MCP电子清刷测试理论优化建议：了解MCP电子清刷测试的基础知识

1.MCP电子清刷机理

MCP在制备过程中微通道的内壁会吸附大量的气体分子,这些被吸附的气体分子在经过400℃的高温烘烤后并不能完全解吸。当MCP在真空器件(以三代微光像增强器为代表说明)的高真空环境中通电工作时,光电阴极接收到外界微弱的自然光产生发射电子,发射电子经过加速电场后以一定能量轰击MCP。MCP微通道内壁残留的气体会在这些发射电子的轰击下解吸出来,使得微光像增强器的性能与寿命受到极大的影响。三代微光像增强器结构示意如图2.3所示[4]。所以在生产制造MCP的过程中,必须采用电子轰击除气的工艺,即MCP的电子清刷。

图2.3　三代微光像增器结构示意

MCP的电子清刷需要模拟MCP真实的工作过程,所以电子清刷需要在高真空的密闭环境中进行,MCP电子清刷的原理图如图2.4所示。利用灯丝代替光电阴极,灯丝导通后受热产生发射电子,电子经过调制加速后以一定的能量均匀进入待清刷MCP的微通道内。MCP的输入、输出端一般施加有800 V电压(可调),输入电子在MCP的微通道内壁撞击并不断倍增后由MCP输出端输出,输出电子被荧光屏收集。在电子清刷的初始阶段,由于MCP表面吸附气体的再释放将有大量气体产生,其主要的成分包括H2、CO、CO2、H2O等[5]。随着清刷的进行,除H2外的各种气体的放气量均逐渐减小,而H2的释放量不断增加,这是因为MCP在制造过程中采用了烧氢还原处理工艺,清刷时电子轰击会使材料内的H2再释放。严格控制MCP的电压、轰击时间和轰击MCP的电流密度,直到MCP通道内气体基本释放完毕,清刷过程完成。以上过程所处的高真空环境真空度要求不低于5×10-4 Pa。

图2.4　MCP电子清刷原理图

2.MCP的电阻与增益及其测试理论

MCP的电阻指的是MCP自身固有的电阻值,可定义为MCP输入/输出端的电压与流经MCP的电流之比。MCP的电阻值随电压和温度的变化满足的关系[6～7]为

式中:R0为T MCP=T0,V=0时的电阻(Ω);α为电压系数(1/V);β为温度系数(1/K);V为MCP的电压(V);T为温度(K);R MCP( T MCP,V)为MCP的电阻(Ω)。

式(2.1)给出的是MCP电阻理论计算公式,在实际实验过程中如果对各项参数逐个测试则过于烦琐,根据MCP电阻的定义,现给出MCP电阻的实验计算公式,即

式中:U MCP为MCP输入/输出端的电压(V);I MCP为流经MCP的电流(A);R为MCP的电阻(Ω)。

MCP的电子倍增功能可以用电子增益来评价,电子增益(简称增益)定义为输出电子数与输入电子数的比值。其具体的计算公式[8]可表示为

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式中:G为MCP的电子增益;I out为MCP的输出电流(A);I in为MCP的输入电流(A)。

影响MCP增益值的因素有很多,其中比较主要的有制板材料、结构和工作电压。其中可量化的影响因素有MCP的工作电压、开口面积比与长径比。增益与工作电压、长径比的关系式为理论计算公式,其表达式为

式中:k为决定二次电子发射系数的材料常数(1/V);U为工作电压(V);α为MCP的长径比;v0为二次电子的平均发射电位(V)。查阅相关资料可知,k的值一般取0.2～0.25,v0的值一般取1～2 V,而MCP的长径比公式为

式中:l为MCP的微通道长度(mm);d为MCP的直径(mm)。

增益与工作电压、开口面积比、长径比的关系式为实际经验公式,其表达式为

式中:F为MCP开口面积比;δ1为首次碰撞的二次电子发射系数;c为电子清刷系数;h为输出电极深度。其中MCP的开口面积比是指MCP工作区的通道开口面积与整个工作区面积之比,其计算公式为

式中:d c为MCP的通道孔径(μm);L为通道中心距(μm);F为开口面积比。

由式(2.4)可知,当材料确定后(即k值确定),MCP的电子增益G仅由工作电压与MCP的长径比决定。在电压固定的情况下,增益仅随长径比变化而变化,当U=22α时取到最大值。而对于形状尺寸固定的MCP而言,它的增益随着工作电压的增加而增加。由式(2.6)可知,当电压与MCP的长径比固定时,增益与MCP的开口面积比成正比,但受限于目前的制造工艺,MCP的开口面积比一般在0.58～0.63,应用先进的开口技术可以使开口面积达到0.7以上[9～11]。利用增益计算公式可以对制造完成后的MCP进行增益的理论计算,进而与测试得到的增益值对比,用于验证测试的准确性。

以上给出的是MCP增益的理论计算公式,根据增益的定义,输出/输入电子数可以用输出/输入信号值来表示,所以给出增益G的测试计算公式为

式中:S out为有电子入射时的输出信号(nA);S out0为无电子入射时的输出信号(nA);S in为有电子入射时的输入信号(nA);S in0为无电子入射时的输入信号(nA)。

根据式(2.8),在进行MCP的增益测试实验时,通过控制热电子面发射源的开关来控制有无电子信号输入,分别测试有电子输入时的MCP输入输出端的信号电流值与无电子输入时的输入输出电流值即可计算得出MCP的增益。