一、MCP真空探測器的信號拾取及讀出

微通道板本身只是對電子進(jìn)行倍增放大的器件，它吸收輸入的帶電粒子或光子，輸出倍增以后的電流（電子云）。為獲取實驗結(jié)果，需要將輸出的電子經(jīng)過拾取或轉(zhuǎn)換后，形成能夠拍攝、記錄或計數(shù)的信號。

因此，對于一個特定目的的MCP真空探測器，信號拾取和讀出是非常重要的部分。通常會需要一個陽用來拾取電子云信號，陽與MCP輸出端之間有一定間距并加有高壓。一般而言有幾種類型的陽：

l 熒光屏：受高能電子轟擊后會發(fā)光，從而形成可見光的圖像；

l 金屬導(dǎo)電陽：直接拾取電流，用于粒子流強的分析或計數(shù)；

l 位置敏感陽：如阻性陽或延遲線等，通過多通道讀出，在獲取信號強度的同時分析電子云的位置；

l 多陽：多個相互隔離的金屬陽，支持多點實時的信號采集。

圖4采用熒光屏成像的MCP探測器結(jié)構(gòu)示意

MCP放大輸出的電子云經(jīng)過陽轉(zhuǎn)換或拾取之后，尚需要讀出和信號處理、記錄，常用的有幾類部件：

l CCD/CMOS相機(jī)：通過透鏡或光纖錐，將熒光屏上的像傳遞到圖像芯片上，并傳輸至電腦處理；

l 示波器、A/D轉(zhuǎn)換或計數(shù)器：主要用于讀出陽電流信號。入射流強較大時，可得到連續(xù)的電流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換存儲為數(shù)字信號或經(jīng)過示波器顯示，從而得到信號隨時間變化的特性；信號微弱時，采用閾值鑒別的方法進(jìn)行計數(shù)；

l 位置分辨數(shù)據(jù)處理：對位置敏感陽的信號進(jìn)行高速處理，得到事件的位置、到達(dá)時間以及計數(shù)率；

l 多通道并行處理：用于多陽探測器。

MCP真空探測器的信號拾取及讀出

2.1 熒光屏及其讀出

用于成像目的的MCP探測器一般采用熒光屏作為陽。熒光屏在數(shù)個keV的高能電子轟擊下會發(fā)射可見光，經(jīng)過相機(jī)拍攝后形成圖像型號。

圖5成像型MCP真空探測器的輸入（左圖）與輸出（熒光屏，右圖）

熒光屏所使用的材料，有P20、P43、P46、P47等多種。通常主要依據(jù)信號的重復(fù)頻率來選擇。P43具備較好的發(fā)光效率，其發(fā)光波長（550nm）正位于一般CCD相機(jī)感光效率zui高的區(qū)域，因此是zui常用的熒光屏；但P43的熒光衰減時間約1.2ms，故不適合幀率>500fps的成像；快速熒光屏中zui常用的是P46，其發(fā)光效率月為P43的1/4，但余輝時間僅為300ns。

一般熒光屏相對于MCP輸出的高壓會高達(dá)5kV以上。

熒光屏可以鍍在玻璃窗片上，該窗片同時起到真空密封的作用。也可以鍍在光纖錐面板窗片上，這樣像可以傳遞到窗片外側(cè)，以便后續(xù)再通過光纖錐與成像傳感器連接。

Photek 公司可根據(jù)用戶的需求提供各種材質(zhì)的熒光屏鍍膜，并提供透鏡耦合/光纖錐耦合方式。

根據(jù)具體的應(yīng)用，光學(xué)耦合及CCD/CMOS相機(jī)的選擇可以有多種方式：

l 光纖錐耦合與透鏡耦合：光纖錐的優(yōu)點是效率高，像畸變?。蝗秉c是信號強度均勻性會受到一定的影響，另外光纖錐耦合需要后端相機(jī)芯片上已經(jīng)粘好光纖面板輸入，故相機(jī)的選擇受到一定的局限；透鏡耦合結(jié)構(gòu)比較簡單，放大倍率靈活可調(diào)，比較適合大縮放比的情景，透鏡耦合效率低于光纖錐耦合，而分辨率、成像質(zhì)量取決于透鏡的質(zhì)量。透鏡耦合可以設(shè)計成90度轉(zhuǎn)折光路，當(dāng)實驗系統(tǒng)有穿透性非常高的粒子（如中子、高能光子）時，這種設(shè)計有助于保護(hù)后續(xù)相機(jī)及電子線路免受輻射損傷。

即使探測器本身選配了光纖錐輸出，仍舊可以采用透鏡來作像傳遞。

l CCD或CMOS相機(jī)的選擇：由于MCP本身有較大的增益，一般信號探測可采用普通的科研級CCD/CMOS相機(jī)，根據(jù)所需要的分辨率及幀速選擇；較為微弱的、需要長時間積分的信號，可選擇制冷型CCD相機(jī)；對探測動態(tài)范圍有需求時，建議使用sCMOS相機(jī)；如果工作在單光子計數(shù)模式，可以選擇常規(guī)的CMOS相機(jī)。

l 單光子計數(shù)模式：針對微弱的信號，CCD/CMOS相機(jī)可工作在單光子計數(shù)模式，單光子計數(shù)模式需要前端采用二級連或以上（>1E6增益）的MCP。在單光子計數(shù)模式時，相機(jī)持續(xù)以固定幀率或接受外觸發(fā)同步采集信號，MCP探測到的單粒子事件會在圖像上形成分立的斑點；軟件計算每個斑點的總強度和強度重心，超過一定閾值的被認(rèn)為是單個粒子事件，其重心位置對應(yīng)的坐標(biāo)計數(shù)值加1。經(jīng)過長時間、多幀疊加后，還原圖像。

采用相機(jī)進(jìn)行單光子探測無法進(jìn)行高速的時間分辨（時間分辨取決于相機(jī)的幀率），但其統(tǒng)計的方式可以實現(xiàn)非常低的噪聲，同時因為單粒子事件的空間坐標(biāo)采用統(tǒng)計重心的方式，其空間分辨率可以非常高，達(dá)到CCD芯片的水平。

Photek提供成像或粒子計數(shù)的成套系統(tǒng)，包括MCP探測器、光學(xué)耦合、相機(jī)和軟件。

2.2 金屬陽輸出（真空PMT）

如果在MCP輸出端之后放置金屬陽，并施加高壓，電子云會到達(dá)陽并可以形成電流輸出，電流強度正比于輸入信號的強度。電流可通過示波器、A/D轉(zhuǎn)換器采集，或者（信號微弱，只能產(chǎn)生分立的單粒子峰時）經(jīng)鑒別器、計數(shù)器計數(shù)。

這類探測器具備超快的時間響應(yīng)（小口徑探測器可達(dá)到<100ps的上升沿，100ps左右的FWPM脈沖響應(yīng)），非常適合做TOF（Time Of Fly，時間飛行）譜儀的探測器，因此也常稱作TOF探測器。

除了MCP本身的電子渡越時間展寬之外，電子云在MCP和陽之間的飛行以及電流形成有時會對脈沖形狀（尤其是后沿）造成影響。經(jīng)過特殊設(shè)計的陽形狀（如錐形陽）可以減輕這種效應(yīng)。Photek可根據(jù)用戶的需求設(shè)計不同形狀的陽板。

圖6采用錐形陽的MCP探測器

如果對輸入面的電位無要求（例如，光子探測），陽直接接地有助于方便的拾取電流信號。但在很多場合下MCP輸入面需要零電位，這樣陽相對于地就有數(shù)千伏的高壓，后續(xù)信號拾取時需要采用隔直電容：隔直電容需要耐高壓、容量和取樣電阻需要精心設(shè)計以確保對快速信號的通過帶寬，而且一旦電容失效就會立刻擊穿后續(xù)電路。Photek可配置隔離陽，將電流取樣和陽板絕緣，確保響應(yīng)速度，同時免去用戶設(shè)計隔直電路的煩惱和風(fēng)險。

2.3 空間分辨陽

MCP本身是二維（成像）器件，采用熒光屏+相機(jī)讀出可以獲得圖像，但是其時間分辨由相機(jī)決定；而采用導(dǎo)電陽可以獲得超快的信號（<100ps響應(yīng)），卻喪失了空間分辨能力。通過采用特殊的陽結(jié)構(gòu)，如阻性陽(resistive sea anode) 或者延遲線(delay line)，可以同時實現(xiàn)高速度的時間、空間分辨。

圖7 阻性陽的空間分辨原理

阻性陽為具備特定形狀及非零電阻的陽板，如圖7所示。通過四個端角上取樣的電流脈沖的比率來計算信號在MCP板上的位置，同時具備實時響應(yīng)的特征。

圖8 延遲線（Delay Line)示意圖

而延遲線則通過兩組密切排布的、排布方向互相垂直的導(dǎo)線作為陽；兩組導(dǎo)線的四個端點拾取的信號的時間可以獲知事件發(fā)生的位置和時間。

需要注意的是這類探測器（阻性陽與延遲線）通常工作在單粒子計數(shù)模式，如果在短時間（如<5ns）內(nèi)有兩個信號同時抵達(dá)MCP的不同位置，則位置反演會給出錯誤的結(jié)果。當(dāng)然，對于點源的跟蹤，這類探測器也可工作在模擬、連續(xù)輸出的模式。

Photek提供阻性陽和延遲線探測器，以及探測系統(tǒng)（包括探測器、快電子線路、計數(shù)軟件），可以實現(xiàn)<5ns的時間分辨率和512×512水平的空間分辨率。

2.4  多陽探測器

采用多個相互絕緣的金屬陽，這樣可以輸出每個金屬陽探測到的電子信號，實現(xiàn)位置分辨、超快時間分辨的探測。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖9 多陽探測器的結(jié)構(gòu)示意

陽個數(shù)可以達(dá)到64×64甚至更多，陽之間的間距可達(dá)亞毫米水平，每個陽的響應(yīng)時間可快至百微秒。這類探測器能夠?qū)崿F(xiàn)亞納秒信號的二維多通道同時采集。

每個通道需要一路單獨的讀出電路，因此這類探測器成本較高。電路可通過MEMS方式集成在探測器上，也可以外置。

針對某些特殊應(yīng)用，探測器可以做成方形的，方便擴(kuò)展探測面積和通道數(shù)目。

Photek 公司提供多陽MCP探測器以及包括電子線路的探測系統(tǒng)。