張斌婷 劉術(shù)林 閆保軍 韋雯露 彭華興

1（中國科學(xué)院高能物理研究所 核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室 北京 100049）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院 北京 100049）

3（中國科學(xué)院大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100049）

通道電子倍增器（Channel Electron Multiplier，CEM）是一種工作于真空環(huán)境中并用來直接探測極其微弱的荷電粒子（如電子、正負離子）和含能光子（如真空紫外、軟X射線）的電真空器件［1-3］，它除了具有探測效率高、噪聲低、動態(tài)范圍大、模擬和計數(shù)模式下增益高、時間響應(yīng)快等諸多優(yōu)點之外，還具備功耗低、體積小、重量輕、操作簡單等特點，因而廣泛地應(yīng)用于質(zhì)譜、X射線光電子能譜（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）、俄歇電子能譜學(xué)（Auger Electron Spectroscopy，AES）、核輻射和空間粒子探測器等設(shè)備中，并在空間物理、核物理、等離子體物理等領(lǐng)域中的低能帶電粒子、X射線、微小電子流和離子流之中得到應(yīng)用，是一種非常好的探測器件［4-7］。

20世紀(jì)70年代中期到21世紀(jì)初，中國科學(xué)院化學(xué)研究所、電子學(xué)研究所、上海冶金研究所、中電集團第二十六所（原1426研究所）、北京大學(xué)、沈陽玻璃實驗廠、北京東方迪泰克公司都先后用高鉛玻璃、陶瓷、陶瓷表面涂上高鉛玻璃等材料，研制出具有一定性能的單通道電子倍增器，其中，北京大學(xué)、電子學(xué)研究所和后來的北京東方迪泰克公司還能小批量供應(yīng)市場，但由于品種少、一致性差、測試不健全、市場容量有限，到目前為止，基本銷聲匿跡。盡管也有單位針對其具體應(yīng)用或者其他目的也開展性能測試研究，但沒有與制作單位最終測試聯(lián)系起來。正是由于測試分析與評價手段未能跟上，與用戶實際使用的兼容性沒人研究，后續(xù)應(yīng)用開發(fā)乏力，導(dǎo)致近年來該器件全部依賴進口。

盡管通道電子倍增器誕生于20世紀(jì)50年代末（1958年），但直到今天，能夠批量生產(chǎn)的也只有法國的Photonis公司、美國的DeTech公司（并購于Adaptas公司）和德國的Dr. Sjuts Optotechnik GmbH公司，其生產(chǎn)出的CEM型號眾多，規(guī)格齊全，但其大致水平為模擬增益可達106，脈沖增益可達108，分辨率約30%，上升時間約5 ns。上述已發(fā)展成熟且具有固定市場的公司，均有較為全面成熟的生產(chǎn)線及性能測試手段，但其價格普遍較高，購買周期長，損壞老化時無法進行及時維修更換，一定程度上限制了國內(nèi)分析和探測儀器的發(fā)展與應(yīng)用。而國內(nèi)的研究則大多數(shù)停留在對CEM的各項性能研究上，無配套的成熟測試及分析系統(tǒng)，至于極少數(shù)的研制成型的彎曲型CEM，也只是對其進行了簡單的測試分析，并未有更進一步地推廣研究［8-11］。

在眾多型號和規(guī)格的CEM中，為提高收集效率，其輸入端絕大多數(shù)采用喇叭口結(jié)構(gòu)，而與喇叭口連成一體的倍增區(qū)，則種類繁多。其中制作工藝技術(shù)難度最大的是通道彎曲成螺旋結(jié)構(gòu)而外端面仍為圓柱面結(jié)構(gòu)，其孔徑的大小、螺距及其直徑等直接影響CEM的性能（包括增益、離子反饋率等）。本研究即針對這種螺旋通道的CEM，借鑒了微通道板的玻璃配方，重新設(shè)計出了適用于通道電子倍增器的玻璃配方，開展玻璃材料、工藝和測試分析研究，經(jīng)高溫熔煉、喇叭口與螺旋通道加工整合成型、后續(xù)的燒氫還原，改變玻璃表面的物理性質(zhì)，使其具有合適的電阻和二次電子發(fā)射系數(shù)，最后再進行外部的截斷打磨與輸入、輸出電極蒸鍍，最終制作出性能指標(biāo)接近國外同行同類器件水平的器件，并在已有的實驗條件下加以性能測試，對其進行綜合全面的研究評價。

1 工作原理和測量裝置

1.1 工作原理

CEM通常是由鉛鉍硅酸鹽玻璃或者陶瓷等具有適當(dāng)?shù)碾娮杪屎投坞娮影l(fā)射系數(shù)的材料制成的，且其形狀可以根據(jù)應(yīng)用要求而進行改變，一般分為兩種：直管型和彎管型（圓弧形、波紋形、螺旋形等），后者在設(shè)定的彎管的曲率半徑小于某個值時，可以有效地抑制離子反饋效應(yīng)，減少因正離子在電場作用下與管壁碰撞產(chǎn)生的二次電子形成的后脈沖，提高探測效率［12］。通常將CEM置于真空度優(yōu)于10-4Pa的密封真空腔室中，施加2 500 V左右的高壓，其經(jīng)過燒氫還原之后的黑色玻璃內(nèi)表面，既可以起電阻分壓的作用，又可以起激發(fā)產(chǎn)生二次電子的倍增作用。帶電的初始粒子從CEM的低壓輸入端進入，在電場的作用下加速運動，會撞擊在管壁上，從而激發(fā)出二次電子，如此的倍增過程在電場的作用下不斷重復(fù)，會產(chǎn)生越來越多的二次電子，最終從CEM的高電位輸出端發(fā)射出來，從而實現(xiàn)將微弱的小信號倍增的目的［13］，圖1為最常見的直通道式CEM的電子在管道內(nèi)壁的倍增示意圖。

圖1 電子倍增示意圖Fig.1 Schematic of electron multiplication

為了提高探測效率，可以把CEM的輸入端做成喇叭口的形狀，從而達到提供一定的輸入電場和接收更多的入射粒子的目的，本文所研制的CEM即采用這種收集方式。CEM的通道內(nèi)壁表面在經(jīng)過高溫氫氣還原工藝處理之后的殘余氣體會在電場的作用下發(fā)生離子化，形成正離子，向通道的輸入端運動，碰撞時激發(fā)產(chǎn)生二次電子，從而導(dǎo)致“離子反饋”，為抑制此干擾信號，本文所研制的CEM采用外部為直管，中心為彎曲的螺旋小孔結(jié)構(gòu)，圖2（a）和（b）為本實驗自行研制的CEM結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖。

圖2 CEM結(jié)構(gòu)示意圖(a)和實物圖(b)Fig.2 Structural schematic (a) and photograph (b) of the CEM

根據(jù)輸入信號的電荷量大小，可以將CEM的工作狀態(tài)分為兩類：模擬模式和脈沖計數(shù)模式。二者對輸入信號的產(chǎn)生和陽極信號的讀出要求不同，其具體的測量裝置介紹如下。

1.2 測量裝置

模擬工作模式下，CEM的輸入信號為直流，通常在幾十至幾百皮安。一般情況下，CEM的工作環(huán)境要求真空度優(yōu)于10-4Pa，其輸入和輸出電極均通過安裝在真空法蘭上的高壓饋通電極連接到外部的高壓電源，由涂有鋁膜的熒光屏組成的圓形陽極收集信號，該信號被連接至一個外部電極，由可測幾納安至幾百微安電流的電流計讀出。輸入信號是通過直接加熱CEM測試工位正下方的盤香型鉭燈絲產(chǎn)生的。這種方法可以在較低的功率下，使熱電子發(fā)射體的溫度達到較高值。輸入電流的值是通過調(diào)整鉭燈絲的電流來控制的，可以從皮安到微安進行控制。然后，在不同的工作電壓和輸入電流下測試CEM的增益。圖3為模擬模式下CEM測試原理的示意圖。

圖3 測試原理圖Fig.3 Schematic of the test principal

脈沖計數(shù)工作模式下，CEM的輸入信號明顯變小，由原先的微弱皮安級的直流降低為單個或數(shù)個的入射的光電子信號。在本實驗中，信號發(fā)生器激發(fā)位于CEM正下方的深紫外LED（中心波長為275 nm）發(fā)射光子。信號頻率通常為1 kHz，寬度為40 ns。產(chǎn)生的光子經(jīng)過石英窗口與透射式金陰極發(fā)生光電轉(zhuǎn)換，由此產(chǎn)生所需的入射電子信號。選擇金作為光陰極是由于金的功函數(shù)低且對紫外光敏感［14］。如圖4所示為脈沖計數(shù)模式下CEM測量原理的示意圖。單個入射電子經(jīng)CEM倍增之后輸出的是一個負脈沖信號，其常見的讀出和分析方式有兩種：第一種為采用一個經(jīng)過刻度的低噪聲電荷靈敏型放大器，對陽極輸出的脈沖信號進行電荷量的積分，使其轉(zhuǎn)換為幅值信息，再利用多道分析器將超過一定閾值的脈沖的幅值記錄下來輸出為直方圖，得到脈沖高度分布圖后進行數(shù)據(jù)分析［15］。第二種為利用示波器和同步觸發(fā)的方式采集一定數(shù)量的波形，通常采集兩萬個波形數(shù)據(jù)，利用離線數(shù)據(jù)分析的方法對每一組采集到的波形進行積分，然后對獲得的輸出電荷譜進行分析，對單電子峰進行擬合可以獲得描述CEM探測單電子能力的相關(guān)參數(shù)。本實驗采用第二種方法。

圖4 脈沖計數(shù)模式下的測試原理圖Fig.4 Schematic of the test principal in the pulse-counting mode

2 結(jié)果和討論

2.1 模擬模式下的性能

CEM的電阻決定其在工作狀態(tài)下的傳導(dǎo)電流，過小時會使傳導(dǎo)電流過大，在加電壓時熱效應(yīng)嚴(yán)重，損傷其探測性能和使用壽命，過大則導(dǎo)致傳導(dǎo)電流過小，無法及時補充因二次電子發(fā)射而失去的電荷，使其探測的死時間增加和增益偏低。一般情況下，通過調(diào)整鉛鉍硅酸鹽玻璃中氧化鉛和氧化鉍的含量和改變高溫氫氣還原時的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間，可以獲得較好的電阻效果。電阻可根據(jù)其在模擬模式工作時，CEM兩端所施加的電壓與其通道內(nèi)壁的傳導(dǎo)電流的比值獲得。在工作電壓為1 kV、1.5 kV和2.5 kV時，測量得到的CEM的電阻分別為123 MΩ、110 MΩ和80 MΩ，隨著電壓的增加而有所下降，此現(xiàn)象為玻璃本身的特性導(dǎo)致。在固定的工作電壓1.5 kV下，CEM的電阻在一開始略有上升，隨后在一個穩(wěn)定值上下有微小的波動，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 電阻隨時間變化關(guān)系Fig.5 Temporal variation of resistance

增益為CEM最基本也是最關(guān)鍵的參數(shù)之一，顯示了它對微弱信號的捕捉和倍增能力，可以影響整個質(zhì)譜儀系統(tǒng)的探測效率。模擬模式下，增益的計算公式為輸出電流Iout除以輸入電流Iin，通常在104～106。通道內(nèi)壁的二次電子發(fā)射系數(shù)（與鉛鉍硅酸鹽玻璃中金屬氧化物的成分和含量、高溫氫氣還原過程、表面粗糙度有關(guān)）、工作電壓、通道的長徑比和實際形狀等因素都會影響CEM的增益。圖6（a）和（b）為CEM在模擬模式下的增益隨電壓和2 000 V電壓下增益隨輸入電流的變化關(guān)系。測試條件為真空度4.5×10-4Pa，陰極-300 V，CEM輸入接地，CEM輸出為可以改變的正電壓，陽極電壓始終高于CEM輸出300 V，輸入電流為25 pA、57 pA、106 pA、180 pA、243 pA、373 pA和570 pA。當(dāng)輸入電流增加時，CEM的增益有所下降，這與它的飽和效應(yīng)有關(guān)。

圖6 增益隨電壓(a)和輸入電流(b)的變化Fig.6 Gain variation with voltage (a) and input current (b)

2.2 脈沖計數(shù)模式下的性能

紫外發(fā)光二極管激發(fā)的光子照射至金陰極表面因光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子、一次入射光電子在電場的作用下運動至孔道內(nèi)壁時的撞擊位置、通道表面的二次電子發(fā)射系數(shù)和每次撞擊后的撞擊次數(shù)都是一個隨機的過程。因此，當(dāng)輸入信號極其微弱時，可以認(rèn)為輸出的總電子數(shù)目服從高斯分布。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的脈沖電壓的幅值，可以控制深紫外發(fā)光二極管的光強，從而使單個脈沖所調(diào)制的紫外光透過金陰極產(chǎn)生的光電子概率約為10%［16-17］，將此狀態(tài)下的輸出脈沖電荷分布定義為單電子譜，讀取一系列電壓下的輸出電荷分布，進而計算出增益、峰谷比和分辨率。其中，增益的計算公式為Gain=（Qsignal-Q0）/e，Qsignal代表單電子峰所攜帶的電荷量，Q0代表基線所攜帶的電荷量，e為電子電荷量。峰谷比的計算公式為P/V=peak/valley，peak代表單電子的峰值，valley代表單電子峰與基線峰的谷值。分辨率為輸出信號電荷譜的單電子峰分辨率，反應(yīng)CEM單電子探測能力的強弱，其計算公式為Resolution=σsignal/（μsignal-μ0），σsignal和μsignal分別代表單電子峰的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值，μ0代表基線的平均值。上述計算公式中的值可由擬合曲線獲得。圖7為2.5 kV電壓下的輸出電荷譜和擬合曲線，自右向左的第一個擬合峰為噪聲信號的臺階峰，其中心值約等于零，可以忽略不計，第二個擬合峰為輸出信號的單電子峰，其中心值為經(jīng)過CEM倍增放大之后所攜帶電荷量的平均值。圖8（a）和（b）為增益與分辨率隨電壓變化圖，表1為不同電壓下的峰谷比的值。可以看出，當(dāng)工作電壓增加時，CEM的單電子探測能力變強，具體表現(xiàn)為增益和峰谷比的提高。測試條件為真空度4.5×10-4Pa，陽極電壓接地，CEM輸出為-200 V，CEM輸入為可以改變的負電壓，且始終高于金陰極200 V。

表1 不同電壓時的峰谷比Table 1 P/V at different voltages

圖7 輸出電荷分布（2.5 kV）Fig.7 Distribution of output charge (2.5 kV)

圖8 增益(a)和分辨率(b)隨電壓變化圖Fig.8 Gain variation (a) and resolution variation (b) with voltage

上升時間為波形信號的上升沿從10%上升為90%的時間差，反映CEM的時間響應(yīng)速度。由于電子倍增過程存在隨機效應(yīng)，上升時間也服從高斯分布，如圖9（a）所示。當(dāng)工作電壓增加時，CEM內(nèi)部的電場增強，導(dǎo)致每次碰撞所產(chǎn)生的電子數(shù)目和總碰撞次數(shù)的增加，電子運動的總路徑變得更長，脈沖信號的上升時間變慢。然而，當(dāng)工作電壓繼續(xù)增加時，通道內(nèi)電子在同樣的運動距離下獲得的能量增加，運動速度變快，到達陽極的總時間變短，脈沖信號的上升時間變快。圖9（b）為上升時間隨電壓的變化關(guān)系，可以看出，由于電場逐步增加而引起的上述兩個過程各占主導(dǎo)位置的轉(zhuǎn)變電壓約為2.3 kV。

圖9 上升時間分布（2.4 kV）(a)和上升時間隨電壓變化圖(b)Fig.9 Rise-time distribution (2.4 kV) (a) and rise time variation with voltage (b)

3 結(jié)語

本文基于自主研制成型的CEM，在兩種不同的工作模式下進行了測試。結(jié)果表明：模擬模式時，CEM的電阻在120 MΩ以內(nèi)，其增益為1×104～1×106，隨著電壓而增加，但隨著輸入電流的增加而有所下降。脈沖計數(shù)模式時，其增益上升兩個數(shù)量級，可達1×107～1×108，上升時間為2～3 ns，峰谷比和分辨率可達33.5和20%。綜上所述，本實驗自主研制的CEM的性能表現(xiàn)較佳，可以滿足其作為探測元器件在質(zhì)譜儀器上進行使用。

作者貢獻聲明張斌婷負責(zé)論文撰寫，實驗的制定與測試；劉術(shù)林提供論文整體思路，指導(dǎo)論點，把握論文整體框架且進行修改；閆保軍給予指導(dǎo)意見，對實驗方案進行指導(dǎo)和建議；韋雯露、彭華興參與實驗，整理數(shù)據(jù)。