电子清刷对MCP增益的影响测试分析

根据国军标的要求,在测试MCP的电流增益时,入射电流密度应控制在1×10-11 A/cm2。用于增益测试的MCP规格为50mm×100mm,所以入射到MCP上的电流大小应该为0.5 nA。考虑到热电子面发射源输出面为φ106mm的圆,而电流计测得的输入电流实际上是热电子面发射源输出面电流的大小。因此,根据面积关系进行换算可得,当测得的电流约为0.88 nA的时候才能确保入射到MCP上的电流大小为0.5 nA。

本文研制的MCP电子清刷测试系统主要任务是为用于脉冲星导航的X射线探测器的非标大面积MCP进行电子清刷测试实验,其规格为50mm×100mm的矩形MCP。为研究该规格MCP增益随清刷时间变化的规律,对样品MCP进行了清刷实验,每隔两小时测试其增益,并记录清刷后增益的大小。实验初步将MCP的电子清刷量定为160μA·h,清刷电流设置为20μA,清刷时间为8 h。样品MCP的板间电压为800 V,根据记录数据得到增益随清刷时间的变化规律如图2.18所示。将所得增益做归一化处理可得清刷过程中的实时增益占比如图2.19所示。

从图2.18与图2.19中可以看出,该规格MCP的增益随电子清刷时间逐步下降,根据增益变化趋势可将清刷过程分为两个阶段。电子清刷前期,增益下降十分明显。当增益下降达到40%后,增益开始趋于稳定。增益下降的原因是由于电子轰击使有益于产生二次电子的材料发生了物理化学变化,降低了二次电子产额。所以在清刷前期由于气体快速脱附,增益下降十分明显。随着清刷时间的进行,有益于产生二次电子的材料变化趋于稳定,则此时MCP的增益开始趋于稳定。

图2.18　电流增益随清刷时间的变化曲线

图2.19　增益归一化随时间变化曲线(www.xing528.com)

通过本次实验可知,在清刷电流为20μA的条件下,清刷时间进行到4 h时,该规格MCP的增益趋于稳定。这说明电子清刷已经基本饱和,因此,针对该规格的MCP,电子清刷实际上在4 h的时候就可以停止了,所以推断出该规格的MCP最少清刷量为80μA·h。

为进一步探究该规格MCP的极限清刷量范围,在电流为0.88 nA的条件下,分别将清刷量设置为320μA·h与480μA·h,对2组共8片该规格MCP清刷前后的增益进行了测试,其具体数据如表2.2与表2.3所示。

表2.2　清刷量为320μA·h清刷前后的增益测试数据

表2.3　清刷量为480μA·h清刷前后的增益测试数据

从上面两个表的数据可以看出,经过320μA·h的电子清刷之后的MCP的电流增益下降的比例也在40%左右,说明该组MCP正常经历了电子清刷的两个阶段。而经过480μA·h的电子清刷之后的MCP的电流增益下降的比例达到了60%左右,表明对于该规格的MCP,480μA·h的清刷量过大,在经历MCP正常电子清刷的阶段后,过量的清刷破坏了MCP二次电子发射层,导致电流增益下降的比例远高于正常范围。以上实验说明该规格的MCP的极限清刷量在320～480μA·h之间。