产品的实际测量结果进行对比，为设计 超快速响应的光电倍增管提供了理论依据。最后本文综合评述了m c p p m t 的发展和改进 的方向及今后技术趋势。 关键词：微通道板光电倍增管近贴聚焦时间响应脉冲计数增益噪声 a b s t r a c t m i c r o c h a n n e lp l a t e p h o t o m u l t i p l i e r ( m c p p m t ) i sak i n do fp h o t o m u l t i p l i e rw h i c h e l e c t r o nm u l t i p l i e r s ( d y n o d e s ) i sm i c r o c h a n n e lp l a t e ( m c p ) c o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a l e l e c t r i c s t a t i c f o c u s e dd y n o d es 仃u c n l r ep m t , t h e s ek i n d so fp h o t o m u l t i p l i e r sw h i c h u s e dm c p s ( n o td i s c r e t e d y n o d e ss t r u c t u r e s ) a n d p r o x i m i t y - f o c u s e ds t r u c t u r e ( n o t e l e c t r i c - - s t a t i c - f o c u s e dd y n o d es 1 n l c t u r e ) h a v em a n yg o o dp e r f o r m a n c e s a l lo ft h e s ea r e o r i g i no ft h es h o r td i s t a n c eb e t w e e np h o t o c a t h o d ea n da n o d e ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so f m i c r o c h a n n e lp l a t e b yi n v e s t i g a t i o na b o v em c p p m tp e r f o r m a n c e s ，i tw i l l d i r e c tu st o d e s i g n m a n u f a c t u r eb e t t e rp r o d u c t s ，a n dh e l pu st oc o r r e c tc h o o s ea n d u s et h e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fm c p sa n dr e l a t i v ep e r f o r m a n c e so fe l e c t r o n - o p t i c a l s y s t e mo fp r o x i m i t y f o c u s e d ，t h es t r e s si sr e s e a r c ht h et i m er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s ，p u l s e c o u n t i n gp e r f o r m a n c e s ，m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c e so fg a i n ，d a r kc u r r e n t ，e t c t h em e a s u r e m e n tm e t h o d sa n da p p l i c a t i o nf i e l d sa r ed i s c u s s e d i nt h ep r o c e s so fi n v e s t i g a t i o n o ft h e i rt i m er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep h y s i c sm o d e l sa r ef o u n d ，s o m ei n d e xr e l a t i v et o t i m ec h a r a c t e r i s t i c sa r ec a l c u l a t e dw h i c hc o m p a r et om e a s u r ev a l u e a l lo ft h e s ew i l lp r o v i d e t h e o r yb a s et od e s i g nu l t r a - f a s tr e s p o n s em c p p m t f i n a l l y , r e v i e w t h e i rd e v e l o p m e n t d i r e c t i o na n dt r e n d k e yw o r d s ：m i c r o c h a n n e lp l a t e p h o t o m u l t i p l i e r , p r o x i m i t y f o c u s e d s l m c n 鹏t i m e i i r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s ，p u l s ec o u n t i n gp e r f o r m a n c e s ，g a i n ，d a r k c u r r e n t 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： 叫年舌月衫日 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： 刮“日 工程硕士学位论文微通道板光电倍增管性能研究 1 绪论 1 1 课题背景和研究意义 微通道板光电倍增管【l 1 引( m c p p m t ) 以其快速的时间响应、良好的脉冲分辨能力、 优越的抗磁场性能、可获得二维信息能力以及结构紧凑、体积小、重量轻、能耗小等特 点，在切伦科夫辐射探测、时间相关计数、等离子体诊断、时间谱仪等领域【1 6 - - 2 4 , 4 0 】得到 广泛应用。随着现代科学技术的飞速发展，高精度的科学仪器必须优先发展，以快响应、 抗磁场等优良特性的m c p p m t 为核心的探测仪器正处于广泛应用之中。研究这种探测 器的性能，探索进一步改善其相关技术指标的可行性，重点讨论微通道板性能的提高对 于以此为倍增器的m c p p m t 总体性能的改善有何帮助，对于加快我国同行开展这方面 的研制和工程化工作，具有一定的参考价值。 鉴于高性能m c p p m t 潜在的市场需求，再加上国内在高灵敏度阴极制造技术、小 孔径微通道板制造技术、真空器件制造技术以及快速电子学设计技术等方面已经达到或 接近欧洲先进技术水平，研制并批量生产高质量的m c p p m t 的时机已经成熟。特别是 北方夜视技术股份有限公司通过引进欧洲d e p 公司的超二代微光像增强器制造技术， 经过消化吸收，使我们在高灵敏度光电阴极和高质量的真空制管工艺领域获得了许多自 主的知识产权；同时，近年来我们完全依靠自己的研发能力，在6 p , mm c p 的研究和工 程化方面，取得了累累硕果：先后获得国防科技进步二等奖和中国兵器工业集团公司科 技进步一等奖，并且大批量生产，不断出口俄罗斯和印度等国。所有这些技术进步，为 研制并批量生产高性能m c p p m t 创造了条件。本文试图通过对这种光电倍增管的时间 响应特性、光子计数特性、增益噪声特性和其它特性的研究，为下一步立项设计、制造 m c p p m t 提供理论支持和技术参考。可以预见，如把我们的多碱阴极6 0 0 1 t a l m 以上 灵敏度工艺技术、5 p , mm c p 的研究成果和超二代近贴制管工艺以及超快速电源选通技 术通过工艺整合，制造出的m c p p m t 将是国际上最高端的产品。这种产品在国际市场 上售价相当可观，并且可以打破国外禁运，为我国国防建设提供高端探测器，其意义非 同小可。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 国内研究微通道板光电倍增管的主要单位有中电集团第5 5 所、中国兵器工业集团 l 绪论工程硕士学位论文 第2 0 5 研究所，中国科学院西安光机所也曾有人开展模拟计算以及理论方面的研究工作， 北方夜视技术股份有限公司也在开展前期的研究工作。其中中电集团第5 5 所【4 ，9 ，1 3 , 1 5 1 7 , 儿j 开发的管型最多，他们通过总装备部电子元器件新品项目的支持，目前能够小批量生 产多种型号和规格的m c p p m t ，为国防科技装备配套解决了燃眉之急，每年有近2 0 0 只产品，主要以两块微通道板构成“人”字型结构作为倍增极，阴极有日盲型、多碱和砷 化镓等。中国兵器工业集团第2 0 5 研究所【1 4 】曾为核探测领域研制过多碱阴极的 m c p p m t ，主要是在18 18 m m 的管型上制作以两块微通道板构成“人”字型结构作为倍 增极的原理样机。西安光机所光电子学研究室近年来在极紫外多阳极探测器领域开展了 大量卓有成效的研究工作，科技日报等新闻媒体予以报道过。北方夜视技术股份有限公 司有意把光电倍增管作为未来发展支柱民品产业而列于公司发展规划之中，并关注多阳 极m c p p m t 作为医疗诊断设备p e t 的核心探测器的进展。 1 2 2 国外研究现状 自上世纪七十年代以来，国外部分研制普通光电倍增管、微通道板甚至制造微光像 增强器的单位先后开展了m c p p m t 的研制及生产等业务，经过大浪淘沙，到现在能够 小批量或批量生产的单位也只有日本的浜松光子株式会社、美国的i t t 公司、总部在法 国的p h o t o n i s d e p 公司( 原来在美国也生产m c p p m t 的b u r l e 公司 2 5 1 也被该公司收购) 和俄罗斯圣彼得堡的电子中心研究所。相对而言，日本的浜松光子株式会社【2 4 j 的技术水 平较高，产品的型号和规格也最多，在全球的销售量最大；而俄罗斯电子中心研究所则 进展非常缓慢。详细情况可参考上述单位的网站，在此不作过多的评价。 1 3 研究内容和论文安排 本课题主要就m c p p m t 的时间响应特性、脉冲计数特性、增益特性、抗磁场特 性以及其它特性进行比较深入地研究，并就有关测试提出测试方框图；在此基础上，就 m c p p m t 的性能扩展及其发展趋势做简要分析，为下一步全面开展该领域的研究工作 提供相关技术基础。 2 工程硕士学位论文 微通道板光电倍增管性能研究 2 微通道板光电倍增管的工作原理、结构、性能特点及应用领域 2 1 微通道板光电倍增管的工作原理、结构、性能特点 2 1 1 微通道板光电倍增管的工作原理 在介绍微通道板光电倍增管( m c p p m t ) 的工作原理之前，先简要介绍一下传统打 拿极结构的光电倍增管的工作原理。光电倍增管是一种能将微弱的光信号转换成可测电 信号的光电转换器件，这种实现光电子转换、放大( 也叫倍增) 的过程均在一个小型真 空器件内完成，它由光电发射阴极( 光阴极) 和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极( 阳 极) 等组成。当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子( 外光电效应) ，这 些光电子在聚焦极电场的作用下，进入倍增系统，与第一打拿极碰撞后，产生倍增的二 次电子，这些二次电子在随后各个打拿极中得到进一步的倍增放大，最后把放大后的电 子用阳极收集并作为信号输出。典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧 窗式两种类型。图2 1 所示为端窗型光电倍增管的剖面结构图，并初步展示出其光电转 换和电子倍增的工作原理。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、 可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声；另外， 其还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。 入 聚焦援 图2 1 端窗型光电倍增管的剖面图 m c p - p m t 就是将上述光电倍增管内部的倍增系统由原来复杂的多级打拿极静电聚焦 结构改成了一块或数块微通道板并与光电阴极和接收阳极组成的双近贴结构，如图2 2 所示。 3 2 微通道板光电倍增管的工作原理、结构、性能特点及应用领域工程硕士学位论文 t 逼寓t 囊人ri = 1 图2 2 光电倍增管结构示意图 由于微通道板( m i c r o c h a n n e lpl a t e 简称mcp ) 是一种两维的连续二次电子倍 增的电真空器件，这种器件是由数以百万计的连续打拿极的单通道电子倍增器( si n g l e c h a n n e le l e c t r o nm u l t i p l i e r ，简称s c e m ) 通过热融合而粘接在一起的，在两个端面 上蒸镀电极后，就能够对输入到其输入端面上的电子、荷电粒子以及部分含能光子( 紫 外、x 一射线等) 进行倍增或放大，因此被广泛应用于微光像增强器和其它探测器之中。 图2 3 就是带有实体边的微通道板结构示意图。 4 n i 电报 输入电子 图2 3 微通道板( m c p ) 结构示意图 导电晨 璃多f 缝 图2 4 通道电子倍增器倍增电子的原理图 工程硕士学位论文 微通道板光电倍增管性能研究 考虑到微通道板倍增电子是基于各个通道电子倍增器来实现的，其工作原理可以借 助于单通道电子倍增器来阐明，图2 4 即是sc em 倍增电子的原理图。实际上，通道 电子倍增器是一种连续分布型的二次电子发射极电子倍增器，这种倍增器是把通常分离 型光电倍增管二次电子发射极结构的功能和在二次电子发射极之间分配电位的电阻器 的功能结合在一体的器件，即连续电子倍增器件。稳定的二次电子倍增过程的实现是靠 特种铅铋硅酸盐玻璃经过氢还原处理后，在表面、亚表面和体内形成特定结构来完成的。 当在输入、输出两端面的电极上加上电压时，在通道中便建立了一个轴向电场，一次电 子( 或荷电粒子亦或含能光子) 入射到通道的输入端，产生按一定能量和角度出射的二 次电子，这些二次电子在轴向电场的作用下，将以抛物线的轨迹沿着电场方向再次与通 道壁相碰撞，产生更多的二次电子，如此周而复始，直到从通道输出端发射出为止。把 输出电子数( 或电流) 与输入电子数( 或电流) 的比值定义为增益。 微通道板的每一个通道是一个微型化后的单通道电子倍增器，其增益与所加电压、 长径比和二次电子发射特性有关，而与其绝对尺寸无关。描述微通道板的技术参数很多， 涉及到m c p - p m t 所关切的指标，主要由电阻、真空除气后的增益( 也称电子增益) 、噪 声性能、时间响应和抗电磁场特性等指标，在此不作展开论述。 2 1 2 微通道板光电倍增管的结构 图2 5 为m c p - p m t 的一个最典型的结构，它包括输入窗口、光电阴极、两块微通道 板和收集阳极。光子透过输入窗在光电阴极处产生光电子，光电子进入微通道板的通道 与通道内壁碰撞产生二次电子，这些二次电子在通道内多次碰撞产生更多的二次电子， 最终有大量的二次电子被阳极收集，从而得到放大的信号输出。 图2 5 典型的m c p p m t 横截面图 5 而图2 6 则为灌封后的外形图。微通道板到阴极的距离为2 r a n ，构成所谓的近 贴聚焦结构，两块微通道板的通道轴向构成“人”字形结构，以获得更高的增益。 图2 6 典型m c p _ p m t 的外形图 将各个电极按图27 所示从真空系统引出构成完整的电路图。 ” 信号输出 图2 7 典型m c p - p m t 电极引线及电路图 正是在上述思路的基础上，自上世纪七十年代以来，由于市场需求和技术的不断进 步，适用于不同应用场合的不同型号和规格的微通道板光电倍增管得到迅速发展。由早 期的螗o c s ( s1 ) 光电阴极和一块微通道板及单一阳极的简单结构的m c p p m t 发展到今 天这样品种多样、性能齐全的m c p p m t 系列。从光电阴极的种类来看，几乎所有微光像 增强器的阴极都被成功地应用于m c p p m i 的光电阴极之中，如银氧铯、双碱、多碱、锑 铯、碲铯、金、碘化铯以及负电子亲和势g a a s g a a i a s 光电阴极等等：从倍增系统的结构组成来看，有单一微通道板、两块微通道板构成的“人” 字型微通道板、三块微通道板组成的“z ”字型微通道板，就后两种结构而言，又存在 着两块微通道板之间有无间隙以及间隙是否加有电场之分；而微通道 工程硕士学位论文微通道板光电倍增管性能研究 板本身又有不同孔径之分。为了进一步防止离子反馈，往往还采用在靠近光电阴极的那 块微通道板的输入端蒸镀离子阻挡薄膜或者干脆采用弯曲通道的微通道板等等；就阳极 而言，有单阳极、多阳极和延迟线阳极之分；按照m c p p m t 的工作状态又可分为直流工 作状态、脉冲工作状态和选通工作状态。就选通而言，有直接在光电阴极和微通道板之 间加选通电源和在光电阴极和微通道板之间增加一个选通栅网、甚至在微通道板输出端 与阳极之间加选通电压之分。所有这些，构成了m c p p m t 的庞大家族。 2 1 3 微通道板光电倍增管的性能特点 m c p - p m t 除具备一般打拿极光电倍增管的应有性能之外，由于微通道板本身的 快速时间响应、比较好的脉冲高度分布和较强的抗磁场能力，再加上采取前后近贴结构， 使得这种光电倍增管把微通道板的上述性能发挥得更好。下面简单介绍这种光电倍增管 的主要性能，详细内容将在后续内容中进行深入讨论。 2 1 3 1 快速时间响应 m c p p m t 的电子渡越时间约为0 5 n s 或更低，上升时间约为0 3 n s 甚至更低， 而脉冲半高宽则约为0 4 n s 以下，均在亚纳秒甚至几十皮秒量级，而普通打拿极的p m t 仅上升时间一般都在纳秒数量级，如表2 1 所示。 表2 1p m t 与m c p - p m t 主要性能比较 灵敏度工作电压 上升时间暗电流 型号产地管种电流增益 p a l m v ( n s )( n a ) g d b - 4 0 4 华东电子 p m t1 5 01 0 0 06 7 1 0 41 5 02 r 1 3 8 7 日本浜松 p m t1 5 01 0 0 03 3 x 1 0 62 84 f 4 0 8 5 美国i t t p m t1 7 55 0 0 01 o 1 0 41 5 c y 二1 1 7 俄罗斯 p m t2 3 01 6 6 01 o 1 0 552 5 f 4 1 2 9 美国i t t m c p p m t2 0 0 2 6 8 01 0 x 1 0 6 0 2 52 r 3 8 0 9 5 0 日本浜松 m c p p m t7 03 0 0 02 1 0 50 1 5o 2 c y 二1 6 5 俄罗斯 m c p p m t1l o 2 4 0 01 0 x 1 0 5 0 33 g d b 6 0 2 5 5 所 m c p p m t1 2 0 2 4 0 05 1 0 5 0 3 c n ) 时， 介质将产生光辐射。这种辐射具有很强的方向性，且传播的方向与粒子运动方向的夹角 为：a r c e o s ( c n v ) 。这种辐射很弱，发光时间很短( 小于l n s ) ，光谱成分主要是以紫外 光为主的连续光谱，辐射能量反比于波长的立方。 ( 2 ) 对探测器的要求 切伦科夫辐射的性质要求探测器必须具备：窗材料对紫外吸收少，一般要求其为石 英或透紫玻璃；时间响应快，响应的半高宽在o 1n s 以下最好；由于这种辐射很弱， 故要求探测器阴极的量子效率高，暗计数低。只有选择m c p p m t ，方可以探测到这种辐 射。 8 工程硕上学位论文 微通道板光电倍增管性能研究 2 2 2 时间相关计数 时间相关计数是将光子计数与快速时间响应相结合的一门技术，这一技术要求光电 倍增管要有较大的动态范围、快的时间响应并具有计数能力。而这些特性，正是m c p p m t 所具备的。也正是基于此，m c p - p m t 被广泛应用于时间相关计数之中，用来研究生物材 料的能量传递动力学、脱氧核糖核酸( d n a ) 结构、半导体材料杂质分析、与分子驰豫 相联系的荧光衰减等领域。 2 2 0 其他领域中的应用 ( 1 ) 等离子体诊断 这一研究需要光电倍增管具有较大的峰值输出电流和较高的带宽( 大于1 g h z ) 。较 大的峰值输出电流，要求倍增管的平均阳极电流也要大，亦即微通道板的带电流高，故 在此种类型的m c p - p m t ，其m c p 采用低电阻值m c p ；高的带宽要求脉冲响应的时间极短， 即小于3 0 0 p s 。 ( 2 ) 高能物理中的闪烁计数器 m c p - p m t 不仅开辟新的应用领域，而且给传统的应用p m t 领域带来许多生机。前苏 联科学家采用n a i ( t 1 ) 闪烁晶体，获得的1 3 7 c s 能量为6 6 1 7 k e v 的伽马射线谱，用 m c p - p m t 探测，得到的能量分辨率为1 0 9 6 、等效噪声能量小于l k e v 、振幅的非线性1 。 如果采用快符合技术，使符合电路的时间分辨率小于l o o p s ，就有可能甄别4 0 k 、8 2 r b 和 宇宙射线引起的本底噪声，再将其与符合和反符合技术结合在一起，可以使得液体闪烁 技术其探测性能又跨一个台阶。 ( 3 ) 时间谱仪 在核物理实验中，经常需要测量核事件之间极短的时间间隔，如测量核发态的寿命， 粒子飞行时间，正电子湮灭寿命等，这些装置被称为时间谱仪。它要求p m t 具有好的时间分辨率，m c p - p m t 正好具备这种性能，可以应用于这方面的测量。 9 3 微通道板光电倍增管的时间响应特性研究 工程硕士学位论文 3 微通道板光电倍增管的时间响应特性研究 3 1 描述时间响应的几个参数 光电倍增管是一种指数型快速时间响应的光探测器，它的时间响应主要由从阴极发 射的光电子经倍增后到达阳极所需的渡越时间和每一个光电子渡越时间差来确定的。光 电倍增管的信号脉冲在从光电阴极到阳极的倍增过程中被加宽，这是由于光电子和二次 电子的发射角度分布和初速度分布以及聚焦效应导致的。在m c p - p m t 中，光电阴极和微 通道板之间以及微通道板和阳极之间所加电场是几乎平行的强电场，故光电子或二次电 子发射角度分布和初速度分布差异几乎可以不予考虑，由于微通道板代替了通用打拿 极，二次电子在倍增过程中的渡越时间很短，渡越时间扩展被有效改善，正是基于此， m c p p m t 是光电倍增管家族中时间响应最好的光探测器。从表3 1 中描述的端窗型不同 打拿极结构的光电倍增管的时间响应参数【1 t1 0 2 1 ，2 7 ，3 3 ，3 8 】即可证实上述结论。 表3 1 ：端窗型不同打拿极结构的光电倍增管的时间响应参数( 单位：n s ) 打拿极类型上升时间 下降时间脉冲宽度( f 删)渡越时间渡越时间分布 直线聚焦型0 7 01 1 01 3 5 1 6 5 00 3 7 0 1 1 环形聚焦型 3 41 07 3 13 6 栅盒型 72 51 3 2 0 5 7 刁0 1 0 百叶窗型 72 52 5 6 l o 细网型 2 5 2 7 4 65 1 5 0 4 5 金属通道型0 6 5 1 51 31 5 3 4 7 & 80 4 微通道板型0 1 o 3 l a r c t g ( r d ) 时，电子将不能到达m c p 上，从而不能实现电子的有效倍增。 这里，m 、e 分别为电子的质量和电荷，r 、d 分别为m c p 的有效面积的半径和光电阴极 到微通道板的距离，而v p 。- m c p 为施加在光电阴极到微通道板输入面之间的电压。 对于f 1 2 9 4 的管子，计算的阈值磁场为2 0 0 高斯，截至角为2 6 。，计算结果与实 际测量能够比较好地吻合。 综上所述，在磁场中m c p 的增益可以写成两个公式的乘积，其一为平行磁场分量， 其二为垂直磁场分量，即：g = g ( b ) 木g ( b 上) 大量实验证实，m c p - p m t 对横向磁场比对轴向磁场灵敏得多，故有人在测试m c p p m t 的磁场性能时，干脆不测轴向磁场，而只测横向磁场对管子的影响。 6 微通道板光电倍增管的增益、暗电流性能研究工程硕士学位论文 6 微通道板光电倍增管的增益、暗电流性能研究 6 1 增益 m c p p m t 的增益实际上是m c p 的增益，而对于单一微通道板增益的研究，国内外有 关学者曾先后建立了不少模型，进行过理论研究和计算机模拟，在此不作过多地描述。 本节只对m c p p m t 增益的测量，作一个简要说明。对于一个已经做好的光电倍增管，其 增益【1 托3 8 】的测量可采用早期c c l o 建议的测量方法：先在p m t 的两端加上低压，调 节输入光的亮度，使其在示波器上产生某一输出信号，然后调节m c p 的电压，使输出电 压为上述确定值的十倍，记下这个电压，此时增益为1 0 ；在这个电压下，再调整入射光 照度，使输出电压恢复到最初的给定值，然后增加m c p 的电压，使输出电压又为给定值 幅度的十倍，这时增益为1 0 0 ；重复以上过程，直到电压达到m c p 容许的最大值为止。 一般而言，一块微通道板的p m t ，其增益小于1 0 4 ；两级m c p 构成的“人 字形倍增器 的p m t ，其增益在1 0 5 1 0 6 之间；而三级m c p 构成的“z 字形倍增器的p m t ，增益一般 在1 0 6 1 0 7 范围。 m c p - p m t 的增益是由该管中微通道板的数量和每一块微通道板的增益特性决定。在 图6 1 所示的情形中，是一个典型的m c p p m t 的增益与所加电压的曲线。 增益 电压取v ) 图6 1 典型的m c p p m t 的增益随电压变化的曲线( 两个6 9 m 微通道板极联后) 工程硕士学位论文微通道板光电倍增管性能研究 6 2 暗电流 m c p - p m t 的暗电流【1 “，2 4 1 ，在低电压下主要是由阴极的热电子发射产生，当然也有 p m t 的窗口玻璃和微通道板玻璃材料中含有放射性同位素( 如4 0 k 、8 2 r b 、2 3 2 t h 等) 衰 变导致的。窗材料的衰变产生切伦科夫光子，作用于光电阴极，产生附加的光电子；而 m c p 内的b 衰变，使m c p 的暗电流增加；还有宇宙射线的u 介子，其穿过窗材料也能产 生切伦科夫光子；当然后两者在p m t 处于高压下，也还存在。 在高压端，m c p p m t 的暗电流主要来自于场致发射、光反馈和离子反馈。在高压端， p m t 内部各元件边缘的毛刺、电极本身的尖端和棱角都会产生电子发射，从而给暗电流 以附加分量；场致发射往往伴随着气体电离发光或激发玻璃发光；外界的强辐射也可能 引起玻璃管壳发光等，这些光照射光电阴极，形成光反馈：至于微通道板在高压下产生 的离子反馈，那是不争的事实。 7 微通道板光电倍增管的其他性能研究工程硕上学位论文 7 微通道板光电倍增管的其它性能研究 7 1 收集效率 为了区别于光电阴极的量子效率，在此采用收集效率这一术语。一般传统打拿极的 p m t ，其所定义的量子效率实际上是指阴极的量子效率。在关于m c p p m t 的 描述方面，许多文献将他们混为一团。我们在此所指的收集效率【l 2 4 7 。，是指在光电阴 极产生的光电子数中，进入m c p 通道内的光电子数所占的比例。在未蒸镀防离子反馈薄 膜的微通道板中，m c p 的收集效率为其开口面积比再加2 0 ，如光电阴极与微通道板之 间的场强更强，则可达9 5 以上；对于涂有防离子反馈薄膜的微通道板，则收集效率就 等于开口面积比。在阴极与m c p 的距离较长，而该区域的电场又不是太高的情况下，如 果# l - i j n 横向磁场，使得部分从光电阴极出来的光电子不到达m c p 上，其收集效率将随着 p l - j j n 磁场的增加而降低。 7 2 峰值输出电流 峰值输出电流，也叫最大阳极峰值电流，是指非线性偏差1 0 的脉冲线性阳极电流， 一般p m t 的峰值输出电流依赖于其平均阳极电流、测量仪表和输出信号的周期性。 m c p - p m t 也与之类似，尽管还受不同参数诸如m c p 的通道数、通道直径和通道长度等的 影响。在等离子体诊断探测中，这个参数很重要。一般p m t ，其峰值输出电流【1 2 4 2 8 1 在 几个几十个毫安范围内，而m c p - p m t 则在几百毫安几十安培的范围之内。 7 3 最大工作频率 m c p - p m t 的最大工作频率依赖于通道数、通道偏流的恢复时间、偏流和每个信号脉 冲所含的平均光子数。定义输出脉冲重复频率偏离线性5 的那个点的频率为最大工作频 率【1 t2 4 2 7 4 1 1 。 7 4 疲劳 m c p p m t 的寿命自然由光电阴极和微通道板的疲爿1 冽引起的。光电阴极的疲劳主 要是m c p 的反馈离子碰撞引起的，用防离子反馈的m c p 可以抑制之。而m c p 的疲劳被认 为是二次电子发射系数的下降导致的，即微通道板通道内表面功函数的变化引起的。 工程硕士学位论文微通道板光电倍增管性能研究 7 5 选通特性 如同含有m c p 的微光像增强器一样，m c p p m t 也可以工作于选通状态口，执3 2 1 。 这种选通往往除在光电阴极和微通道板的输入面之间加以选通电源之外，还有在两 者之间加一金属栅网，如h a m a m a t s u 公司的r 5 9 1 6 u 一5 0 ，它是在阴极之后0 2 m m 处放一 选通栅网，这样在选通电压只有l o v 时，可以获得5 1 0 转换比( 关开状态下的输出 电流比) ，如图7 1 所示。选通电压也有施加于m c p 与阳极之间的情形，这样可使脉冲 下降沿变陡；而选通电压加在光电阴极之后，具有提高时间分辨率的作用，并使脉冲上 升沿变陡。 光电阴极 选通 信号输出 5 n o r 图7 1 带有选通栅网的m c p - p m t 的结构图和它的工作电路图 具备选通性能的m c p - p f l t ，扩展了其应用范围。例如：用其处理同步辐射产生的x 一 射线转换后的信号，不仅可以避免过大的应力，在高背景噪声中拾取信号，而且还能够 观察到l n s 时间间隔上x 射线束的精细结构。再一个应用是日本h i t a c h i 公司研制的用 于人造卫星测距系统的s r s - 1 ，据称该系统装有选通的m c p - p m t ，能够在l o o m 1 0 0 0 k m 范围内进行距离测量，测量精度小于5 c m 。而k b e r n d t 等人利用h a m a m a t s u 公司的 2 7 黝f_ b 7 微通道板光电倍增管的其他性能研究工程硕士学位论文 r 2 0 2 4 u 的m c p p m t 实现了4 g h z 的互相关。 7 6 与阴极相关的性能 主要取决于光电阴极材料和相关工艺，它们与一般光电倍增管和微光像增强器的阴 极性能一致，在此不做更深的研究。 2 8 工程硕士学位论文微通道板光电倍增管性能研究 8 结论 8 1 结论 本文在充分调研国内外有关微通道板光电倍增管的性能特点和应用领域的基础上， 重点研究了其时间响应特性、脉冲计数特性、抗磁场特性和其它特性，并就发展的方向 提出建议。获得如下几点结论： ( 1 ) 通过对m c p - p m t 时间特性的几个参数( 如渡越时间及其扩展、上升时间、半高宽、 下降时间) 相关概念的准确描述，以及对其测量方法的探讨，并用m o n t ec a r l o 方法对m c p - p m t 的渡越时间扩展进行了模拟计算，加深了对m c p p m t 时间特性的 理解。对于采用两块m c p 组成“人 字型结构的倍增系统、与阴极和阳极构成双 近贴聚焦结构，其电子渡越时间在0 5 n s 以下，上升时间小于0 3 n s ，半高宽 低于0 4 n s ，比普通光电倍增管快1 2 个数量级。 ( 2 ) 通过对普通光电倍增管的光子计数特性的重要参数( 如单光电子计数分辨率、峰 谷比、暗噪声计数) 概念的引入，研究了m c p - p m t 在不同脉冲重复率下的线性特 性以及导致非线性的物理机制，获得了其在单光子计数模式下的脉冲高度分布， 为m c p p m t 应用于光子计数领域提供了相关技术支持。 ( 3 ) 通过对m c p p m t 抗横向磁场和纵向磁场的研究，结合m c p p m t 的光电子倍增系统 和双近帖聚焦结构的特点，发现当磁场方向与其轴线方向平行时，能够抵抗数千 高斯的磁场，但抗纵向磁场较弱( 在2 0 0 高斯左右) 。m c p p m t 抗横向磁场的能力 是普通光电倍增管的5 0 0 倍，故在复杂电磁场中探测光子，显示出其独有的优良 特性。 ( 4 ) 其它特性研究：主要是针对m c p - p m t 的增益特性( 由2 3 块m c p 分别组成“人 字型和“z 字型电子倍增结构) 和暗电流及其产生机理进行相关研究；并对收 集效率( 量子探测效率) 、峰值输出电流、最大工作频率、疲劳特性、选通特性 等进行了研究，为全面表征m c p - p m t 的性能特征、开展新领域的应用提供了技术 支持。 ( 5 ) 最后，就m c p - p m t 的性能扩展方向和趋势进行了讨论，并就采用小孔径m c p 来提 8 结论 工程硕十学位论文 高其空间分辨率和时间分辨率、采用弯曲或螺旋形通道的m c p 来抑制离子反馈和 改善增益、采用大动态范围的m c p 来提高m c p p m t 的动态范围以及阳极结构的改 进方向等进行了研究，为本领域的可持续发展提供了研究方向。 8 2 微通道板光电倍增管性能扩展的方向和趋势 随着科学技术的不断发展和市场的驱动，m c p p m t 得以迅速发展。其方向和趋势是 向着响应更快、阳极矩阵更密、增益更高、动态范围更宽和有效工作区更大的方向发展。 8 2 1 小孔径微通道板的使用，可同时提高其空间分辨率和时间分辨率 小孔径微通道板，其孔间距同时也跟着变小，对于成像应用领域的p i d t 而言， 提高了其空间分辨率；考虑到微通道板的长径比必须在合理的范围内确定，这就意味着 小孔径m c p 的厚度比较薄，电子在m c p 内部的渡越时间及其分布都比较短。h a m a m a t s u 公司的r 2 8 0 9 型的m c p - p m t ，使用的就是6 l amm c p ，并以近贴聚焦结构作出p m t ，与类 似结构的采用1 2u mm c p 相比，其上升时间缩短了7 0 p s ，而渡越时间分布缩短了1 6 p s ， 用这种p m t 测量荧光衰减时间常数( 时间相关光子计数法) ，精度达3 p s 。 目前，孔径为5 l am 和4 l am 的m c p 已开始小批量生产，而美国的b u r l e 公司声称其 2l am 的m c p 己成功应用于t o f 探测器之中。当然，该探测器是一个开放系统，在使用中 的m c p 无需真空烘烤除气。但如何有效地应用于m c p p m t 这种封闭结构，解决真空除气 可能导致的微通道板变形，这是一个技术难题。 8 2 2 弯曲型或螺线型通道的微通道板的采用，可以抑制离子反馈和提高增益 弯曲型通道m c p ，具有良好的抑制离子反馈能力和高的增益特性，而且使用的工作 电压也较低，脉冲高度分布也较好。美国在m a m a 探测器中，就采用了这种微通道板。 螺线型通道的微通道板也是未来发展趋势之一。 8 2 3 动态范围较大的m c p ，可使得含有这种m c p 的p m t 具有更大的动态范围 微通道板的动态范围决定了含有这种微通道板的光电倍增管的动态范围3 5 1 ，而微 通道板的动态范围由微通道板可探测到的最小信号到其接近饱和时的最大输入信号之 间的范围来确定。低噪声、高输出的微通道板，其动态范围就比较大。在等效输入背景 基本相当的条件下，高输出型微通道板，可明显改善其动态范围。上世纪九十年代初， 美国人研制的所谓h o t 微通道板，其最大输出线性电流比标准型微通道板高达3 个数量 级。 3 0 i 狸碰十 n * i 微通道扳光电信增管性q 究 8 24 阳极结构的改进 由于应用场合各异，m c p p m t 的阳极结构可谓是品种繁多，花样翻新。如图81 所示可以探测空间分布的m c pp m t ，它充分利用了微通道板的二维电子倍增器件的特性 它们在如下领域显示出许多优良的性能： ( 1 ) 发光体扩展于较大的空问，对其微光的同时二维探测： ( 2 ) 使辟j 于光学纤维的多道时间分辨光谱仪： ( 3 ) 来自于闪烁纤维的多道输出。 图811 0 1 0 阳极的m c p p m i 工程硕士学位论文致谢 致谢 本文的工作是在朱日宏教授和崔开源研高工的悉心指导下完成的，在此谨向两位导 师致以衷心的感谢! 本论文从开题到完成，均倾注了两位导师的大量心血。在理论学习和科学研究中， 导师以广博的知识、严谨的治学态度和实事求是的科研精神深深感染着我、激励着我， 他们的悉心指导和严格要求使我获益匪浅。 在论文完成过程中，得到了北方夜视技术股份有限公司的领导和同事们的大力支持 与帮助，也在此向他们表示深深的谢意。 3 2 工程硕士学位论文 微通道板光电倍增管性能研究 参考文献 【1 】陈成杰，徐正卜光电倍增管 m 】第l 版北京：原子能出版社，1 9 8 8 5 【2 】c b t o h n s o n a p p l i c a t i o n o f o p t i c a le n g i n e e r i n g m p r o c e e d i n g so fs p i e 1 3 6 9 ：3 6 0 3 7 6 【3 】h k u m ee ta 1 u l t r a f a s tm i c r o c h a n n e lp l a t e - p h o t o m u l t i p l i e rt u b e s j a p p l i e do p t i c s 1 9 9 8 ，v 0 1 2 7 ：16 2 17 2 【4 】戴丽英，陈举忠快速m c p 型光电倍增管中暗电流的分析与研究【j 】真空电子技 术1 9 9 9 ( 3 ) ：1 6 1 8 【5 】m i t o ，h k u m e a n dk o b a c o m p u t e ra n a l y s i so ft h e t i m i n gp r o p e r t i e s i n m i c r o c h a n n e l - p l a t ep h o t o m u l t i p l i e rt u b e s j 19 8 4 ，v 0 1 31 ：4 0 8 6 】y a m a z a k i ，n t a m a i ，e ta 1 m i c r o c h a n n e l - p l a t ep h o t o m u l t i p l i e ra p p l i c a b i l i t yt ot h e t i m e c o r r e l a t e dp h o t o n - c o u n t i n gm e t h o d