楊露萍，劉術林，黃明舉，趙天池，閆保軍，溫凱樂，楊玉真,4，司曙光，黃國瑞，衡月昆，錢 森

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提高微通道板對低能電子探測效率的技術途徑

楊露萍1,2,3，劉術林2,3，黃明舉1，趙天池2,3，閆保軍2,3，溫凱樂2,3，楊玉真2,3,4，司曙光5，黃國瑞5，衡月昆2,3，錢 森2,3

（1. 河南大學 物理與電子學院，河南 開封 475004；2. 中國科學院高能物理研究所實驗物理中心，北京 100049；3.核探測與核電子學國家重點實驗室，北京 100049；4. 南京大學物理系，江蘇 南京 210012；5. 北方夜視技術股份有限公司南京分公司，江蘇 南京 210110）

為了提高靜電聚焦型微通道板光電倍增管探測效率，重點研究微通道板的探測效率。分析影響微通道板對電子探測效率大小的主要因素，利用微通道板探測效率的理論模型，考慮在垂直入射到輸入面的情況下，模擬計算出不同能量（e＜1 keV）的入射電子打入非開口區(qū)對探測效率的貢獻，結合開口區(qū)域的探測效率，即獲得微通道板總的探測效率，并把模擬計算結果與實際測量相比較，兩者基本一致；通過在微通道板的輸入端面和通道內壁蒸鍍高二次電子發(fā)射系數(shù)的材料、改變電極蒸鍍方式和增加開口面積比，獲得接近100 %的探測效率，進而有效地提高了這種光電倍增管的探測效率。

光電倍增管；微通道板；探測效率；開口面積比

0 引言

中微子物理是21世紀粒子物理、天體物理和宇宙學的熱門研究課題之一，研究中微子是找到超出粒子物理標準模型的突破口。在中國科學院戰(zhàn)略先導計劃的支持下，由中國科學院高能物理研究所牽頭，成立國際合作組，在距離江門兩個大型核電站反應堆53 km的地下700m深處，建立一個超大型中微子實驗站（簡稱江門中微子實驗，英文縮寫JUNO），擬解決中微子研究的下一個熱點和重大問題，即測量中微子質量順序。由于中微子與物質相互作用的反應截面非常小，所以中微子實驗除了需要非常強的中微子源以外，還需要低本底的巨型探測器，JUNO設計的中心探測器系為在巨型球體內充滿2萬噸液體閃爍體，并在周邊密集排列18000多只20英寸高探測效率、低本底的光電倍增管。目前市場上沒有滿足這種要求的光電倍增管，高能所科學家們自行設計出一款新型20英寸微通道板型光電倍增管（Microchannel Plates-Photomultiplier Tube，簡稱MCP-PMT）[1-2]，力圖在國內研制并形成批量生產，目前在高陰極量子效率、單光電子探測等性能都得到突破性進展，而在收集效率方面，曾經開展深入細致地研究，但一直維持在60 %～70 %之間。

課題組設計的這種光電倍增管，是在球形或橢球形玻殼的內表面制作與液體閃爍體發(fā)射光譜相匹配的高量子效率的光陰極，通過電子光學系統(tǒng)的設計，使得來自光陰極不同區(qū)域的光電子都能到達中心偏下的微通道板（MCP）的有效區(qū)域，這種電子聚焦結構，我們稱之為靜電聚焦結構，其目的是確保能量在1keV以下的光電子入射到微通道板端面上時，其角度盡量集中，但就傳統(tǒng)的MCP而言，盡管通過優(yōu)化的電子光學系統(tǒng)，確保通過光陰極產生的光電子能夠100%地達到MCP的有小區(qū)內，由于存在開口面積比，以及非開孔區(qū)域的Ni-Cr電極本身的二次電子發(fā)射系數(shù)較低（一般小于1），很難把探測效率做到90 %以上。課題組另辟新的途徑，除了增加其有效面積、提高開口面積比外，提出在其輸入端面和通道內壁蒸鍍高二次電子發(fā)射系數(shù)的薄膜，發(fā)現(xiàn)能極大地提高探測效率，測試表明：這種MCP的探測效率接近100 %，由此微通道板組件制作的光電倍增管，其單光電子峰谷比達到5以上，能夠分辨2～3個光電子，顯示出非常好的特性。

為了便于表述，在此明確幾個術語，對于我們這種MCP-PMT而言，MCP收集來自光陰極的光電子并倍增該光電子，最終在陽極獲得相應的脈沖輸出，我們期望來自光陰極的所有光電子通過電子光學系統(tǒng)的優(yōu)化設計，能夠全部打到微通道板的有效區(qū)域，而達到該有效區(qū)域的光電子都能得到有效倍增，由此定義光電倍增管的收集效率為獲得有效倍增的光電子數(shù)與整個光陰極產生的光電子數(shù)的百分比。而對于微通道板而言，其探測效率是最終探測出的光電子數(shù)與入射到其有效區(qū)域的光電子數(shù)的比例。當優(yōu)化的電子光學設計確保來自不同區(qū)域的光電子都能落到微通道板的有效區(qū)域的情況下，光電倍增管的收集效率等于微通道板的探測效率。對于實際測量而言，我們能夠準確測量MCP的相對探測效率，而絕對探測效率則通過計算得到。

1 MCP對低能電子探測效率的理論計算

影響MCP探測效率的因素有很多，不同的入射能量和角度，不同的開口面積比都可以影響其探測效率，除此之外輸入面的電極材料、電極穿透通道的深度、輸入面不同的電場分布等也會影響MCP的探測效率。文獻[3]建立了一個物理模型，將MCP對低能電子的探測效率做了理論計算，獲得了比較好的實驗結果，為此，我們有必要分析其研究思路，便于我們尋找提高MCP探測效率的有效技術途徑。為了簡化起見，將MCP探測效率歸結為來自于開口區(qū)和非開口區(qū)兩大部分（如圖1）的貢獻之和，即：

e＝c＋s(1)

式中：c為輸入面開口區(qū)對探測效率的貢獻；s為初始電子打到非開口區(qū)對探測效率的貢獻。

圖1 MCP輸入面俯視圖

而來自光陰極的光電子在陰極和MCP輸入面之間的聚焦電場作用下，其碰撞不同區(qū)域產生的二次電子及其軌跡如圖2所示，如考慮聚焦電場與MCP輸入通道附近的情況，則在該區(qū)域電場會發(fā)生畸變。為模擬計算方便起見，忽略復雜的次要因素，突出主要因素，依據(jù)文獻[3]的物理模型，他們分別研究了開口區(qū)域和非開口區(qū)域對探測效率的貢獻。

1.1 開口區(qū)對探測效率的貢獻Qc

打到MCP輸入面的電子有一部分直接進入開口區(qū)并在通道中倍增后輸出，這一部分的貢獻我們稱作c。能量為e的電子以相對于前表面法線為的入射角撞擊開口面積比為open，通道長徑比為/的MCP。微通道板的開口面積比open是指工作在有效區(qū)域的微通道開口面積與整個有效區(qū)的面積之比，其公式可表示為：

open＝×(/)2(2)

式中：為通道的直徑；為通道的中心距；為圓柱體六角形陣列的填充系數(shù)，通常＝0.907。

圖2 光電子在MCP輸入端面附近產生二次電子及其運動軌跡

采用文獻[3]的模型，認定MCP開口區(qū)對電子的探測效率為：

式中：為掠射角；為通道極角，它們與入射角之間的關系[4]為：

sin＝sincos(4)

c為一次電子撞擊通道壁產生的二次電子再次與通道壁的撞擊的能量c＝c。而c由下列公示[5]給出：

式中：0和分別為MCP所施加的電壓和二次電子發(fā)射能量的平均值所對應的電壓。

而二次電子發(fā)射系數(shù)的普適方程[6]在上述條件下，改寫為：

(i,)＝(i, π/2 )(￠(sin)1/2)exp[(1－sin)＋

(1－￠(sin)1/2)] (6)

式中：i為入射電子的能量，′＝/m(p/2)，而m(p/2)為垂直入射時二次電子發(fā)射系數(shù)峰值處的對應入射電子能量（m＝m(p/2)）對應的電壓，＝i/，和為常數(shù)。

1.2 非開口區(qū)對探測效率的貢獻Qs

打到MCP輸入面的電子有一部分打到非開口區(qū)上，產生的二次電子被散射后在輸入面電場的作用下仍有一部分電子可能再次進入通道內，從而輸出二次電子脈沖，其對探測效率的貢獻稱為s?？梢员硎緸椋?/p>

式中：1為打到非開口區(qū)產生的二次電子再次進入通道的平均幾率；e為輸入面電極材料的二次電子發(fā)射系數(shù)。

2 模擬計算結果及其與實際測試結果的比較

首先，針對8英寸橢球形MCP-PMT結構，在該橢球的中心處，放置外徑為33mm的標準型MCP，考慮到聚焦電極等邊界條件，為簡單起見，考慮入射的光電子垂直打入MCP的端面情況下，模擬計算MCP在PMT結構中電勢分布，采用的計算方法是：用正六面體網(wǎng)格對空間進行劃分，網(wǎng)格精度設為2mm，邊界條件設為全開放，并忽略電子的空間電荷效應。使用有限元法，可求解出各個節(jié)點的電勢的值。其中插值函數(shù)使用較為簡化的線性插值，由此可以得出空間中各處的靜電場場強大小與方向。

已知帶電粒子在電場中所受到的合外力為：

由運動學公式可知：

所以，在已知空間各處靜電場分布的情況下，使用Eular-Crome算法：

即可追蹤電子在電場中運動軌跡。垂直入射電子能量800eV下的模擬電場分布如圖3所示。

將上述模擬計算結果與公式(3)和(7)綜合起來，進行模擬計算MCP開口區(qū)域和非開口區(qū)域探測效率對總的探測效率的貢獻，所得結果如圖4所示。

上述MCP為目前普遍使用的一種開口面積比為63%、通道直徑為10mm、通道斜切角為13°、長徑比為40:1的MCP，該MCP蒸鍍Ni-Cr電極，輸入面電極穿透通道深度為6mm。

圖3 垂直入射電子能量800eV下的模擬電場分布

圖4 模擬的探測效率隨入射電子能量的函數(shù)關系（“”表示探測效率隨入射電子能量的函數(shù)關系，“”代表MCP的開口面積比，“”代表非開口區(qū)對探測效率的貢獻，“”為開口區(qū)貢獻）

由圖4可知：MCP的探測效率在對低能電子（200～900eV）探測下超過了開口面積比，而這一部分來自于非開口區(qū)的貢獻。開口區(qū)對探測效率的貢獻占較大一部分比例，略微超過開口面積比，但變化范圍較小，而非開口區(qū)的貢獻變化曲線與探測效率的變化曲線規(guī)律相似，可知提高非開口區(qū)的貢獻可以有效的提高探測效率。對于目前常用的MCP-PMT，其光陰極與MCP輸入面的壓差在200～900V左右，由模擬結果可以看出此時的探測效率在80%上下。

我們在8英寸橢球型樣管中，通過一個經過刻度的測試系統(tǒng)，獲得3只8英寸MCP-PMT（其采用的MCP正是上述模擬計算所采用的MCP），相對于濱松同種尺寸的打拿極結構的PMT，其相對探測效率如表1所示。

由此可見，微通道板非開口區(qū)域對量子效率的貢獻在15%～21%之間，當然，實際測試的MCP探測效率是綜合不同能量和角度的光電子綜合情況，而我們的模擬只是考慮垂直入射且能量單一的情形，比較特殊，但也能在一定程度上揭示微通道板非開口區(qū)域對光電子探測效率的貢獻趨勢。事實上，R5912的平均絕對收集效率為80%左右，由此推算，我們MCP的實際探測效率在60%～70%之間，我們模擬計算結果與實際測量的結果相當，證明我們采用的模型和計算方法可靠。

表1 三只MCP-PMT的相對探測效率的對比

3 提高量子MCP探測效率的有效技術途徑

3.1 在MCP輸入端面乃至通道內壁蒸鍍一層高二次電子發(fā)射系數(shù)的材料

入射電子以一定能量入射到MCP輸入面非開口區(qū)電極材料上時，會產生二次電子并溢出表面，其中既包含彈性散射電子也包含非彈性散射電子。真的二次電子通常被定義為能量低于50eV的二次電子[7]。而實際上大量電子束撞擊材料時產生的彈性散射二次電子的數(shù)量遠遠小于非彈性散射產生的二次電子，幾乎可以忽略不計。對于高二次發(fā)射系數(shù)的電極材料，單個電子產生的二次電子數(shù)越多，那么二次電子可以重新入孔的幾率就會越大，MCP輸入面收集到的電子就會增加，探測效率也隨之增加，由公式(3)和(6)以及模擬結果同樣也可以證明此結論。比如模擬上述MCP，當輸入面電極材料二次發(fā)射系數(shù)為0.97和1.2時，電子以500eV垂直入射時模擬的探測效率分別為：78.43%和83.35%，當所鍍薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)達到3時，模擬結果達到98.89%，同時在輸入面電極上鍍一層高二次發(fā)射系數(shù)的材料也可以降低MCP噪聲因子。當MCP通道內壁也蒸鍍與端面相同的高二次電子發(fā)射材料，首先，把輸入電極覆蓋掉，首次碰撞時的二次電子發(fā)射系數(shù)要高，由此獲得單光電子譜的峰谷比要好，事實也充分證明這一點。我們研制的20英寸MCP-PMT采用上述原理，將MCP輸入端面鍍膜，其二次電子發(fā)射系數(shù)估計在3～4之間，測試其單光電子譜，獲得峰谷比為4.8，而對比日本濱松公司的20英寸PMT，其垂直入射時，認定收集效率為90%，峰谷比則在3～4之間，我們測出絕對收集效率達到97.2%，接近100%。

3.2 改變輸入面電極蒸鍍方式

在開口面積比，電極材料等其他參數(shù)條件不變的情況下，為了提高MCP的探測效率，山西長城微光器材股份有限公司發(fā)明了一種用于PMT的微通道板[8]，改變了MCP輸入面電極材料的蒸鍍方式，采用定向半通道蒸鍍法，使輸入電極端面每個通道的一半有電極，另一半沒有電極，電極的深度小于通道直徑的0.5倍，輸出電極端面的電極深度為通道直徑的0.5倍。采用這種發(fā)明的電極結構（如圖5）減少了電子被輸入輸出電極吸收的幾率，提高了信號收集效率，從而提高了倍增管的增益和信噪比。

圖5 (a)輸入面電極俯視圖(b)半通道蒸鍍法電極截面圖

3.3 增加MCP的開口面積比

開口面積比很大程度上決定了MCP的探測效率，大的開口面積可以增加入射電子直接入孔的比例，由公式(3)也可以得出，其他參數(shù)不變的情況下提高開口面積比可以有效地提高開口區(qū)對探測效率的貢獻。但如果只追求大的開口面積比，會給MCP的制備工藝帶來非常大的困難。美國的Galileo公司將微通道板輸入面的通道口處理成漏斗狀或深漏斗狀，使開口面積比達到70%甚至80%。北方夜視公司也發(fā)明了一種采用溶劑刻蝕法制備喇叭口微通道板的方法，開口面積比達到68 %以上。但這些技術工藝難度都比較大，還沒有進入實質性的應用。對于其他參數(shù)相同開口面積比分別為63%和70%的兩種MCP，其探測效率模擬結果分別為83.35%和89.15%，對應的開口區(qū)的貢獻分別為：62.4%和70.1%，非開口區(qū)的貢獻分別為：20.93%和19.06%，其中通道斜切角均為13°，能量500eV電子垂直入射。

4 結論

為解決MCP-PMT在實際測試過程中由于MCP探測效率不高而導致整管的探測效率不好的問題，本文分析研究了影響MCP探測效率的主要因素，模擬計算出在特定條件下（垂直入射）開口區(qū)和非開口區(qū)對探測效率的貢獻，并討論了提高MCP探測效率的技術途徑，即：在MCP輸入端面乃至通道內壁蒸鍍一層高二次電子發(fā)射系數(shù)的材料、改變輸入面電極蒸鍍方式和增加MCP的開口面積比。其中在MCP輸入端面乃至通道內壁蒸鍍一層高二次電子發(fā)射系數(shù)的材料作為一種切實可行的技術途徑，其有效性也通過實驗數(shù)據(jù)得到了證明，MCP-PMT的探測效率得到了有效的提高。

致謝

在模擬計算過程中，得到了中國科學院西安光學精密機械研究所的陳琳和北方夜視技術股份有限公司南京分公司的王興超等同事的幫助和支持，在此一并感謝。

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CUI Kaiyuan. A microchannel plate for photomultiplier tube: China, 103762148A[P]. 2014-04-30.

Technical Approach to Improve the Detective Efficiency of Microchannel Plate forLow Energy Electron

YANG Luping1,2,3，LIU Shulin2,3，HUANG Mingju1，ZHAO Tianchi2,3，YAN Baojun2,3，WEN Kaile2,3，YANG Yuzhen2,3,4，SI Shuguang5，HUANG Guorui5，HENG Yuekun2,3，QIAN Sen2,3

(1.,,475004,;2.,,,100049,;3.,100049,;4.,210110,;5.,,210110,)

To improve the detective efficiency of the electrostatic focusing microchannel plate photomultiplier (MCP-PMT)，it is important to increase the detective efficiency of the microchannel plates. The main influence factors on the electronic detective efficiency of MCP are analyzed, the theoretical model of MCP detective efficiency is used and the electronic vertical incidence is considered，and the detective efficiency of different energy electrons(e＜1keV) incident upon the web section is simulated. With the detective efficiency of the opening section, we can obtain the total detection efficiency of MCP. Then the simulated result is compared with the actual measurement, and both are essentially consistent. At last three technological approaches are put forward. Firstly, coat thin film which has high secondary emission coefficient in the input plane electrode. Secondly, change electrode evaporation method; Finally, increase the open area ratio of MCP，and the detection efficiency obtained can be approaching100%.

photomultiplier（PMT），microchannel plate（MCP），detective Efficiency，open area ratio

TN223

A

1001-8891(2016)08-0714-05

2016-01-28；

2016-03-11.

楊露萍（1991-），女，碩士研究生，研究方向為粒子探測。

劉術林，中國科學院高能物理研究所研究員，E-mail：usl@ihep.ac.cn。

中國科學院先導專項A江門中微子實驗課題資助項目（XDA10010400）。