关于微通道板信号拾取及读出_微通道板

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关于微通道板信号拾取及读出

2017-12-12 16:45:28 来源：
关于微通道板信号拾取及读出
微通道板本身只是对电子进行倍增放大的器件，它吸收输入的带电粒子或光子，输出倍增以后的电流（电子云）。为获取实验结果，需要将输出的电子经过拾取或转换后，形成能够拍摄、记录或计数的信号。
因此，对于一个特定目的的MCP真空探测器，信号拾取和读出是非常重要的部分。通常会需要一个阳极用来拾取电子云信号，阳极与MCP输出端之间有一定间距并加有高压。一般而言有几种类型的阳极：
1. 荧光屏：受高能电子轰击后会发光，从而形成可见光的图像；
2. 金属导电阳极：直接拾取电流，用于粒子流强的分析或计数；
3. 位置敏感阳极：如阻性阳极或延迟线等，通过多通道读出，在获取信号强度的同时分析电子云的位置；
4. 多阳极：多个相互隔离的金属阳极，支持多点实时的信号采集。
图4采用荧光屏成像的MCP探测器结构示意

MCP放大输出的电子云经过阳极转换或拾取之后，尚需要读出和信号处理、记录，常用的有几类部件：
1. CCD/CMOS相机：通过透镜或光纤锥，将荧光屏上的像传递到图像芯片上，并传输至电脑处理；
2. 示波器、A/D转换或计数器：主要用于读出阳极电流信号。入射流强较大时，可得到连续的电流，经过A/D转换存储为数字信号或经过示波器显示，从而得到信号随时间变化的特性；信号微弱时，采用阈值鉴别的方法进行计数；
3. 位置分辨数据处理：对位置敏感阳极的信号进行高速处理，得到事件的位置、到达时间以及计数率；
4. 多通道并行处理：用于多阳极探测器。
2.1 荧光屏及其读出
用于成像目的的MCP探测器一般采用荧光屏作为阳极。荧光屏在数个keV的高能电子轰击下会发射可见光，经过相机拍摄后形成图像型号。

图5成像型MCP真空探测器的输入（左图）与输出（荧光屏，右图）

荧光屏所使用的材料，有P20、P43、P46、P47等多种。通常主要依据信号的重复频率来选择。P43具备较好的发光效率，其发光波长（550nm）正位于一般CCD相机感光效率*高的区域，因此是*常用的荧光屏；但P43的荧光衰减时间约1.2ms，故不适合帧率>500fps的成像；快速荧光屏中*常用的是P46，其发光效率月为P43的1/4，但余辉时间仅为300ns。
一般荧光屏相对于MCP输出的高压会高达5kV以上。
荧光屏可以镀在玻璃窗片上，该窗片同时起到真空密封的作用。也可以镀在光纤锥面板窗片上，这样像可以传递到窗片外侧，以便后续再通过光纤锥与成像传感器连接。
Photek 公司可根据用户的需求提供各种材质的荧光屏镀膜，并提供透镜耦合/光纤锥耦合方式。
根据具体的应用，光学耦合及CCD/CMOS相机的选择可以有多种方式：
1. 光纤锥耦合与透镜耦合：光纤锥的优点是效率高，像畸变小；缺点是信号强度均匀性会受到一定的影响，另外光纤锥耦合需要后端相机芯片上已经粘好光纤面板输入，故相机的选择受到一定的局限；透镜耦合结构比较简单，放大倍率灵活可调，比较适合大缩放比的情景，透镜耦合效率低于光纤锥耦合，而分辨率、成像质量取决于透镜的质量。透镜耦合可以设计成90度转折光路，当实验系统有穿透性非常高的粒子（如中子、高能光子）时，这种设计有助于保护后续相机及电子线路免受辐射损伤。
即使探测器本身选配了光纤锥输出，仍旧可以采用透镜来作像传递。
1. CCD或CMOS相机的选择：由于MCP本身有较大的增益，一般信号探测可采用普通的科研级CCD/CMOS相机，根据所需要的分辨率及帧速选择；较为微弱的、需要长时间积分的信号，可选择制冷型CCD相机；对探测动态范围有需求时，建议使用sCMOS相机；如果工作在单光子计数模式，可以选择常规的CMOS相机。
2. 单光子计数模式：针对极微弱的信号，CCD/CMOS相机可工作在单光子计数模式，单光子计数模式需要前端采用二级连或以上（>1E6增益）的MCP。在单光子计数模式时，相机持续以固定帧率或接受外触发同步采集信号，MCP探测到的单粒子事件会在图像上形成分立的斑点；软件计算每个斑点的总强度和强度重心，超过一定阈值的被认为是单个粒子事件，其重心位置对应的坐标计数值加1。经过长时间、多帧叠加后，还原图像。
采用相机进行单光子探测无法进行高速的时间分辨（时间分辨取决于相机的帧率），但其统计的方式可以实现非常低的噪声，同时因为单粒子事件的空间坐标采用统计重心的方式，其空间分辨率可以非常高，达到CCD芯片的水平。
Photek提供成像或粒子计数的成套系统，包括MCP探测器、光学耦合、相机和软件。
2.2 金属阳极输出（真空PMT）
如果在MCP输出端之后放置金属阳极，并施加高压，电子云会到达阳极并可以形成电流输出，电流强度正比于输入信号的强度。电流可通过示波器、A/D转换器采集，或者（信号极微弱，只能产生分立的单粒子峰时）经鉴别器、计数器计数。
这类探测器具备超快的时间响应（小口径探测器可达到<100ps的上升沿，100ps左右的FWPM脉冲响应），非常适合做TOF（Time Of Fly，时间飞行）谱仪的探测器，因此也常称作TOF探测器。
除了MCP本身的电子渡越时间展宽之外，电子云在MCP和阳极之间的飞行以及电流形成有时会对脉冲形状（尤其是后沿）造成影响。经过特殊设计的阳极形状（如锥形阳极）可以减轻这种效应。Photek可根据用户的需求设计不同形状的阳极板。

图6采用锥形阳极的MCP探测器
如果对输入面的电位无要求（例如，光子探测），阳极直接接地有助于方便的拾取电流信号。但在很多场合下MCP输入面需要零电位，这样阳极相对于地就有数千伏的高压，后续信号拾取时需要采用隔直电容：隔直电容需要耐高压、容量和取样电阻需要精心设计以确保对快速信号的通过带宽，而且一旦电容失效就会立刻击穿后续电路。Photek可配置隔离阳极，将电流取样和阳极极板绝缘，确保响应速度，同时免去用户设计隔直电路的烦恼和风险。
2.3 空间分辨阳极
MCP本身是二维（成像）器件，采用荧光屏+相机读出可以获得图像，但是其时间分辨由相机决定；而采用导电阳极可以获得超快的信号（<100ps响应），却丧失了空间分辨能力。通过采用特殊的阳极结构，如阻性阳极(resistive sea anode) 或者延迟线(delay line)，可以同时实现高速度的时间、空间分辨。

图7 阻性阳极的空间分辨原理
阻性阳极为具备特定形状及非零电阻的阳极板，如图7所示。通过四个端角上取样的电流脉冲的比率来计算信号在MCP板上的位置，同时具备实时响应的特征。

图8 延迟线（Delay Line)示意图
而延迟线则通过两组密切排布的、排布方向互相垂直的导线作为阳极；两组导线的四个端点拾取的信号的时间可以获知事件发生的位置和时间。
需要注意的是这类探测器（阻性阳极与延迟线）通常工作在单粒子计数模式，如果在短时间（如<5ns）内有两个信号同时抵达MCP的不同位置，则位置反演会给出错误的结果。当然，对于点源的跟踪，这类探测器也可工作在模拟、连续输出的模式。
Photek提供阻性阳极和延迟线探测器，以及探测系统（包括探测器、快电子线路、计数软件），可以实现<5ns的时间分辨率和512×512水平的空间分辨率。
2.4 多阳极探测器
采用多个相互绝缘的金属阳极，这样可以输出每个金属阳极探测到的电子信号，实现位置分辨、超快时间分辨的探测。其结构如图8所示。

图9 多阳极探测器的结构示意
阳极个数可以达到64×64甚至更多，阳极之间的间距可达亚毫米水平，每个阳极的响应时间可快至百微秒。这类探测器能够实现亚纳秒信号的二维多通道同时采集。
每个通道需要一路单独的读出电路，因此这类探测器成本较高。电路可通过MEMS方式集成在探测器上，也可以外置。
针对某些特殊应用，探测器可以做成方形的，方便扩展探测面积和通道数目。
Photek 公司提供多阳极MCP探测器以及包括电子线路的探测系统。
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