微通道板增益对光子计数探测器成像性能影响

韩素立，尼启良，张宏吉，何玲平，陈 波

（1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 空间一部，吉林 长春130033；2.中国科学院大学，北京100039）

引言

极紫外相机采用EUV多层膜反射镜和光子计数成像探测器探测极微弱的紫外光辐射信号。光子计数成像探测器具有分辨率较高、噪声低、探测动态范围大［1－2］和在极紫外波段量子探测效率高［3］等优点，被广泛应用于空间探测［4］。在光子计数成像探测器中，微通道板的主要作用是一个大面阵二维电子图像倍增器［5－7］。其增益大小以及电子倍增过程中信噪比分布特性对光子计数探测器的成像性能有很大影响。研究增益特性十分必要。

采用光阴极产生的光电子作为入射电流测量球面微通道板的增益。由于光阴极透过的紫外光经微通道板电极进行光电转换后会产生额外的增益，因此测量了20nm厚的透射式金光阴极的紫外透射率曲线。测出了三极级联球面微通道板的增益随电压变化曲线。

在一定的范围内随着电压的增加，增益增大，探测器的分辨率增加，当电压增大到一定程度，探测器的分辨率降低。电子云的计数随能量的变化即为脉冲高度分布（PHD）。脉冲高度分布包含信号和各类噪声电子能量大小与其总输出光电子数占得比例，可以获得微通道板增益分布。脉冲高度分布的峰谷比越大，脉冲能量分辨率越小，光子计数探测器的性能越好。因此，可通过测量脉冲高度分布，优化光子计数探测器的整体性能。

1 采用光阴极产生的光电子测增益

1.1 增益测量原理

采用光阴极测增益的方法为：紫外光经光阑照射光阴极后产生的光电子源作为入射电流，入射电子经微通道板倍增后的出射电子由电极收集作为出射电流。根据电流增益的表达式G＝Iout／Iin，可以测得微通道板的增益。实验采用的光阴极为透射式金光阴极，光源为产生200nm～400nm紫外波段的氘灯。

1.2 透射式金光阴极

采用的透射式金光阴极是在厚度为1.5mm石英玻璃上面镀大约20nm厚的Au薄膜，由于Au金属薄膜可以多次暴露在大气之中而不改变其光电发射特性［8］，且光电密度分布均匀。所以一般采用投射式Au光阴极来探测微通道板的增益。Au的功函数约为4.8eV和实验室常用的低压汞灯（发射波段253.7nm（4.9eV））和氘灯发射的紫外连续光谱非常匹配。因此在200nm～300nm之间有较高的量子效率。

采用Lambda光谱分光光度计测得的金阴极的反射率和透过率曲线如图1所示。

由图1可以看出：反射率随波长增加而增加。透射率在4.5eV附近有一个谷值。金阴极在紫外波段的透过率约为3.4%，此透射光经微通道板Ni-Cr电极（在200nm～400nm，量子效率＜0.01）引起的附加增益对测量造成的误差约为3%。透射式金光阴极光电子收集装置（如图2所示）可以测得光电子电流。此电流作为微通道板的入射电流。

图1 透射式金光阴极透射率（虚线）和反射率（实线）Fig.1 Reflectivity（solid）and transmissivity（dash）of transmission-mode Au photocathode

图2 透射式金光阴极光电子收集装置Fig.2 Photoelectric collecting equipment of transmission-mode Au photocathode

透射式光阴极和收集极之间采用聚四氟材料固定和绝缘。由ORTEC公司生产的556型高压电源提供负高压，采用KITHLEY公司生产的6485型皮安表测量微弱电流，最小量程为20fA。

由金阴极的发射特性可知，当电压小于50V时，金阴极发射的光电子电流随电压增加而增加。当电压超过50V时，金阴极发射的光电子电流基本保持不变，约为0.32nA。

出射电流测量装置如图3所示。

由公式G＝Iout／Iin，计算出球面微通道板的增益如图4所示。

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

1.3 增益测量结果和分析

由图4可以看出，1片MCP增益随电压线性增加，1片微通道板很难达到更高的增益。2片以上MCP叠加能够抑制离子反馈并且可以获得高增益的电荷脉冲信号输出。3片MCP的增益可以达到107。图5中的增益曲线同Arradiance公司给出的微通道板增益曲线趋势一致，但增益比国外产品低些，说明了本文增益测量的正确性。

增益测量误差来源主要有3个，一是光源辐射波动引起的误差（约为2%）；二是金光阴极的紫外透过率引起的误差（约3%）；三是电磁干扰造成的误差（控制在3%）。计算得到总的测量误差约为4.7% 。为了减小误差可以使镀的金薄膜更厚，从而减少因透过的紫外光引起的误差。

2 微通道板增益对光子计数探测器成像性能影响

2.1 光子计数成像探测器及主要组成

微通道板光子计数成像探测器结构，如图5所示，主要是由球面微通道板、感应电荷位置灵敏楔条形阳极和相关读出电路构成。其中位置读出电路包括电荷灵敏前置放大器（CSA）、整形放大器（AMP）、峰值保持电路（S／H）、模数转换器（ADC）以及脉冲叠加拒绝电路组成。采用的楔条形阳极是由细的绝缘沟道分割成的楔形（Wedge，W）、条形（strip，S）和（Zigzag，Z）3个电极。电子云的质心位置x和y 由（1）式给出［9］：

式中：QW、QS和QZ分别为 W、S和Z电极收集到的电荷量。

根据微通道板倍增的电子云脉冲个数和脉冲的能量（WSZ 3个电极经电路处理后的电压信号大小之和）的关系即为脉冲高度分布（PHD）曲线。当入射光子为单光子状态，经裸露微通道板电极光电转换成离散的电子时，电子经微通道板倍增的电子云信号经电荷灵敏前置放大器后，输出一个与此电荷量成比例的电压信号［10－11］，电荷灵敏前置放大器的电压输出的幅值Vout为

图5 微通道板光子计数成像探测器结构图Fig.5 Structure of MCP photon counting imaging detector

式中：QD为电子云脉冲信号的电荷量；Cf为电荷灵敏放大器的反馈电容。Cf越小，转换灵敏度越高。电荷灵敏放大器的反馈电容约为10－12f。

2.2 脉冲高度分布

脉冲高度分布（PHD）给出了电子云脉冲信号和各类噪声的能量大小以及不同能量脉冲的个数。MCP产生的离子反馈噪声位于低能区，放射性线辐射噪声位于高能区。如果通过电子学处理，斩除离子反馈噪声和高能离子噪声，只让信号进行放大，这样可以使微通道板噪声降低使其可以探测极其微弱的信号。不同电压下的计数率脉冲高度分布曲线如图6所示。可以看出随着电压的增大，微通道板光子计数探测器计数率增大。定义脉冲高度分布峰值处为模式增益G，脉冲的能量分辨率为Re＝ΔG／G，其中ΔG为PHD的半宽度（FWHM）。脉冲高度分布的能量分辨率从3 700开始增大，因其在3 700V时峰谷比最大，能量分辨率相对较小。光子计数探测器成像性能最好。

从图6可得，随着电压的升高，高能区的脉冲数增多，每个电子云脉冲包含更多的电子，增益增大。同采用透射式光阴极测得的增益随电压变化结果一致。

图6 不同电压下的脉冲高度分布Fig.6 PHDs at different volts

由不同电压下的暗计数率曲线（图7）可以看出，随着电压的升高，暗计数增加，高能区的噪声变大。可能是由于MCP中的残余气体被电离引起的噪声和MCP玻璃中含的40K放射性衰变引起的噪声组成。

图7 不同电压下暗计数Fig.7 Dark counts at different volts

2.3 增益对分辨率影响

当电压较低时，增益较小，系统分辨率降低。但是探测器要获得高的分辨率，并非电压越大越好，而是要选择适宜的电压。电压过大，分辨率降低有多种原因。当电压过大时，信噪比变差。另一方面，输出脉冲数过多出现脉冲堆积现象，电子云脉冲质心解码时出现误差。

如图8所示，在3 700V时光子计数成像探测器可以分辨到4.49lp／mm（第2组第2个单元），分辨率最好。当电压较低时，增益变小，系统分辨率降低（3.56lp／mm，第1组第6个单元）。当电压升高时，增益增加，但是微通道板倍增的电子云在高能区暗计数增加，分辨率降低（3.56lp／mm）。

图8 不同电压下3块MCP所成分辨率图像Fig.8 Images of three MCPs at different volts

3 结论

微通道板作为二维位置灵敏阳极光子计数成像探测器的图像倍增器件，其增益性能对探测器的成像质量有很大影响。采用了透射式金光阴极对增益进行了测量，测量结果表明：三级级联微通道板能够抑制离子反馈噪声并且可以获得高的增益。通过PHD分析得到，随着电压的增加，计数率和峰谷比增高，电子云尺寸更加均匀，探测器的分辨率提高；而当电压过大时，暗噪声也随之增大，脉冲高度分布的能量分辨率上升，高能部分的电子云增加，探测器的分辨率下降。因此电压过大或过小都会影响探测器的成像性能，需要优化电压，选择合适的增益，获得高的分辨率图像。

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