微通道板（MCP）特性参数解析

点开文章来阅读的小伙伴，肯定多少都了解MCP（点击此处了解产品详情）。我们今天就再来统一“盘一盘”它的几个重要参数：增益和脉冲高度分布、暗电流、电阻和带电流、输出线性、时间响应、空间分辨率、寿命特性、对离子、电子、紫外光谱、VUV和粒子束的探测效率。

    图1 不同α下MCP的增益变化曲线 

暗电流

MCP暗电流的来源主要有以下几点：

电阻和带电流

当MCP中输出较大的电流时，由于大量的二次电子发射，会导致输出端附近的通道管壁被充电。这种现象会影响电势的分布，削弱电场强度，抑制了后面的电子倍增和发射。但是这种充电效应可以通过管壁的带电流所中和。但是由于通道管壁的带电流很小，电阻又很高，所以这种中和作用也需要时间，因此我们把这段时间也被称为死时间。

当输出电流达到带电流的5%到6%时，增益会下降，出现饱和效应。图5为正常电阻MCP（550 MΩ）和低电阻MCP（10.8 MΩ）工作在直流模式下的饱和特性曲线，由图可知，随着带电流的增加，饱和特性会有所改善。换句话说，饱和效应水平实际上与MCP带电流成正比，并由MCP的电阻决定。工作在计数模式下的两级和三级MCP中，也是相同的结果。

图5 MCP饱和特性（模拟模式）

图6显示了在计数模式下，具有不同阻值的两级MCP的典型计数率特征。从图7中可以看出，在直流模式下，低电阻MCP的计数率的增加与带电流是成比例的。

 图6 MCP饱和特性（计数模式）

改变通道直径，是提高计数率的一种很有效的方法。例如，如果微通道的直径降低到一半，那么可以使占据单位面积的通道数量增加四倍。同样地，如果通道直径降低到三分之一，那么通道的数量将增加九倍。这意味着即使输入信号的重复频率增加，信号进入相同通道的概率也很低，可以有效的减少死时间，提高计数率。如图7所示。

MCP的增益是由α（=L/d）决定，如果增益保持在一个固定值时，除了通道直径和通道长度，其余MCP的尺寸大小可以进行缩小。图8为高速型MCP组件F4655-13（有效面积直径为14.5 mm）测量的输出波形及其尺寸轮廓。该组件使用了一个具有4 μm通道直径的两级MCP。双级MCP的厚度非常均匀（小于0.5 mm），对应于电子传递距离，大大缩短了电子的传递时间，实现了293 ps的上升时间和539 s下降时间的优良时间响应特性。

图9 分辨率测量的示意图

在上述测量系统中，将美国空军视力测试图印在玻璃板，然后直接耦合到MCP的输入表面，并用UV光源照亮测试图。由于在MCP中产生的倍增电子撞击荧光屏，使电子被转化成可见光，可以通过CCD相机观察。极限分辨率是指可以清晰识别的Z小图表等级。在这种情况下，当增益为1000时，获得的极限分辨率为20~25 μm。在堆叠MCP（2级）的情况下，总体的空间分辨率低于单个MCP的分辨率。主要原因是，电子在第一级通道中倍增后进入后级通道时会扩散到其他通道中。另一个原因是，当电子流从MCP输出侧释放时，电荷密度增加，导致空间内的静电斥力增加，从而导致电子在MCP和荧光屏之间的扩散扩大。

MCP对紫外线、x射线、α粒子、带电粒子、中子以及电子束和离子都具有敏感性。表1为MCP对不同粒子的探测效率数据。探测效率可能会因为MCP开口率（OAR）、入射粒子束的角度和能量以及MCP表面是否有涂层而有所不同。

图11为电子束的探测效率与入射能量的关系，图12为通过改变入射电子束的角度测量的相对灵敏度的变化。可以看到在500 eV到1000 eV的电子能量范围内探测效率Z大。虽然灵敏度也取决于入射能量，但是在同一能量范围内，当入射角为13°时，可以获得Z大的探测灵敏度。

 图11 探测效率&电子束能量

 图13 离子和中性粒子检测效率&事件能量

图14显示了在10 keV、60 keV和100 keV离子能量下测量的PHD（脉冲高度分布）数据。这些数据表明，不同能量下得到的结果几乎相同，并且不依赖于能量范围。在1 keV~100 keV的能量范围内，对He离子的检测效率可能几乎相同。 

图16和17分别为紫外线到硬x射线区域的相对检测效率和相对于软x射线光子能量的检测效率。与电子一样，这些光子的探测效率与角度有关。并且，随着能量的增加，Z大探测发生的角度变得很浅。这种现象是由于产生二次电子的位置和它们的逃逸深度之间的关系。与电子和离子相比，对紫外线的探测效率相对较低。在MCP输入表面涂上光电材料可以有效地提高检测效率。典型的光电材料为碘化铯、碘化亚铜、溴化钾和Au。其中碘化铯Z常用。

碘化铯涂层对检测效率的影响如图18所示。像碘化铯这样的碱卤化物化合物是一种活性材料，会与空气中的水分发生反应，可能在短时间内溶解。为了防止这种情况的发生，储存时应将材料放在真空中。当将它们从真空中取出时，确保环境湿度足够低，并在尽可能短的时间内安装它们。

图18 检测效率&紫外波长