雙片級聯(lián)MCP系統(tǒng)信噪比特性的研究

李陽

摘 要：微通道板（Microchannel Plate，MCP）是一種特殊光學(xué)纖維器件，是一種先進(jìn)的具有傳輸、增強電子圖像功能的電子倍增器，具有體積小、重量輕、分辨率好、增益高、噪聲低、使用電壓低等優(yōu)點。信噪比是評價光電器件工作性能的重要指標(biāo)，因此抑制級聯(lián)微通道板噪聲，提高信噪比具有重要意義。以無加速電場的雙片微通道板結(jié)構(gòu)和有加速電場的雙片微通道板結(jié)構(gòu)為研究對象，改變其工作條件，分別針對無加速電場的雙片微通道板結(jié)構(gòu)和帶有加速電場的雙片微通道板結(jié)構(gòu)的信噪比進(jìn)行測試。實驗結(jié)果表明，帶有加速電場的雙片級聯(lián)MCP結(jié)構(gòu)比無加速電場的雙片級聯(lián)MCP結(jié)構(gòu)具有更高的信噪比。

關(guān)鍵詞：雙片級聯(lián)微通道板 信噪比 加速電場

中圖分類號：TN15 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（c）-0023-03

微通道板（MCP）是由具有高二次電子發(fā)射系數(shù)的鉛玻璃制成。工作時在微通道板兩端加有一定的工作電壓，具有一定能量的一次電子轟擊MCP管壁時，會激發(fā)二次電子從管壁內(nèi)逸出，在電場的作用下，電子在管壁內(nèi)繼續(xù)碰撞再激發(fā)出新的二次電子，從而實現(xiàn)電流倍增[1]。單片微通道板（MCP）的增益通常在103左右，達(dá)不到應(yīng)用需求時，就會采用雙片級聯(lián)MCP（V型）或者三片級聯(lián)MCP（Z型）結(jié)構(gòu)[2]。雙片級聯(lián)微通道板具有增益高，暗電流小等優(yōu)點，現(xiàn)已逐漸成為高增益需求的光電器件的核心結(jié)構(gòu)[3]。

信噪比，英文名稱叫做SNR或S/N（SIGNAL-NOISE RATIO），又稱為訊噪比。信噪比是微通道板（MCP）的主要參數(shù)之一，信噪比也是衡量微通道板性能的重要指標(biāo)。微通道板（MCP）在放大電流的同時也放大并產(chǎn)生噪聲[4]。因此，分析和研究微通道板的工作參數(shù)的變化對輸出信噪比的影響是必要的。該文對傳統(tǒng)的雙片級聯(lián)微通道板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在兩片微通道板之間加一定的電壓，分別以修改前后作為研究對象，通過改變MCP兩端電壓的條件，對信噪比進(jìn)行了測試和分析。

1 雙片級聯(lián)微通道板結(jié)構(gòu)

雙片級聯(lián)MCP一般將兩片MCP組成“V”型結(jié)構(gòu)，也稱chevron型MCP。這種結(jié)構(gòu)可以令第一片MCP射出的電子進(jìn)入第二片MCP進(jìn)行倍增，如圖1所示。

在兩片MCP之間增加200V的電壓，形成一個加速電場，可以增加入射第二片MCP電子的初能，如圖2所示。

2 雙片級聯(lián)MCP的信噪比

帶有加速電場的雙片級聯(lián)MCP電子散射上與無加速電場的雙片機MCP有很大不同。在無加速電場的雙片級聯(lián)MCP中，第一片MCP輸出的電子的運動方向是雜散的，并且具有一定的初動能，部分電子碰撞第二片MCP的非開口區(qū)的通道間壁上彈射。經(jīng)過一系列碰撞后，最終進(jìn)入第二片MCP或消失，形成電子散射噪聲。而在有加速電場的雙片級聯(lián)MCP中，第一級MCP輸出的電子在加速電場的引導(dǎo)作用下，將會有更多的電子入射第二級MCP，減小了電子進(jìn)入相鄰?fù)ǖ阑蚋h(yuǎn)通道的幾率，從而減小了電子散射噪聲，增加信噪比[5]。

微通道板的輸出信噪比可表示為：

（1）

式中，

Sout為有電子入射時輸出電流的平均值；

Sout1為無電子入射時輸出電流的平均值；

Nout為有電子入射時偏離平均值的均方根噪聲值；

Nout1為無電子入射時偏離平均值的均方根噪聲值。

3 測試原理

測試系統(tǒng)主要由紫外光源，光學(xué)系統(tǒng)，Au陰極，真空系統(tǒng)，雙MCP級聯(lián)系統(tǒng)，熒光屏組成。通過使用紫外光作為光源，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)對光源進(jìn)行處理，照射到金陰極上，金陰極會將接收到的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換[6]，在電場的加速下向外發(fā)射的電子以一定的角度從第一片MCP的入射端口進(jìn)入通道進(jìn)行倍增。因為“V”型級聯(lián)結(jié)構(gòu)，電子出離第一片MCP后在第二次電場加速下進(jìn)入第二片MCP進(jìn)行再次倍增。

測試時，將真空系統(tǒng)的真空度維持在10-5 Pa，用紫外燈作為光源，調(diào)節(jié)光源與光學(xué)系統(tǒng)，使微弱光信號進(jìn)行處理后聚集到Au陰極上。在Au陰極與第一片MCP之間接400 V直流電源供電，第二片MCP兩端電壓設(shè)定為700 V，第二片MCP與熒光屏之間接400 V直流電源，測試在第一片MCP兩端電壓為700 V到1000 V時的增益。在測試無加速電場的雙片級聯(lián)MCP時，兩片MCP之間不加任何電壓，測試原理圖如圖3所示。

在測試帶有加速電場的雙片級聯(lián)MCP時，在兩片MCP之間加上200 V直流電壓，以防止入射到第二片MCP的電子能量過高損害通道內(nèi)壁。測試原理圖如圖4所示。

4 實驗結(jié)果

根據(jù)上述測試?yán)碚?，在相同實驗環(huán)境下分別對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，分別測試第一片MCP的電壓為700 V，750 V，800 V，850 V，900 V，950 V和1000 V時在無電場加速模式和有電場模式的增益情況，記錄增益隨電壓變化曲線如圖5示。

由圖5可以看出，第一片MCP兩端電壓不斷增加，雙片級聯(lián)MCP的信噪比在無電場加速模式與有電場加速模式下均有所增加，而且?guī)в屑铀匐妶龅碾p片級聯(lián)MCP的信噪比比無加速電場的雙片級聯(lián)MCP信噪比更高一些。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝愛根，王祖松，劉戰(zhàn)輝，等.10～30 keV二次電子發(fā)射系數(shù)的表達(dá)式.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2013，33（6）：542-546.

[2] 程宏昌.端木慶鐸，石峰，等.雙微通道板紫外像增強器工作特性研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2013，33（6）：524-527.

[3] 傅文紅，常本康.擴(kuò)孔微通道板對電流增益和噪聲因子關(guān)系的影響[J].應(yīng)用光學(xué)，2004，25（5）：22-24.

[4] 韋亞一，陶兆民.噪聲因子的理論分析[J].電子科學(xué)學(xué)刊，1993，6（15）：655-658.

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[6] 李敏，尼啟良，董寧寧，等.紫外波段微通道板光電子產(chǎn)出理論分析與實驗測量[J].光譜學(xué)與光譜根系，2010，30（8）：2030-2034.