韓素立，尼啟良，張宏吉，何玲平，陳 波

（1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 空間一部，吉林 長(zhǎng)春130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100039）

引言

極紫外相機(jī)采用EUV多層膜反射鏡和光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器探測(cè)極微弱的紫外光輻射信號(hào)。光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器具有分辨率較高、噪聲低、探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍大［1－2］和在極紫外波段量子探測(cè)效率高［3］等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于空間探測(cè)［4］。在光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器中，微通道板的主要作用是一個(gè)大面陣二維電子圖像倍增器［5－7］。其增益大小以及電子倍增過(guò)程中信噪比分布特性對(duì)光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的成像性能有很大影響。研究增益特性十分必要。

采用光陰極產(chǎn)生的光電子作為入射電流測(cè)量球面微通道板的增益。由于光陰極透過(guò)的紫外光經(jīng)微通道板電極進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后會(huì)產(chǎn)生額外的增益，因此測(cè)量了20nm厚的透射式金光陰極的紫外透射率曲線(xiàn)。測(cè)出了三極級(jí)聯(lián)球面微通道板的增益隨電壓變化曲線(xiàn)。

在一定的范圍內(nèi)隨著電壓的增加，增益增大，探測(cè)器的分辨率增加，當(dāng)電壓增大到一定程度，探測(cè)器的分辨率降低。電子云的計(jì)數(shù)隨能量的變化即為脈沖高度分布（PHD）。脈沖高度分布包含信號(hào)和各類(lèi)噪聲電子能量大小與其總輸出光電子數(shù)占得比例，可以獲得微通道板增益分布。脈沖高度分布的峰谷比越大，脈沖能量分辨率越小，光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的性能越好。因此，可通過(guò)測(cè)量脈沖高度分布，優(yōu)化光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的整體性能。

1 采用光陰極產(chǎn)生的光電子測(cè)增益

1.1 增益測(cè)量原理

采用光陰極測(cè)增益的方法為：紫外光經(jīng)光闌照射光陰極后產(chǎn)生的光電子源作為入射電流，入射電子經(jīng)微通道板倍增后的出射電子由電極收集作為出射電流。根據(jù)電流增益的表達(dá)式G＝Iout／Iin，可以測(cè)得微通道板的增益。實(shí)驗(yàn)采用的光陰極為透射式金光陰極，光源為產(chǎn)生200nm～400nm紫外波段的氘燈。

1.2 透射式金光陰極

采用的透射式金光陰極是在厚度為1.5mm石英玻璃上面鍍大約20nm厚的Au薄膜，由于A(yíng)u金屬薄膜可以多次暴露在大氣之中而不改變其光電發(fā)射特性［8］，且光電密度分布均勻。所以一般采用投射式Au光陰極來(lái)探測(cè)微通道板的增益。Au的功函數(shù)約為4.8eV和實(shí)驗(yàn)室常用的低壓汞燈（發(fā)射波段253.7nm（4.9eV））和氘燈發(fā)射的紫外連續(xù)光譜非常匹配。因此在200nm～300nm之間有較高的量子效率。

采用Lambda光譜分光光度計(jì)測(cè)得的金陰極的反射率和透過(guò)率曲線(xiàn)如圖1所示。

由圖1可以看出：反射率隨波長(zhǎng)增加而增加。透射率在4.5eV附近有一個(gè)谷值。金陰極在紫外波段的透過(guò)率約為3.4%，此透射光經(jīng)微通道板Ni-Cr電極（在200nm～400nm，量子效率＜0.01）引起的附加增益對(duì)測(cè)量造成的誤差約為3%。透射式金光陰極光電子收集裝置（如圖2所示）可以測(cè)得光電子電流。此電流作為微通道板的入射電流。

圖1 透射式金光陰極透射率（虛線(xiàn)）和反射率（實(shí)線(xiàn)）Fig.1 Reflectivity（solid）and transmissivity（dash）of transmission-mode Au photocathode

圖2 透射式金光陰極光電子收集裝置Fig.2 Photoelectric collecting equipment of transmission-mode Au photocathode

透射式光陰極和收集極之間采用聚四氟材料固定和絕緣。由ORTEC公司生產(chǎn)的556型高壓電源提供負(fù)高壓，采用KITHLEY公司生產(chǎn)的6485型皮安表測(cè)量微弱電流，最小量程為20fA。

由金陰極的發(fā)射特性可知，當(dāng)電壓小于50V時(shí)，金陰極發(fā)射的光電子電流隨電壓增加而增加。當(dāng)電壓超過(guò)50V時(shí)，金陰極發(fā)射的光電子電流基本保持不變，約為0.32nA。

出射電流測(cè)量裝置如圖3所示。

由公式G＝Iout／Iin，計(jì)算出球面微通道板的增益如圖4所示。

圖4 微通道板的增益Fig.4 Gain characteristics of MCP

1.3 增益測(cè)量結(jié)果和分析

由圖4可以看出，1片MCP增益隨電壓線(xiàn)性增加，1片微通道板很難達(dá)到更高的增益。2片以上MCP疊加能夠抑制離子反饋并且可以獲得高增益的電荷脈沖信號(hào)輸出。3片MCP的增益可以達(dá)到107。圖5中的增益曲線(xiàn)同Arradiance公司給出的微通道板增益曲線(xiàn)趨勢(shì)一致，但增益比國(guó)外產(chǎn)品低些，說(shuō)明了本文增益測(cè)量的正確性。

增益測(cè)量誤差來(lái)源主要有3個(gè)，一是光源輻射波動(dòng)引起的誤差（約為2%）；二是金光陰極的紫外透過(guò)率引起的誤差（約3%）；三是電磁干擾造成的誤差（控制在3%）。計(jì)算得到總的測(cè)量誤差約為4.7% 。為了減小誤差可以使鍍的金薄膜更厚，從而減少因透過(guò)的紫外光引起的誤差。

2 微通道板增益對(duì)光子計(jì)數(shù)探測(cè)器成像性能影響

2.1 光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器及主要組成

微通道板光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器結(jié)構(gòu)，如圖5所示，主要是由球面微通道板、感應(yīng)電荷位置靈敏楔條形陽(yáng)極和相關(guān)讀出電路構(gòu)成。其中位置讀出電路包括電荷靈敏前置放大器（CSA）、整形放大器（AMP）、峰值保持電路（S／H）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以及脈沖疊加拒絕電路組成。采用的楔條形陽(yáng)極是由細(xì)的絕緣溝道分割成的楔形（Wedge，W）、條形（strip，S）和（Zigzag，Z）3個(gè)電極。電子云的質(zhì)心位置x和y 由（1）式給出［9］：

式中：QW、QS和QZ分別為 W、S和Z電極收集到的電荷量。

根據(jù)微通道板倍增的電子云脈沖個(gè)數(shù)和脈沖的能量（WSZ 3個(gè)電極經(jīng)電路處理后的電壓信號(hào)大小之和）的關(guān)系即為脈沖高度分布（PHD）曲線(xiàn)。當(dāng)入射光子為單光子狀態(tài)，經(jīng)裸露微通道板電極光電轉(zhuǎn)換成離散的電子時(shí)，電子經(jīng)微通道板倍增的電子云信號(hào)經(jīng)電荷靈敏前置放大器后，輸出一個(gè)與此電荷量成比例的電壓信號(hào)［10－11］，電荷靈敏前置放大器的電壓輸出的幅值Vout為

圖5 微通道板光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of MCP photon counting imaging detector

式中：QD為電子云脈沖信號(hào)的電荷量；Cf為電荷靈敏放大器的反饋電容。Cf越小，轉(zhuǎn)換靈敏度越高。電荷靈敏放大器的反饋電容約為10－12f。

2.2 脈沖高度分布

脈沖高度分布（PHD）給出了電子云脈沖信號(hào)和各類(lèi)噪聲的能量大小以及不同能量脈沖的個(gè)數(shù)。MCP產(chǎn)生的離子反饋噪聲位于低能區(qū)，放射性線(xiàn)輻射噪聲位于高能區(qū)。如果通過(guò)電子學(xué)處理，斬除離子反饋噪聲和高能離子噪聲，只讓信號(hào)進(jìn)行放大，這樣可以使微通道板噪聲降低使其可以探測(cè)極其微弱的信號(hào)。不同電壓下的計(jì)數(shù)率脈沖高度分布曲線(xiàn)如圖6所示?？梢钥闯鲭S著電壓的增大，微通道板光子計(jì)數(shù)探測(cè)器計(jì)數(shù)率增大。定義脈沖高度分布峰值處為模式增益G，脈沖的能量分辨率為Re＝ΔG／G，其中ΔG為PHD的半寬度（FWHM）。脈沖高度分布的能量分辨率從3 700開(kāi)始增大，因其在3 700V時(shí)峰谷比最大，能量分辨率相對(duì)較小。光子計(jì)數(shù)探測(cè)器成像性能最好。

從圖6可得，隨著電壓的升高，高能區(qū)的脈沖數(shù)增多，每個(gè)電子云脈沖包含更多的電子，增益增大。同采用透射式光陰極測(cè)得的增益隨電壓變化結(jié)果一致。

圖6 不同電壓下的脈沖高度分布Fig.6 PHDs at different volts

由不同電壓下的暗計(jì)數(shù)率曲線(xiàn)（圖7）可以看出，隨著電壓的升高，暗計(jì)數(shù)增加，高能區(qū)的噪聲變大?？赡苁怯捎贛CP中的殘余氣體被電離引起的噪聲和MCP玻璃中含的40K放射性衰變引起的噪聲組成。

圖7 不同電壓下暗計(jì)數(shù)Fig.7 Dark counts at different volts

2.3 增益對(duì)分辨率影響

當(dāng)電壓較低時(shí)，增益較小，系統(tǒng)分辨率降低。但是探測(cè)器要獲得高的分辨率，并非電壓越大越好，而是要選擇適宜的電壓。電壓過(guò)大，分辨率降低有多種原因。當(dāng)電壓過(guò)大時(shí)，信噪比變差。另一方面，輸出脈沖數(shù)過(guò)多出現(xiàn)脈沖堆積現(xiàn)象，電子云脈沖質(zhì)心解碼時(shí)出現(xiàn)誤差。

如圖8所示，在3 700V時(shí)光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器可以分辨到4.49lp／mm（第2組第2個(gè)單元），分辨率最好。當(dāng)電壓較低時(shí)，增益變小，系統(tǒng)分辨率降低（3.56lp／mm，第1組第6個(gè)單元）。當(dāng)電壓升高時(shí)，增益增加，但是微通道板倍增的電子云在高能區(qū)暗計(jì)數(shù)增加，分辨率降低（3.56lp／mm）。

圖8 不同電壓下3塊MCP所成分辨率圖像Fig.8 Images of three MCPs at different volts

3 結(jié)論

微通道板作為二維位置靈敏陽(yáng)極光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器的圖像倍增器件，其增益性能對(duì)探測(cè)器的成像質(zhì)量有很大影響。采用了透射式金光陰極對(duì)增益進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明：三級(jí)級(jí)聯(lián)微通道板能夠抑制離子反饋噪聲并且可以獲得高的增益。通過(guò)PHD分析得到，隨著電壓的增加，計(jì)數(shù)率和峰谷比增高，電子云尺寸更加均勻，探測(cè)器的分辨率提高；而當(dāng)電壓過(guò)大時(shí)，暗噪聲也隨之增大，脈沖高度分布的能量分辨率上升，高能部分的電子云增加，探測(cè)器的分辨率下降。因此電壓過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響探測(cè)器的成像性能，需要優(yōu)化電壓，選擇合適的增益，獲得高的分辨率圖像。

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