双片级联MCP系统信噪比特性的研究

李阳

摘 要：微通道板（Microchannel Plate，MCP）是一种特殊光学纤维器件，是一种先进的具有传输、增强电子图像功能的电子倍增器，具有体积小、重量轻、分辨率好、增益高、噪声低、使用电压低等优点。信噪比是评价光电器件工作性能的重要指标，因此抑制级联微通道板噪声，提高信噪比具有重要意义。以无加速电场的双片微通道板结构和有加速电场的双片微通道板结构为研究对象，改变其工作条件，分别针对无加速电场的双片微通道板结构和带有加速电场的双片微通道板结构的信噪比进行测试。实验结果表明，带有加速电场的双片级联MCP结构比无加速电场的双片级联MCP结构具有更高的信噪比。

关键词：双片级联微通道板 信噪比 加速电场

中图分类号：TN15 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（c）-0023-03

微通道板（MCP）是由具有高二次电子发射系数的铅玻璃制成。工作时在微通道板两端加有一定的工作电压，具有一定能量的一次电子轰击MCP管壁时，会激发二次电子从管壁内逸出，在电场的作用下，电子在管壁内继续碰撞再激发出新的二次电子，从而实现电流倍增[1]。单片微通道板（MCP）的增益通常在103左右，达不到应用需求时，就会采用双片级联MCP（V型）或者三片级联MCP（Z型）结构[2]。双片级联微通道板具有增益高，暗电流小等优点，现已逐渐成为高增益需求的光电器件的核心结构[3]。

信噪比，英文名称叫做SNR或S/N（SIGNAL-NOISE RATIO），又称为讯噪比。信噪比是微通道板（MCP）的主要参数之一，信噪比也是衡量微通道板性能的重要指标。微通道板（MCP）在放大电流的同时也放大并产生噪声[4]。因此，分析和研究微通道板的工作参数的变化对输出信噪比的影响是必要的。该文对传统的双片级联微通道板结构进行改进，在两片微通道板之间加一定的电压，分别以修改前后作为研究对象，通过改变MCP两端电压的条件，对信噪比进行了测试和分析。

1 双片级联微通道板结构

双片级联MCP一般将两片MCP组成“V”型结构，也称chevron型MCP。这种结构可以令第一片MCP射出的电子进入第二片MCP进行倍增，如图1所示。

在两片MCP之间增加200V的电压，形成一个加速电场，可以增加入射第二片MCP电子的初能，如图2所示。

2 双片级联MCP的信噪比

带有加速电场的双片级联MCP电子散射上与无加速电场的双片机MCP有很大不同。在无加速电场的双片级联MCP中，第一片MCP输出的电子的运动方向是杂散的，并且具有一定的初动能，部分电子碰撞第二片MCP的非开口区的通道间壁上弹射。经过一系列碰撞后，最终进入第二片MCP或消失，形成电子散射噪声。而在有加速电场的双片级联MCP中，第一级MCP输出的电子在加速电场的引导作用下，将会有更多的电子入射第二级MCP，减小了电子进入相邻通道或更远通道的几率，从而减小了电子散射噪声，增加信噪比[5]。

微通道板的输出信噪比可表示为：

（1）

式中，

Sout为有电子入射时输出电流的平均值；

Sout1为无电子入射时输出电流的平均值；

Nout为有电子入射时偏离平均值的均方根噪声值；

Nout1为无电子入射时偏离平均值的均方根噪声值。

3 测试原理

测试系统主要由紫外光源，光学系统，Au阴极，真空系统，双MCP级联系统，荧光屏组成。通过使用紫外光作为光源，经过光学系统对光源进行处理，照射到金阴极上，金阴极会将接收到的光进行光电转换[6]，在电场的加速下向外发射的电子以一定的角度从第一片MCP的入射端口进入通道进行倍增。因为“V”型级联结构，电子出离第一片MCP后在第二次电场加速下进入第二片MCP进行再次倍增。

测试时，将真空系统的真空度维持在10-5 Pa，用紫外灯作为光源，调节光源与光学系统，使微弱光信号进行处理后聚集到Au阴极上。在Au阴极与第一片MCP之间接400 V直流电源供电，第二片MCP两端电压设定为700 V，第二片MCP与荧光屏之间接400 V直流电源，测试在第一片MCP两端电压为700 V到1000 V时的增益。在测试无加速电场的双片级联MCP时，两片MCP之间不加任何电压，测试原理图如图3所示。

在测试带有加速电场的双片级联MCP时，在两片MCP之间加上200 V直流电压，以防止入射到第二片MCP的电子能量过高损害通道内壁。测试原理图如图4所示。

4 实验结果

根据上述测试理论，在相同实验环境下分别对两种结构进行测试，分别测试第一片MCP的电压为700 V，750 V，800 V，850 V，900 V，950 V和1000 V时在无电场加速模式和有电场模式的增益情况，记录增益随电压变化曲线如图5示。

由图5可以看出，第一片MCP两端电压不断增加，双片级联MCP的信噪比在无电场加速模式与有电场加速模式下均有所增加，而且带有加速电场的双片级联MCP的信噪比比无加速电场的双片级联MCP信噪比更高一些。

参考文献

[1] 谢爱根，王祖松，刘战辉，等.10～30 keV二次电子发射系数的表达式.真空科学与技术学报，2013，33（6）：542-546.

[2] 程宏昌.端木庆铎，石峰，等.双微通道板紫外像增强器工作特性研究[J].真空科学与技术学报，2013，33（6）：524-527.

[3] 傅文红，常本康.扩孔微通道板对电流增益和噪声因子关系的影响[J].应用光学，2004，25（5）：22-24.

[4] 韦亚一，陶兆民.噪声因子的理论分析[J].电子科学学刊，1993，6（15）：655-658.

[5] 钱芸生，常本康，詹启海，等.微光像增强器信噪比测试技术研究[J].真空科学与技术学报，2002，22（5）：73-75.

[6] 李敏，尼启良，董宁宁，等.紫外波段微通道板光电子产出理论分析与实验测量[J].光谱学与光谱根系，2010，30（8）：2030-2034.