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微通道板(MCP)原理及重要参数介绍

# 微通道板(MCP)的基本原理


微通道板(Microchannel Plate,以下简称MCP)可以被用于检测电子、离子、高能粒子、中子、紫外线、X射线等各种粒子和能量较高的电磁波。


MCP是由大量中空的毛细管(微通道)二维排列而成的片状结构(见图1-A,B)。微通道的内壁经过处理,使得粒子轰击时能够产生二次电子。使用中MCP两端被加上电压,在微通道内部形成电场,粒子轰击产生的二次电子会被电场加速,再次轰击微通道内部产生更多的二次电子(如图1-C)。这个过程在同一微通道中重复多次,最终在出口端输出大量的电子(称为倍增电子)。


图1. MCP结构与基本原理。MCP的尺寸一般在10-100mm量级,厚度在0.5-1mm量级,微通道直径在10um左右。


MCP输出的倍增电子一般有三种读出方式:单阳极读出、多阳极读出与荧光屏读出。滨松不仅能够提供MCP裸片,还可以提供模块产品对应各种信号读出方式与要求。


(1)单阳极读出模块。所有MCP输出的倍增电子被同一个阳极接收转化为电信号。此类模块相当于一个点探测器,常被用做质谱探测器;


(2)多阳极读出模块。MCP不同位置所输出的倍增电子对应着不同的阳极,让此类模块具有了位置区分的能力,可被用于化学分析用电子能谱(ESCA)等应用中。多阳极可以呈线性排列,也可以成二维排列(如图2);阳极间距(Anode Pitch)可以为3mm或以上;


(3)荧光屏读出模块。荧光屏可以将MCP输出的电子转化为可见光。与单片MCP联用时分辨率能达到40-50um;与两片MCP联用时分辨率能够做到80-100um。根据需求不同(如输出的可见光颜色、荧光衰减时间、响应时间等),可以选择不同的荧光屏。


图2. MCP读出模块示意。(A)单阳极读出;(B)多阳极读出;(C)荧光屏读出。


MCP已经被广泛用于质谱、电镜、表面分析等领域。如在质谱应用中,样品经过电离源生成离子,经过质量分析器后,不同质荷比(m/z,即电荷/分子量)的离子被区分开来并在真空中飞向MCP,最终被MCP所探测。


图3. MCP在质谱中的使用示意图。


# 参数解析


作为一类探测器,MCP的探测下限探测上限与线性范围响应速度寿命及使用环境都是经常被关注的特征。特别的,对于荧光屏输出的MCP模块,空间分辨率也非常重要。以下就将从这些特征入手,对MCP的参数进行介绍和解析。


1. 探测下限


探测下限的核心是整个探测体系的信噪比。


图4. MCP信噪比的相关参数。


为了更好的探测下限,可以从以下三个方面入手:(1)提高探测效率(2)降低噪声,尤其是能被增益放大的噪声(3)提升增益


(1) 探测效率


在MCP对弱信号进行探测时,越大比例的待测信号能被接收并轰击出二次电子(即探测效率越高),也就意味着能够更好地“利用”待测信号,探测下限也就越低。


不同的粒子/电磁波在MCP中的探测效率并不一样(如表1),所以提升MCP探测效率的第一个策略是事先将探测效率低的粒子/电磁波转换为探测效率高的粒子(如电子)。例如,(a)MCP对VUV的探测效率较低,在VUV探测中,可在MCP入口端镀上CsI等光电转换材料将VUV转换为电子;(b)MCP对可见光几乎无响应,在极弱可见光探测的像增强器中,可通过GaAs等光电材料将可见光转化为电子。


表1. MCP对各种粒子/电磁波的探测效率


第二个提升探测效率的策略是让更大比例的入射粒子成功轰击出二次电子。具体手段有二:


(a) 增加开口率(Open Area Ratio,OAR)


开口率指MCP表面上微通道开口的面积比上整个MCP的有效面积。开口率越高,MCP的探测效率也越高。普通MCP的开口率为60%;而滨松可以提供漏斗形(funnel type)开口的MCP,其开口率可以达到90%(如图5,实际对比如图6)。


图5. MCP的开口率与偏角。


图6. 不同OAR的MCP在探测效率上的对比。样品为小分子蛋白质,探测体系为MALDI-TOF。


(b) 选择合适的偏角(Bias Angle)


偏角指微通道与MCP表面的法线之间所成的角度,为的是让粒子有更大的概率轰击到微通道的内壁上(如图5)。


但偏角并非越大越好,这由探测效率,离子反向飞行等多个因素决定。以电子为例,在打入微通道内壁后产生二次电子,产生二次电子的位置和偏角相关。如果偏角太大,二次电子飞行轨迹夹角太大,增益过高造成了电子束的内建电场和加速电场抵充,最终造成增益饱和甚至无信号输出;如果偏角太小,又会导致没有足够的二次电子激发。MCP的偏角一般为5°~ 15°。


图7. 偏角与探测效率的关系和说明


(2) 噪声


在MCP所涉及的探测系统中,噪声可以分成MCP本身的噪声,以及读出端的噪声。


MCP本身的噪声是比较低的,在电压1000V时,单片MCP的暗电流低于0.5pA/cm2。作为对比,光电倍增管(PMT)是以信噪比高而著称的探测器,滨松R928侧窗光电倍增管的感光面积为8mm x 24mm = 1.92 cm2,其暗噪声的典型值为3nA,折合约1500pA/cm2


MCP在使用中主要需要考虑的噪声来源是离子反馈(Ion Feedback,具体机理见图8)。虽然MCP工作在真空中,但总是不可避免的有残余气体分子。当MCP输出的倍增电子和残余气体分子碰撞时,会产生正离子。这些正离子在电场中会与倍增电子呈反向运动,再次轰击微通道内壁产生电子,这个过程就称为离子反馈。由于正离子反向运动是需要时间的,所以离子反馈所产生的信号与真实信号本身并不会叠加,反而成为了噪声/杂峰的重要来源。所以真空度不够时,残余气体分子过多会在实际使用中带来额外的噪声,这是特别需要注意的。就滨松的MCP产品而言,建议工作在1.3x10-4Pa以下,关于能够工作在低真空度(至1Pa)下的MCP模块介绍,可参考《滨松解决方案:小型质谱中低真空度下的探测器》


图8. 离子反馈示意图


(3) 增益


由于MCP本身的噪声很低,所以读出端引入的噪声(主要是不能被MCP增益放大的噪声,参考图4中公式)会影响较大。具体说来,无论是单阳极输出方式中的读出电路,还是荧光屏输出方式中的荧光屏+相机,都会引入额外的噪声。


所以在检测弱信号的时候,所以在检测弱信号的时候,MCP采用更高的增益不仅是放大了信号,产生了更多的倍增电子,还能让整个系统得到更好的信噪比。


MCP的增益主要与纵横比(α,Aspect Ratio)和电压相关。纵横比指微通道的长度与直径的比值(如图9);电压特指加在MCP两端的电压(如图1-C中所示的电压)。如图9所示,纵横比越大,MCP所能提供的增益越大;同一片MCP上所加的电压越大,增益越大。


图9. MCP的增益与电压、纵横比之间的关系


对于单片的MCP,当增益大于104的时候,MCP射出的倍增电子量变大,离子反馈所产生的噪声就很大了;所以一般不会用太高的纵横比(一般40-60,这样给1kV电压的时候就能做到104的增益)。


如果应用中需要更高的增益,通常会把2-3片MCP叠在一起,并让前后MCP的偏角反过来(如图10),这样的反角设计,可让反馈离子难以进入第一级MCP,有效减弱离子反馈,提升信噪比。如图10所示,2-3片MCP叠在一起的增益会比较高。实际使用中,最常见的是将两片MCP叠在一起获得约106以上的增益。


MCP的增益主要与纵横比(α,Aspect Ratio)和电压相关。纵横比指微通道的长度与直径的比值(如图9);电压特指加在MCP两端的电压(如图1-C中所示的电压)。如图9所示,纵横比越大,MCP所能提供的增益越大;同一片MCP上所加的电压越大,增益越大。


图10. 2-3片MCP叠在一起的使用方案及效果


综上所述,只要在要求的高真空环境下,MCP本身的噪音是非常低的。如果特别关注弱信号的检测,在选型和使用时主要可以考虑:(a)选用大开口率(OAR)的型号,保障高探测效率;(b)适当采用较高的电压,以及选择2-3片MCP叠起来使用以获得更高的增益,间接压制读出端的噪音,降低信号读出的难度。


2. 线性范围与探测上限


线性范围取决于探测上限与探测下限的差值。如果一个手段(例如降低增益)既提升了探测上限,也提升了探测下限,其往往不能提升动态范围。由于MCP的探测下限与增益息息相关(参见上节),所以当希望MCP具有较大线性范围的时候,一般主要考虑如何在不影响增益的情况下提升探测上限。


图11. MCP探测上限与探测下限的参数解析


MCP探测上限相关的主要参数称为最大线性输出电流(Maximum Linear Current),其绝对数值一般为3-5uA。


当MCP的输出电子变多时,MCP内壁会因为大量的二次电子发射而带电,这会影响电场分布削弱接下来的倍增过程。MCP内壁所带的电荷会被带电流(strip current,参考图1-C)所中和。但是由于MCP较高的等效内阻(一般在100-1000MΩ),带电流通常会比较小,这就导致倍增电子过多时,在微通道壁上残余的电荷不能及时被中和,影响MCP内的电场分布并最终导致增益下降——此时MCP对于信号离子的响应也就不再是线性的了。由于MCP的最大线性输出电流与带电流的大小相关,所以最大线性输出电流有时会标注为带电流的百分比,如“7% of strip current”。


以上述原理为基础,为了增加最大线性输出电流,得到更大的线性范围,第一个策略是采用较低等效内阻(如滨松F6584所采用的2-30MΩ)的MCP;同样的电压下,更低的电阻可以得到更大的带电流(strip current),从而提升最大线性输出以及线性范围(如图11)。


图12. 低电阻MCP所具有的大线性范围和高最大线性输出


此外,滨松还提供了第二条策略,将一片MCP和一片雪崩二极管(Avalanche Diode)联用(“MCP+AD”模块),从而得到较高的线性范围和最大线性输出。


在这种组合下,整个模块的增益依然有106左右,与两片MCP联用的增益类似——即探测下限不差。但是在MCP部分的增益只有1000-10000,相比两片MCP联用的106是小了2-3个数量级的,这意味着倍增电子也很少,在达到MCP的最大线性输出电流前能够接受更多的待测粒子——即探测上限很高。所以“MCP+AD”模块能够得到远超传统MCP模块的线性范围和探测上限。


从参数上看,MCP+AD模块的最大线性输出电流高达230uA,远高于MCP的3-5uA。同时,由于MCP+AD模块中MCP部分的倍增电子会少于两片MCP联用的情况,整个模块的寿命也得到了延长。


图13. MCP+AD模块示意


综上所述,如果希望MCP的探测系统具有较大的线性范围,主要可以考虑:(1)挑选电阻低的MCP;(2)选用MCP+AD模块产品。


3. 响应速度


当一个待测粒子轰击出二次电子,并反复倍增的过程中,每一个倍增电子的飞行路径是不完全相同的,所以电子到达阳极的时间(以单阳极读出的MCP模块为例)有先有后,这使信号具有一定的峰宽。随着总飞行距离的增长,各倍增电子间的飞行距离也会差别越来越大,如采用单阳极读出的MCP模块时,就能很明显地看到信号峰变宽,信号的上升时间变长。


但总的来说,MCP的响应速度是很快的,上升时间通常在0.3-1.5ns。而另一类粒子探测器——电子倍增器的上升时间通常为1-5ns。


由于MCP的增益不单取决于微通道的长度,而是取决于纵横比(等于微通道的长度除以直径),所以提升响应速度的第一条策略是让MCP微通道的长度和直径等比例缩小,这样既可以增加响应速度,同时也不减弱增益(如滨松F4655-13)。


图14. 增加MCP响应速度的策略——等比例缩小MCP微通道的长度和直径


除了MCP微通道长度,倍增电子从MCP出口飞向阳极或荧光屏也是分布在一定角度之内的。垂直飞向阳极的电子和以一定角度飞向阳极的电子,其到达阳极的时间也不一样,所以提升响应速度的第二条策略是在MCP出口和阳极之间加入额外的网状电极,对倍增电子的飞行路径进行校正,使其飞行距离更为相近。


图15. 增加MCP响应速度的策略——校正倍增电子的飞行路径


4. 空间分辨率


当MCP和荧光屏联用的时候,空间分辨率也是一个非常重要的参数。单片MCP与荧光屏联用时分辨率能达到40-50um;两片MCP时分辨率一般能够做到80-100um。


用两级MCP会比用一级MCP的分辨率下降,因为:(1)从第一级MCP中的一个微通道出来的电子可能会进入第二级MCP的几个通道中;(2)两级MCP输出的倍增电子会更多,电子之间互斥会导致出射角度变大,降低分辨率(如图16)。


为了增加空间分辨率,可以考虑(1)缩短MCP和荧光屏之间的距离,虽然电子之间互斥会导致微通道中的电子出射角度变大,但缩短距离可以削弱其对于空间分辨率的影响;(2)增加MCP和荧光屏间的加速电压。


图16. MCP与荧光屏联用时的空间分辨率影响因素


5. 寿命和使用环境


MCP的寿命和从MCP中总的出射的电子数量是相关的,所以MCP的寿命用电量表示。MCP寿命是1C/cm2,因此MCP面积越大,总体使用寿命一般越长。例如42mm有效直径的F1217,它的电荷输出量达到了10C。作为对比,同为粒子探测器的电子倍增器其寿命仅为0.3C(总电荷数量)。


此外,在同一电压下,MCP的增益会随着使用而下降,所以在信号不太弱的时候,滨松建议对于一片新的MCP可以将电压调得比参数表上的电压更低一些,这样从MCP出射的倍增电子不会那么多,有利于延长MCP的寿命。而且随着使用,可以通过逐渐增加MCP上的电压,以维持稳定的增益。


在MCP的使用环境上,一般需要关注以下两个参数:


(1)磁场


MCP对磁场的敏感程度不及PMT和电子倍增器。但磁场对MCP也是有影响的,尤其是与微通道垂直的磁场。如果MCP一定要在磁场环境中使用,尽量让磁场与微通道的长轴平行。选择合适的MCP以及合适的方位,能让MCP在2T的磁场下正常工作。


(2)真空度


普通到MCP对真空度有着较高的要求,需要工作在1.3x10-4Pa以下。在低真空度(即气压较高时)下,较多的气体分子会被轰击成正离子,不仅会以离子反馈的原理导致高噪声(如图8),这些额外的倍增电子(实际上是噪声)也将降低MCP的寿命。


但对于一些特别的应用,真空度无法维持在很高的状态。滨松针对这种情况,特别开发了能够工作在1Pa真空度下的MCP模块(Gen3 三级结构MCP,详情可参考《滨松解决方案:小型质谱中低真空度下的探测器》 )。


# MCP的选型


包括MCP在内,滨松有多种粒子探测器。


相对而言,MCP的优点为:MCP的探测面积较大,一般从10mm到100mm不等,其中包含了数以百万计的微通道;一个微通道的寿命中止并不影响整体的使用,所以MCP的寿命大大优于EM和CEM(反映为积累电荷寿命较大)。


此外,由于MCP中微通道的长度比较短,电子在其中的飞行距离较短,所以MCP的时间响应比EM和CEM要更快一些。(反映为上升时间较短)


MCP的缺点主要在于较窄的动态范围(反应为最大输出电流)。这可以理解为MCP中打拿级之间的电势差较小,到增益的最后,已经无力驱动太多电子,导致最大输出电流具有较低的天花板。为了解决这个问题,滨松推出了MCP+AD模块,详细介绍前。


此外,MCP对于工作的真空度要求较高。为了解决这个问题,滨松推出了Gen3 三级结构MCP,详细介绍见前。



# 更多资料



滨松MCP产品选型手册。

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