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一、MCP真空探測器的信號拾取及讀出

微通道板本身只是對電子進(jìn)行倍增放大的器件，它吸收輸入的帶電粒子或光子，輸出倍增以后的電流（電子云）。為獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要將輸出的電子經(jīng)過拾取或轉(zhuǎn)換后，形成能夠拍攝、記錄或計(jì)數(shù)的信號。

因此，對于一個(gè)特定目的的MCP真空探測器，信號拾取和讀出是非常重要的部分。通常會(huì)需要一個(gè)陽用來拾取電子云信號，陽與MCP輸出端之間有一定間距并加有高壓。一般而言有幾種類型的陽：

l 熒光屏：受高能電子轟擊后會(huì)發(fā)光，從而形成可見光的圖像；

l 金屬導(dǎo)電陽：直接拾取電流，用于粒子流強(qiáng)的分析或計(jì)數(shù)；

l 位置敏感陽：如阻性陽或延遲線等，通過多通道讀出，在獲取信號強(qiáng)度的同時(shí)分析電子云的位置；

l 多陽：多個(gè)相互隔離的金屬陽，支持多點(diǎn)實(shí)時(shí)的信號采集。

圖4采用熒光屏成像的MCP探測器結(jié)構(gòu)示意

MCP放大輸出的電子云經(jīng)過陽轉(zhuǎn)換或拾取之后，尚需要讀出和信號處理、記錄，常用的有幾類部件：

l CCD/CMOS相機(jī)：通過透鏡或光纖錐，將熒光屏上的像傳遞到圖像芯片上，并傳輸至電腦處理；

l 示波器、A/D轉(zhuǎn)換或計(jì)數(shù)器：主要用于讀出陽電流信號。入射流強(qiáng)較大時(shí)，可得到連續(xù)的電流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)為數(shù)字信號或經(jīng)過示波器顯示，從而得到信號隨時(shí)間變化的特性；信號微弱時(shí)，采用閾值鑒別的方法進(jìn)行計(jì)數(shù)；

l 位置分辨數(shù)據(jù)處理：對位置敏感陽的信號進(jìn)行高速處理，得到事件的位置、到達(dá)時(shí)間以及計(jì)數(shù)率；

l 多通道并行處理：用于多陽探測器。

MCP真空探測器的信號拾取及讀出

2.1 熒光屏及其讀出

用于成像目的的MCP探測器一般采用熒光屏作為陽。熒光屏在數(shù)個(gè)keV的高能電子轟擊下會(huì)發(fā)射可見光，經(jīng)過相機(jī)拍攝后形成圖像型號。

圖5成像型MCP真空探測器的輸入（左圖）與輸出（熒光屏，右圖）

熒光屏所使用的材料，有P20、P43、P46、P47等多種。通常主要依據(jù)信號的重復(fù)頻率來選擇。P43具備較好的發(fā)光效率，其發(fā)光波長（550nm）正位于一般CCD相機(jī)感光效率zui高的區(qū)域，因此是zui常用的熒光屏；但P43的熒光衰減時(shí)間約1.2ms，故不適合幀率>500fps的成像；快速熒光屏中zui常用的是P46，其發(fā)光效率月為P43的1/4，但余輝時(shí)間僅為300ns。

一般熒光屏相對于MCP輸出的高壓會(huì)高達(dá)5kV以上。

熒光屏可以鍍在玻璃窗片上，該窗片同時(shí)起到真空密封的作用。也可以鍍在光纖錐面板窗片上，這樣像可以傳遞到窗片外側(cè)，以便后續(xù)再通過光纖錐與成像傳感器連接。

Photek 公司可根據(jù)用戶的需求提供各種材質(zhì)的熒光屏鍍膜，并提供透鏡耦合/光纖錐耦合方式。

根據(jù)具體的應(yīng)用，光學(xué)耦合及CCD/CMOS相機(jī)的選擇可以有多種方式：

l 光纖錐耦合與透鏡耦合：光纖錐的優(yōu)點(diǎn)是效率高，像畸變?。蝗秉c(diǎn)是信號強(qiáng)度均勻性會(huì)受到一定的影響，另外光纖錐耦合需要后端相機(jī)芯片上已經(jīng)粘好光纖面板輸入，故相機(jī)的選擇受到一定的局限；透鏡耦合結(jié)構(gòu)比較簡單，放大倍率靈活可調(diào)，比較適合大縮放比的情景，透鏡耦合效率低于光纖錐耦合，而分辨率、成像質(zhì)量取決于透鏡的質(zhì)量。透鏡耦合可以設(shè)計(jì)成90度轉(zhuǎn)折光路，當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有穿透性非常高的粒子（如中子、高能光子）時(shí)，這種設(shè)計(jì)有助于保護(hù)后續(xù)相機(jī)及電子線路免受輻射損傷。

即使探測器本身選配了光纖錐輸出，仍舊可以采用透鏡來作像傳遞。

l CCD或CMOS相機(jī)的選擇：由于MCP本身有較大的增益，一般信號探測可采用普通的科研級CCD/CMOS相機(jī)，根據(jù)所需要的分辨率及幀速選擇；較為微弱的、需要長時(shí)間積分的信號，可選擇制冷型CCD相機(jī)；對探測動(dòng)態(tài)范圍有需求時(shí)，建議使用sCMOS相機(jī)；如果工作在單光子計(jì)數(shù)模式，可以選擇常規(guī)的CMOS相機(jī)。

l 單光子計(jì)數(shù)模式：針對微弱的信號，CCD/CMOS相機(jī)可工作在單光子計(jì)數(shù)模式，單光子計(jì)數(shù)模式需要前端采用二級連或以上（>1E6增益）的MCP。在單光子計(jì)數(shù)模式時(shí)，相機(jī)持續(xù)以固定幀率或接受外觸發(fā)同步采集信號，MCP探測到的單粒子事件會(huì)在圖像上形成分立的斑點(diǎn)；軟件計(jì)算每個(gè)斑點(diǎn)的總強(qiáng)度和強(qiáng)度重心，超過一定閾值的被認(rèn)為是單個(gè)粒子事件，其重心位置對應(yīng)的坐標(biāo)計(jì)數(shù)值加1。經(jīng)過長時(shí)間、多幀疊加后，還原圖像。

采用相機(jī)進(jìn)行單光子探測無法進(jìn)行高速的時(shí)間分辨（時(shí)間分辨取決于相機(jī)的幀率），但其統(tǒng)計(jì)的方式可以實(shí)現(xiàn)非常低的噪聲，同時(shí)因?yàn)閱瘟Ｗ邮录目臻g坐標(biāo)采用統(tǒng)計(jì)重心的方式，其空間分辨率可以非常高，達(dá)到CCD芯片的水平。

Photek提供成像或粒子計(jì)數(shù)的成套系統(tǒng)，包括MCP探測器、光學(xué)耦合、相機(jī)和軟件。

2.2 金屬陽輸出（真空PMT）

如果在MCP輸出端之后放置金屬陽，并施加高壓，電子云會(huì)到達(dá)陽并可以形成電流輸出，電流強(qiáng)度正比于輸入信號的強(qiáng)度。電流可通過示波器、A/D轉(zhuǎn)換器采集，或者（信號微弱，只能產(chǎn)生分立的單粒子峰時(shí)）經(jīng)鑒別器、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。

這類探測器具備超快的時(shí)間響應(yīng)（小口徑探測器可達(dá)到<100ps的上升沿，100ps左右的FWPM脈沖響應(yīng)），非常適合做TOF（Time Of Fly，時(shí)間飛行）譜儀的探測器，因此也常稱作TOF探測器。

除了MCP本身的電子渡越時(shí)間展寬之外，電子云在MCP和陽之間的飛行以及電流形成有時(shí)會(huì)對脈沖形狀（尤其是后沿）造成影響。經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的陽形狀（如錐形陽）可以減輕這種效應(yīng)。Photek可根據(jù)用戶的需求設(shè)計(jì)不同形狀的陽板。

圖6采用錐形陽的MCP探測器

如果對輸入面的電位無要求（例如，光子探測），陽直接接地有助于方便的拾取電流信號。但在很多場合下MCP輸入面需要零電位，這樣陽相對于地就有數(shù)千伏的高壓，后續(xù)信號拾取時(shí)需要采用隔直電容：隔直電容需要耐高壓、容量和取樣電阻需要精心設(shè)計(jì)以確保對快速信號的通過帶寬，而且一旦電容失效就會(huì)立刻擊穿后續(xù)電路。Photek可配置隔離陽，將電流取樣和陽板絕緣，確保響應(yīng)速度，同時(shí)免去用戶設(shè)計(jì)隔直電路的煩惱和風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 空間分辨陽

MCP本身是二維（成像）器件，采用熒光屏+相機(jī)讀出可以獲得圖像，但是其時(shí)間分辨由相機(jī)決定；而采用導(dǎo)電陽可以獲得超快的信號（<100ps響應(yīng)），卻喪失了空間分辨能力。通過采用特殊的陽結(jié)構(gòu)，如阻性陽(resistive sea anode) 或者延遲線(delay line)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速度的時(shí)間、空間分辨。

圖7 阻性陽的空間分辨原理

阻性陽為具備特定形狀及非零電阻的陽板，如圖7所示。通過四個(gè)端角上取樣的電流脈沖的比率來計(jì)算信號在MCP板上的位置，同時(shí)具備實(shí)時(shí)響應(yīng)的特征。

圖8 延遲線（Delay Line)示意圖

而延遲線則通過兩組密切排布的、排布方向互相垂直的導(dǎo)線作為陽；兩組導(dǎo)線的四個(gè)端點(diǎn)拾取的信號的時(shí)間可以獲知事件發(fā)生的位置和時(shí)間。

需要注意的是這類探測器（阻性陽與延遲線）通常工作在單粒子計(jì)數(shù)模式，如果在短時(shí)間（如<5ns）內(nèi)有兩個(gè)信號同時(shí)抵達(dá)MCP的不同位置，則位置反演會(huì)給出錯(cuò)誤的結(jié)果。當(dāng)然，對于點(diǎn)源的跟蹤，這類探測器也可工作在模擬、連續(xù)輸出的模式。

Photek提供阻性陽和延遲線探測器，以及探測系統(tǒng)（包括探測器、快電子線路、計(jì)數(shù)軟件），可以實(shí)現(xiàn)<5ns的時(shí)間分辨率和512×512水平的空間分辨率。

2.4  多陽探測器

采用多個(gè)相互絕緣的金屬陽，這樣可以輸出每個(gè)金屬陽探測到的電子信號，實(shí)現(xiàn)位置分辨、超快時(shí)間分辨的探測。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖9 多陽探測器的結(jié)構(gòu)示意

陽個(gè)數(shù)可以達(dá)到64×64甚至更多，陽之間的間距可達(dá)亞毫米水平，每個(gè)陽的響應(yīng)時(shí)間可快至百微秒。這類探測器能夠?qū)崿F(xiàn)亞納秒信號的二維多通道同時(shí)采集。

每個(gè)通道需要一路單獨(dú)的讀出電路，因此這類探測器成本較高。電路可通過MEMS方式集成在探測器上，也可以外置。

針對某些特殊應(yīng)用，探測器可以做成方形的，方便擴(kuò)展探測面積和通道數(shù)目。

Photek 公司提供多陽MCP探測器以及包括電子線路的探測系統(tǒng)。