柱面微通道板的制备及其性能研究

尼启良，姜忠志，，刘文光，王惟彪，蒲冬冬，潘京生，张 蓉，孙建宁

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033；2.中国科学院大学，北京100049，3.昆明物理研究所，昆明 650223）

1 引言

随着我国空间科学技术的迅速发展，对X射线-紫外波段光子计数成像探测器也有了迫切的需求.已经立项的“风云三号”有效载荷全球紫外成像光谱仪，目的在于探测全球电离层在83.4 nm、130.4 nm、135.6 nm、143 nm的辐射.世界空间紫外天文台是由俄罗斯主导、中国及欧洲共同参与研制波段范围在102 nm～320 nm之间的综合性大型空间紫外望远镜，其中我国负责研制长狭缝高分辨率成像光谱仪，这些工程任务的实现都离不开X射线-紫外波段的光子计数成像探测器，尤其是使用基于罗兰圆结构的高分辨率成像光谱仪，其焦平面是柱面，需要使用曲率半径与罗兰圆半径相匹配的柱面MCP光子计数成像探测器，以便消除所用光学系统像差的影响，实现成像光谱仪的超高分辨率.上面提到的仪器都要求很高的灵敏度，而灵敏度主要是由MCP的暗计数率决定的，例如，长狭缝高分辨率成像光谱仪要求所用MCP的暗计数率达到0.1 count/（cm2·s）［1，2］，需要使用所谓的低噪声MCP，国内现有的平面MCP的暗计数率通常是几个到十几个count/（cm2·s），远远不能满足要求.从国外能购买到的MCP暗计数率厂家通常给的是3～5 count/（cm2·s）［3，4］，因此，自行研制低噪声柱面MCP来满足我国空间任务的需求势在必行.柱面MCP光子计数位置灵敏成像探测器最早用于美国卫星ORFEUS 上的极紫外（EUV）-远紫外（FUV）高分辨率成像光谱仪，工作波段范围39～120 nm，探测器像元分辨率30 μm×100 μm，最高计数率20 kcounts/s，MCP曲率半径540 mm，尺寸95 mm×25 mm，长径比120：1，13°斜切角，使用延迟线（DDL）阳极，此后相继应用在美国FUSE卫星的FUV光谱仪（工作波段范围：90～120 nm，探测器像元分辨率20 μm ×50 μm，最高计数率40 kcounts/s，MCP曲率半径826 mm，尺寸95 mm×20 mm，长径比80：1，13°斜切角，螺旋延迟线（HDDL）阳极，美国的Rosetta和HORIZON卫星的FUV光谱仪，工作波段范围：70～205 nm，探测器像元分辨率34 μm ×625 μm，最高计数率30 kcounts/s，MCP曲率半径75 mm，尺寸46 mm×30 mm，长径比80：1，13°斜切角，DDL阳极），以及美国的COS卫星的FUV光谱仪［5，6，7］（工作波段范围115～177.5 nm，探测器像元分辨率25 μm ×50 μm，最高计数率15 kcounts/s，MCP曲率半径826 mm，尺寸85 mm×10 mm，长径比80：1，19°斜切角，XDL阳极）等天文仪器.针对我国未来空间天文仪器对低噪声柱面MCP的需求，本文给出了我们与北方夜视南京分公司［8］合作研制的柱面微通道板制备的新方法，并使用现有的楔条形阳极数据采集系统对制备出的柱面MCP的暗噪声及其成像性能进行了检测.

2 柱面MCP的制备

2.1 低噪声MCP玻璃制备及玻璃物化性能的研究

降低探测器的背景事件率是提高天体物理学仪器的灵敏度的一个有效方法.在MCP探测器中，MCP通道内吸附的残余气体分子的电离反馈和MCP玻璃中的40K和/或87Rb（取决于制作MCP玻璃的成份）的β衰变的残余辐射是MCP的背景事件本原的主要贡献者，前者可随着在真空中的时间增加而衰退，并且通过真空烘烤和电子清涮可有效降低甚至消除，但后者与探测器的电压、时间和温度都不相关，是自始自终都有的.因此针对光子计数探测应用的MCP必须采用一种无放射性同位素含量的低噪声玻璃来制作.

通道电子倍增器对基体材料性能的最基本和必需要求是一个微弱的电导性和合适的二次发射特性，MCP的电子发射和电导特性很巧妙的来自于烧氢处理这一过程.MCP玻璃成份的PbO组分经过表面还原形成金属的铅粒子，此为导电机理的基础，同时碱金属成份在MCP基体材料成份中的存在是MCP的增益的主要贡献者.

常规MCP的玻璃中的碱金属成份通常都包含一定含量的K或Rb，以Na和/或Cs和/或Li替换了原来玻璃中的K和/或Rb成份，可能会造成基体材料二次电子发射特性的变化，并且玻璃的成份变化还会带来玻璃的一系列物化性能的改变，将对MCP的制作工艺带来很大改变，所有的制作工艺都要随玻璃的温度粘度关系和化学稳定性的改变而改变，随之会对MCP的制作工艺和最终性能带来根本性的变化.

因此，MCP成份的调整和改变是在受多方因素影响和制约下的寻求平衡的提高，在不能破坏这些制约框架下如何寻求突破.因此研制出一种无放射性同位素的低噪声玻璃，在结合MCP的制作工艺和可接受的性能要求的同时，同时应在电导性、二次发射特性、化学稳定性，以及芯皮玻璃的粘度匹配上，进行综合平衡和互补.通过对玻璃成份配比的研究，完成了无钾铷成份的MCP玻璃成份的优化设计、制备和物化性能研究，这种低噪声MCP玻璃（玻璃牌号NGG）的实际配比成份如表1 所示.

表1 低噪声MCP玻璃成份Table 1 Composition of low noise MCP glass

玻璃的制备采用的是2L铂金坩埚，装入原料后在中性气氛下置于硅钼棒电阻炉中，经过玻璃网络体形成、玻璃液澄清和均化过程，将玻璃液浇注到成型模具内徐冷，使其固化成型为Φ125 ×200 mm的柱体.然后将玻璃柱毛坯放入一个带成型模具的耐热不锈钢圆柱套筒中，然后装入到玻璃管挤压机的炉子中，缓慢升温到玻璃的软化温度，并在这个温度保持足够时间使玻璃充分吸热，然后通过油压千斤顶施加压力，从模具中挤压而出的玻璃管，在一个牵引轮牵引下形成满足特定尺寸规格要求的玻璃管.

MCP玻璃是由两种玻璃制作而成，即含有碱金属成份的铅硅酸盐玻璃皮料管和酸溶玻璃芯棒.这两种不同组分的玻璃首先被制备成具有特定尺寸的玻璃管、玻璃棒，然后通过玻璃复丝纤维拉制过程，熔合纤维光学制作、酸蚀除芯处理和氢还原处理等，制作成MCP.与其相匹配的芯玻璃为X-7，两者的温度粘度曲线见图1 所示.

图1 低噪声MCP玻璃及其芯玻璃的温度粘度曲线Fig.1 Temperature-Viscosity Curves of Low Noise MCP Glass and Its Core Glass

2.2 低噪声柱面MCP制备

传统MCP制作方法通常起始于两种玻璃，一种含有碱金属成份的铅硅酸盐玻璃皮料管和一种酸溶玻璃芯棒，通过玻璃复丝纤维拉制过程、熔合纤维光学制作，酸蚀除芯方法和氢还原处理方法，制成低噪声MCP.因此低噪声MCP制作方法，与常规MCP的制作方法相比，其唯一的不同是就其皮玻璃是一种不含钾铷组分的玻璃.

平面MCP样品的制作过程包含有可腐蚀芯玻璃和碱铅硅酸盐皮玻璃的单丝复合纤维，通过一个芯皮玻璃的管棒组合拉制而成，起始的芯/皮组合的几何尺寸决定最后的通道间距和通道壁厚.这些单丝纤维以六边阵列排列，然后被拉制成六边形复丝，这些复丝排列在一个金属模具中经热压熔合成屏段.然后这个屏段以一定角度斜切成一定厚度的薄片.然后经滚圆、倒边、研磨、抛光，制成MCP毛坯板.通过化学腐蚀除去可酸溶芯玻璃形成通道.进一步的化学处理是一个高温的氢还原过程，铅离子在铅硅酸盐玻璃通道的浅表面层被还原成自由金属原子，在MCP通道上形成一个薄的电导膜层，产生电子倍增器在其通道内所需要的电导和电子发射表面特性.MCP制作工艺流程图2所示.

图2 MCP制作工艺流程图Fig.2 Flow chart of MCP fabrication process

关于柱面MCP制备装置的方面的研究在国内外还没有公开的报道，对于曲面MCP的制备方法，国外相关文献仅提到光学加工及抛光方法，制备出的柱面MCP虽然有精确的曲率半径，但由于MCP使用时有一个斜切角，导致所制备的柱面MCP表面有不同的长径比（MCP厚度与通道直径的比值），而MCP的长径比决定MCP的增益，因此，用这种方法制备的柱面MCP的增益是不均匀的.为了克服这一缺点，本文提出了将光学加工抛光与热成型相结合的制备方法，即首先将平面实芯MCP毛坯板用热成型的方法加工成具有一定曲率半径的柱面实芯MCP毛坯板，然后用光学抛光的方法将其加工成具有需要曲率半径的柱面实芯MCP毛坯板，这是一种新的方法，国内外相关文献没有报道过，此方法的优点是制备的柱面实芯MCP既具有精确的曲率半径又具有相同长径比.

本文根据图1 低噪声MCP玻璃及其芯玻璃的温度粘度曲线，设计了一台高真空高温加热炉，使用特殊的热弯曲模具将平面实芯MCP毛坯玻璃在此炉内加工成具有需要曲率半径的实芯MCP毛坯玻璃，可以避免玻璃在高温加热过程中的氧化，因此避免了对成品柱面MCP性能的影响.图3 是所制备的曲率半径400 mm、尺寸30 mm×46 mm、长径比80：1、通道直径12.5 μm、通道间距15 μm的柱面MCP成品的照片.

3 柱面MCP的性能检测

图3 柱面成品MCP照片Fig.3 Cylindrical finished MCP photo

将预处理过的三片柱面MCP组成Z型结构，并与感应电荷楔条形阳极（WSA）一起构成光子计数成像探测器，此时MCP堆工作在脉冲计数模式.采集的暗计数图像，分析暗计数率的来源，测量暗计数的脉冲高度分布及暗计数率，测量探测器空间分辨率.图4 给出了柱面MCP二维感应电荷位置灵敏阳极成像探测器测试系统结构示意图.

图4 柱面MCP探测器性能测试系统结构示意图Fig.4 Structural schematic diagram of cylindrical MCPdetector performance test system

该系统主要包括能产生准直紫外光束的光学系统、置于高真空系统内的感应电荷WSA位置灵敏阳极单光子计数成像探测器及其后续的位置读出电路三个部分.由于MCP对紫外光有响应，所以紫外光源通常用作与工作波段无关的性能检测的光源.以针孔阵列或USFA1951 分辨率板作为探测器成像性能检测物体.一个输出为负高压的高压电源通过分压电阻为MCP堆和阳极提供高压.单光子在感应电荷WSA阳极产生的脉冲信号经过电荷前置放大器变成电压信号，这些信号有些是叠加在一起的，需要整形放大器将叠加在一起的脉冲分开并进一步放大.同时，将前置放大器输出信号求和后送入一个快的整形放大器，然后经过窗口比较器产生一个脉冲宽度为几十纳秒的TTL脉冲，此脉冲通过一个脉冲叠加拒绝电路去掉叠加的脉冲，不叠加的脉冲被用于产生控制FPGA的TTL脉冲，这样来自W、S 和Z的信号同时经过一个FPGA数据采集控制电路及USB接口送入计算机，再由软件计算出（X，Y）坐标，并将图像显示在计算机屏幕上.整个电路的最高计数率可以达到200 kcps.

3.1 MCP堆脉冲高度分布（PHD）

对于位置灵敏阳极探测器，其分辨率与MCP堆的增益成正比，对探测器的脉冲高度分布进行测量是优化探测器性能的关键.因为从脉冲高度分布曲线可以获得如下信息：一是从不同高压下的脉冲高度分布曲线可以获得MCP堆在不同高压下的增益，MCP堆的增益越高，探测器的分辨率越高；二是可以获得脉冲高度分布曲线的FWHM，（PHD=W/G，G代表脉冲高度分布曲线的峰值，也是该高压下MCP堆的增益，W是曲线的FWHM宽度），FWHM越小，探测器的整体计数率越高.通过优化MCP像增强器的整体性能，可以获得最小的FWHM及其对应的MCP增益和加在其两端的高压数值.图5 给出了在MCP堆两端加不同高压时，阳极输出的脉冲高度分布的变化情况.图6 是在这些高压下MCP堆增益与PHD的关系曲线.

3.2 暗计数

图5 不同高压下MCP堆的输出脉冲高度分布Fig.5 PHD of MCP stack at Different High voltageapplied to MCP

图6 不同高压下的MCP堆增益（gain）及PHDFig.6 MCPstack gain and PHD at different high voltage applied to MCPstack

暗噪声（又称暗计数）是无任何光照条件下探测器正常工作时产生的计数率.MCP堆的暗噪声主要来源于场发射、宇宙射线产生的暗计数及MCP中含有的40K放射性衰变产生的暗计数.因β射线引起的暗计数是MCP暗噪声的主要来源，因此，减少暗噪声的最有效方法是使用不含有40K的MCP.所制备的低噪声玻璃不含钾元素，其成分为65% SiO2、20.5%（PbO+Bi2O3）、3%（Na2O+Cs2O）和11.5%（TiO2+Gd2O3+BaO+Al2O3，因此，去除了因β 射线引起的暗计数，有效降低了MCP的暗噪声.图7 是采集的暗噪声图像，通过设定采集的光子数，并测量图像的采集时间，获得的暗计数率小于0.1 counts/（s·cm2），如图8所示.加在MCP堆两端的电压为-3450 V，MCP出射面与感应电荷WSA阳极之间的电压为-300 V，对应MCP堆增益约为2.5×107电子.

3.3 空间分辨率

图7 柱面MCP暗噪声图像Fig.7 20 Cylindrical MCP dark noise image

图8 暗噪声随时间变化曲线（采集时间23天）Fig.8 Dark noise time-varying curve（acquisition time 23 days）

探测器的空间分辨率是衡量其性能的重要指标.测量方法是使用紫外准直光束照明放置在探测器前面零距离处的USAF1951 空间分辨率板，分辨率板上的每一组线宽对应不同的线对，探测器所能分辨的最窄线对就是它的空间分辨率，如图9 所示，右测图是局部放大图像，从局部放大图像可知探测器能分辨7.13 线对/毫米（能分辨出分辨率板上第2 组第6 个单元），对应的空间分辨率为0.14 mm，像元分辨率为70 μm.加在MCP堆两端的电压为-3350 V，MCP出射面与感应电荷WSA阳极之间的电压为-300 V，对应MCP堆增益约为1.86 ×107电子.

图9 柱面MCP探测器美国分辨率板图像Fig.9 Cylindrical MCP Detector US Resolution target Image

4 结论

针对未来空间应用超分辨率光谱成像仪器的需求，与北方夜视南京分公司合作研制出的低噪声柱面微通道板，利用不含放射性元素的低噪声MCP玻璃，制备出曲率半径为400 mm、尺寸为30 mm×46 mm、长径比为80：1、通道直径12.5 μm、通道间距15 μm的柱面MCP，并将其与感应电荷楔条形阳极（WSA）组成光子计数探测器，对其暗计数率、分辨率进行了检测，暗计数率约为0.1counts/（cm2·s），空间分辨率7.13 线对/毫米.