司曙光，金 真，黃國瑞，王興超，孫建寧，蘇德坦，任 玲，徐海洋， 吳 凱，金睦淳，黃之瑤，李 珅，顧 燕，王 寧，石夢瑤，張 成， 曹宜起，王 志，張昊達，湯偲晨

（1.北方夜視技術股份有限公司，江蘇 南京 211106；2.微光夜視技術重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引言

近年來，紫外探測技術越來越受到人們的重視，是繼可見光、紅外輻射技術之后又發(fā)展起來的一項重要的光電探測技術[1]，紫外線輻射在很多現(xiàn)象中都存在，宇宙空間中太陽輻射、石油和酒精燈燃燒的火焰、氣體污染物分子、閃電放電以及高壓電力設備的電暈現(xiàn)象等都含有紫外線輻射[2]。由于大氣臭氧對波長200 nm～300 nm 的紫外光具有強烈的吸收作用，此區(qū)域被稱為日盲區(qū)[3]，紫外光在大氣傳輸時損耗嚴重，不利于長距離通信，但對于局域通信和告警系統(tǒng)，紫外光卻有極大的優(yōu)勢：紫外波段通信保密性高，紫外光不可見，且通過大氣散射方式向四面八方傳播信號，因而很難從傳播的信號中得到紫外光源的準確信息；紫外探測環(huán)境適應性強，具有全天候性，在近地面的日盲區(qū)，紫外輻射強度十分微弱，白天和晚上干擾的暗噪聲都很??；紫外探測具有全方位的特點，可以以非視距的方式傳輸信號；紫外探測可實施性、可靠性高，紫外光通信可采用車載式、機載式、艦載式等，故也應用于“神光III”、“紫外通信”、“小彈頭”、“025 導彈驅逐艦”等重要軍事工程。

紫外探測技術的關鍵器件為紫外光電倍增管，光電倍增管是一種將極微弱的光信號轉化為電信號的真空器件。光電倍增管分為傳統(tǒng)打拿極型和微通道板型兩種。微通道板型光電倍增管（Microchannel Plate Photomultiplier Tube，MCP-PMT）是一種具有高增益、高分辨、快時間響應、低功耗的新型光電器件。它與打拿式倍增管相比，主要區(qū)別在于電子倍增采用的是多單通道列陣排列，厚度僅有0.4 mm 左右的微通道板。因此具有體積小、重量輕、引線少、耐沖擊與振動等特點[4]。目前，國外光電倍增管的研制和生產廠商有日本Hamamatsu（濱松）、英國ET、俄羅斯BINP 和MELZ 公司。其中日本濱松產品有紫外微通道板型光電倍增管，代表型號分別是R5916U-53、R3809U-53，光陰極尺寸為φ10 mm，光陰極材料為Cs2Te，倍增結構為兩片微通道板，陰極輻射靈敏度30 mA/W@250 nm，增益為2×105，上升時間為0.18 ns 左右。

國內主要的光電倍增管生產廠家有：北方夜視、中國電子科技集團有限公司第五十五研究所（55 所）、北京濱松、北京中核控制系統(tǒng)有限公司（CNCS）、華東電子管廠（741 廠）、海南展創(chuàng)公司和北京高新貝森公司。北京濱松為Hamamatsu 在中國的合資公司，主要生產低端的常規(guī)光電倍增管；CNCS 和741廠是生產光電倍增管歷史悠久的國有企業(yè)，主要生產傳統(tǒng)的打拿極型光電倍增管；北京高新貝森公司為一家民企，主要生產一些特種功能的光電倍增管；55 所對光電倍增管的生產，主要是對基于小型近貼聚焦型微通道板型光電倍增管的研制和生產；海南展創(chuàng)光電技術公司是引進法國Photonis 公司生產線的私營企業(yè)，主要生產醫(yī)療配套用的打拿極型小尺寸光電倍增增管。

國外紫外光電倍增管對中國軍事禁運，而國內紫外光電倍增管起步較晚，產品技術性能薄弱，與國外差距巨大，55 所、741 廠具有研制紫外光電倍增管的能力，但目前市場上同類產品主要被日本濱松所壟斷，故對紫外光電倍增管的研究迫在眉睫。

北方夜視基于目前國內外的紫外光電倍增管的大背景環(huán)境下，自主研發(fā)紫外微通道板型光電倍增管（MCP-PMT），并對其單光子特性和時間特性進行研究。

1 研制及測試方法

1.1 產品外形

自主研發(fā)的紫外MCP-PMT 如圖1 所示。

其中進光方式為端窗式；光窗材料為MgF2；陰極為Cs2Te；微通道板數(shù)量為兩片疊加；金屬片作為陽極信號接收極。

1.2 分壓器

紫外MCP-PMT 可以使用分壓器對各電極進行電壓加載，也可以使用高壓電源對單個電極加載電壓，本文采用高壓電源加分壓器的方式對各級進行分壓，如圖2 所示。

1.3 測試方法

1.3.1 陰極輻射靈敏度

硬件及連接如圖3 所示，光源為標準光源，測試光源強度在10－7W～10－4W。

圖2 紫外MCP-PMT 分壓器原理圖Fig.2 The voltage divider of UV MCP-PMT

圖3 陰極輻射靈敏度測試系統(tǒng)Fig.3 Cathode radiation sensitivity test system

開啟光闌，使用光功率計測量出射光的輻通量Φk，保持光源出射條件不變，使用待測紫外MCP-PMT接收光源輻射，在光陰極與聚焦電極之間加載合適的電壓，使陰極輸出電流達到飽和狀態(tài)，測量待測PMT輸出光電流Ik，關閉光闌，測量PMT 輸出暗電流Ikd。陰極靈敏度按下式計算：

式中：Skr為陰極輻射靈敏度，mA/W；Ik是開啟光闌的陰極光電流，μA；Ikd為關閉光闌測得的陰極暗電流，單位為μA；Φk為輻通量，W。

1.3.2 單光子性能

當光通量變得微弱時，在光電倍增管的時間分辨率內（脈沖寬度）幾乎沒有兩個以上光電子存在的狀態(tài)，就叫做單光電子領域。

如圖4 所示，信號發(fā)生器輸出兩路同步矩形脈沖信號，信號頻率1 kHz。一路作為電荷數(shù)字轉換器（Quantity-to-Digital Convertor，QDC）的觸發(fā)信號，脈沖寬度150 ns；另一路作為驅動信號驅動LD 發(fā)光。調節(jié)驅動脈沖幅度，使光源發(fā)光10 次，PMT 只探測到一次光電信號。將陽極輸出信號輸送到放大器，然后輸送到QDC 設備上測試單光電子譜。

圖4 單光子性能測試系統(tǒng)Fig.4 Cathode radiation sensitivity test system

典型的單光子譜如圖5 所示，PMT 探測到光子的概率服從泊松分布[5]。

探測到一個光子的概率是探測到多個光子的19倍，因此在所需的增益下，當信號峰的面積除以整個單光子譜的面積為10%時，此時的電荷譜認為是單光子譜。

圖5 典型單光子譜Fig.5 Typical single photon spectrum

單光電子譜有兩個高斯峰，一個為電子學臺階峰，另一個為單光電子脈沖電荷分布峰，電子學臺階峰和單光電子脈沖電荷分布峰，峰位分別為Xped和Xsig，測試儀器每道電荷量為q（其中QDC 設備每道電荷量q＝25 fC），則電子增益為：

式中：e 為電子電荷量。

單光電子脈沖電荷分布峰的峰值計數(shù)為Np，兩個峰之間谷位置計數(shù)為Nv，則峰谷比P/V為：

單光子譜使用高斯函數(shù)擬合，擬合寬度為峰位正負1.5σ，σ為擬合函數(shù)的標準差，則能量分辨率為：

1.3.3 暗計數(shù)

光電倍增管的暗噪聲主要來源為陰極的熱發(fā)射，紫外MCP-PMT 陰極尺寸較小，故具有低噪聲的優(yōu)勢。

光電倍增管在無光入射的情況下，陽極也會產生計數(shù)，即為暗計數(shù)。將紫外MCP-PMT 安裝在暗室里面，加載指定增益左右的工作電壓，老煉16 h。老煉后，調節(jié)輸出電壓值，使PMT 增益達到規(guī)定值，將陽極輸出信號輸送到放大器，經過放大后的信號輸送到閾值甄別器進行過閾甄別，甄別器閾值設置為1/4 PE 乘以放大器放大倍數(shù)，超過閾值的信號被整形為矩形脈沖信號，經過甄別器后的信號輸送到定標器，定標器對矩形脈沖信號進行計數(shù)，關閉測試光源，測試暗噪聲脈沖數(shù)量。暗計數(shù)率為暗噪聲計數(shù)值除以測試時間。

圖6 暗計數(shù)性能測試系統(tǒng)Fig.6 Performance test system of dark count

1.3.4 時間性能

如圖7 所示，信號上升時間指在單光電子輸入狀態(tài)，在陽極輸出的信號波形前沿，脈沖幅值的10%和90%的點出現(xiàn)的時間間隔的平均值。信號下降時間指在單光電子輸入狀態(tài)，在陽極輸出的信號波形后沿，脈沖幅值的90%和10%的點出現(xiàn)的時間間隔的平均值。

圖7 時間特性Fig.7 Time characteristics

按圖8 連接測試系統(tǒng)，信號發(fā)生器輸出頻率為1 kHz 的兩路同步矩形脈沖信號，一路接到示波器，作為其觸發(fā)信號，脈沖寬度設為150 ns，；另一路作為驅動信號驅動LD 發(fā)光，調節(jié)驅動脈沖幅度，使光源發(fā)光10 次，PMT 只探測到一次光電信號。將陽極輸出信號接到示波器另一通道，使用測試軟件測試信號前沿從幅度值的10%上升到90%的時間和信號后沿從幅度值的90%到10%的時間，分別為單個波形的上升時間和下降時間，測試大量波形的上升、下降時間，統(tǒng)計上升、下降時間分布。

圖8 時間特性測試系統(tǒng)Fig.8 Test system of time characteristics

2 測試結果及性能對比

2.1 測試結果

本次選用兩只紫外MCP-PMT，編號為PMT1、PMT2，響應波長為120 nm～300 nm，最大靈敏度波長為250 nm，按上述測試方法評估其8項關鍵性指標：陰極輻射靈敏度、單光子性能（增益、峰谷比、能量分辨率）、暗計數(shù)、時間性能（上升時間、下降時間）等，測試數(shù)據見表1 所示。

表1 紫外MCP-PMT 測試結果Table 1 The test results of UV MCP-PMT

2.2 性能分析

2.2.1 陰極輻射靈敏度

目前濱松成熟產品R5916U-53、R3809U-53 的陰極輻射靈敏度（@250 nm）約30 mA/W，北方夜視自主研發(fā)的紫外MCP-PMT 已有試制管可以達到同等水平，但工藝還不夠穩(wěn)定，造成良品率低。而北方夜視所研發(fā)的紫外像管目前陰極輻射靈敏度可達 40 mA/W，后續(xù)將引進此工藝，繼續(xù)提升紫外MCP-PMT的陰極輻射靈敏度。

2.2.2 單光子性能

如圖9、圖10 所示，PMT1 和PMT2 的增益已達106，工作電壓較低（～2000 V），峰谷比較高（～5），能量分辨率較好（～20%）；濱松 R5916U-53、R3809U-53 的工作電壓較高（～3400 V），增益在105數(shù)量級，故單光子性能遠超濱松同類MCP-PMT 產品。

分析增益較高的原因：紫外MCP-PMT 使用目前國際最先進的原子層沉積（Atomic layer deposition 簡稱ALD）技術[6]，如表2 數(shù)據所示。通過在MCP 輸入面沉積高二次發(fā)射電子發(fā)射層，可以使MCP 的探測效率突破開口面積比限制，大幅度提高其峰谷比和探測效率。同時通過在通道內壁表面沉積膜層，可以有效減小MCP 工作時的放氣量，維持工作環(huán)境的高真空狀態(tài)，減少離子反饋，極大延長PMT 的壽命。

圖9 PMT1 單光電子譜Fig.9 Single photon spectrum of PMT1

后面需要從工藝上摸索，試驗不同的二次電子發(fā)射層材料，來提高微通道板的增益；試驗不同電阻層材料，優(yōu)化微通道板電阻一致性；通過在微通道板表面蒸鍍二次電子發(fā)射系數(shù)高的材料，提高入射電子收集效率；試驗不同鍍膜溫度、蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)對微通道板的性能影響，優(yōu)化出最佳鍍膜溫度和摸索最佳循環(huán)蒸鍍次數(shù)；優(yōu)化電極膜層與發(fā)射層的蒸鍍工藝，提高微通道板的能量分辨率，從而進一步提高紫外MCP-PMT 的單光子性能。

圖10 PMT2 單光電子譜Fig.10 Single photon spectrum of PMT2

表2 ALD 鍍膜前后增益情況Table 2 Gain before and after ALD coating

2.2.3 時間性能

陽極輸出波形如圖11 所示。由波形圖可以看出，此管型目前上升時間約1 ns。而濱松同類產品的上升時間可達180 ps，故在快速時間響應方面還有較大差距。

圖11 紫外MCP-PMT 波形圖Fig.11 The waveform of UV MCP-PMT

針對時間性能的問題，擬采取以下方式進一步提升：縮短通道板到陽極距離，可提升時間性能[7]；改進陽極結構，目前為單陽極片結構，如圖1 所示，由于通道板輸出到陽極電容較大，影響時間性能，擬計劃使用錐形陽極，如圖12 所示。利用電子光學仿真軟件CST Studio Suite，建立光電倍增管電子光學模型，如圖13 所示，仿真計算內部電場分布，計算光電子運行軌跡，提升上升時間。

圖12 錐形陽極設計圖Fig.12 The design of conical anode

圖13 仿真電場分布Fig.13 Simulation of electric field distribution

由于紫外MCP-PMT 研發(fā)時間較短，時間性能上還未達到濱松同類產品的水平。下一步，我們將在目前已有高增益、高分辨率產品優(yōu)勢的基礎上，繼續(xù)提升紫外MCP-PMT 的時間性能，爭取未來在紫外微通道板型光電倍增管領域上趕超濱松。

3 小結

本文介紹了紫外微通道板型光電倍增管的應用領域、國內外現(xiàn)狀，研究了微通道板型光電倍增管的陰極性能、單光子性能及時間性能，相對國際目前同類型管型，具有高增益、高分辨率[8]等的特點，為紫外微通道板型光電倍增管的實際應用提供了可靠的實驗依據。