紫外微通道板型光電倍增管研制及性能研究

司曙光，金 真，黃國(guó)瑞，王興超，孫建寧，蘇德坦，任 玲，徐海洋， 吳 凱，金睦淳，黃之瑤，李 珅，顧 燕，王 寧，石夢(mèng)瑤，張 成， 曹宜起，王 志，張昊達(dá)，湯偲晨

（1.北方夜視技術(shù)股份有限公司，江蘇 南京 211106；2.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

0 引言

近年來(lái)，紫外探測(cè)技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，是繼可見(jiàn)光、紅外輻射技術(shù)之后又發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)重要的光電探測(cè)技術(shù)[1]，紫外線輻射在很多現(xiàn)象中都存在，宇宙空間中太陽(yáng)輻射、石油和酒精燈燃燒的火焰、氣體污染物分子、閃電放電以及高壓電力設(shè)備的電暈現(xiàn)象等都含有紫外線輻射[2]。由于大氣臭氧對(duì)波長(zhǎng)200 nm～300 nm 的紫外光具有強(qiáng)烈的吸收作用，此區(qū)域被稱為日盲區(qū)[3]，紫外光在大氣傳輸時(shí)損耗嚴(yán)重，不利于長(zhǎng)距離通信，但對(duì)于局域通信和告警系統(tǒng)，紫外光卻有極大的優(yōu)勢(shì)：紫外波段通信保密性高，紫外光不可見(jiàn)，且通過(guò)大氣散射方式向四面八方傳播信號(hào)，因而很難從傳播的信號(hào)中得到紫外光源的準(zhǔn)確信息；紫外探測(cè)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具有全天候性，在近地面的日盲區(qū)，紫外輻射強(qiáng)度十分微弱，白天和晚上干擾的暗噪聲都很?。蛔贤馓綔y(cè)具有全方位的特點(diǎn)，可以以非視距的方式傳輸信號(hào)；紫外探測(cè)可實(shí)施性、可靠性高，紫外光通信可采用車載式、機(jī)載式、艦載式等，故也應(yīng)用于“神光III”、“紫外通信”、“小彈頭”、“025 導(dǎo)彈驅(qū)逐艦”等重要軍事工程。

紫外探測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵器件為紫外光電倍增管，光電倍增管是一種將極微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的真空器件。光電倍增管分為傳統(tǒng)打拿極型和微通道板型兩種。微通道板型光電倍增管（Microchannel Plate Photomultiplier Tube，MCP-PMT）是一種具有高增益、高分辨、快時(shí)間響應(yīng)、低功耗的新型光電器件。它與打拿式倍增管相比，主要區(qū)別在于電子倍增采用的是多單通道列陣排列，厚度僅有0.4 mm 左右的微通道板。因此具有體積小、重量輕、引線少、耐沖擊與振動(dòng)等特點(diǎn)[4]。目前，國(guó)外光電倍增管的研制和生產(chǎn)廠商有日本Hamamatsu（濱松）、英國(guó)ET、俄羅斯BINP 和MELZ 公司。其中日本濱松產(chǎn)品有紫外微通道板型光電倍增管，代表型號(hào)分別是R5916U-53、R3809U-53，光陰極尺寸為φ10 mm，光陰極材料為Cs2Te，倍增結(jié)構(gòu)為兩片微通道板，陰極輻射靈敏度30 mA/W@250 nm，增益為2×105，上升時(shí)間為0.18 ns 左右。

國(guó)內(nèi)主要的光電倍增管生產(chǎn)廠家有：北方夜視、中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司第五十五研究所（55 所）、北京濱松、北京中核控制系統(tǒng)有限公司（CNCS）、華東電子管廠（741 廠）、海南展創(chuàng)公司和北京高新貝森公司。北京濱松為Hamamatsu 在中國(guó)的合資公司，主要生產(chǎn)低端的常規(guī)光電倍增管；CNCS 和741廠是生產(chǎn)光電倍增管歷史悠久的國(guó)有企業(yè)，主要生產(chǎn)傳統(tǒng)的打拿極型光電倍增管；北京高新貝森公司為一家民企，主要生產(chǎn)一些特種功能的光電倍增管；55 所對(duì)光電倍增管的生產(chǎn)，主要是對(duì)基于小型近貼聚焦型微通道板型光電倍增管的研制和生產(chǎn)；海南展創(chuàng)光電技術(shù)公司是引進(jìn)法國(guó)Photonis 公司生產(chǎn)線的私營(yíng)企業(yè)，主要生產(chǎn)醫(yī)療配套用的打拿極型小尺寸光電倍增增管。

國(guó)外紫外光電倍增管對(duì)中國(guó)軍事禁運(yùn)，而國(guó)內(nèi)紫外光電倍增管起步較晚，產(chǎn)品技術(shù)性能薄弱，與國(guó)外差距巨大，55 所、741 廠具有研制紫外光電倍增管的能力，但目前市場(chǎng)上同類產(chǎn)品主要被日本濱松所壟斷，故對(duì)紫外光電倍增管的研究迫在眉睫。

北方夜視基于目前國(guó)內(nèi)外的紫外光電倍增管的大背景環(huán)境下，自主研發(fā)紫外微通道板型光電倍增管（MCP-PMT），并對(duì)其單光子特性和時(shí)間特性進(jìn)行研究。

1 研制及測(cè)試方法

1.1 產(chǎn)品外形

自主研發(fā)的紫外MCP-PMT 如圖1 所示。

其中進(jìn)光方式為端窗式；光窗材料為MgF2；陰極為Cs2Te；微通道板數(shù)量為兩片疊加；金屬片作為陽(yáng)極信號(hào)接收極。

1.2 分壓器

紫外MCP-PMT 可以使用分壓器對(duì)各電極進(jìn)行電壓加載，也可以使用高壓電源對(duì)單個(gè)電極加載電壓，本文采用高壓電源加分壓器的方式對(duì)各級(jí)進(jìn)行分壓，如圖2 所示。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 陰極輻射靈敏度

硬件及連接如圖3 所示，光源為標(biāo)準(zhǔn)光源，測(cè)試光源強(qiáng)度在10－7W～10－4W。

圖2 紫外MCP-PMT 分壓器原理圖Fig.2 The voltage divider of UV MCP-PMT

圖3 陰極輻射靈敏度測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 Cathode radiation sensitivity test system

開(kāi)啟光闌，使用光功率計(jì)測(cè)量出射光的輻通量Φk，保持光源出射條件不變，使用待測(cè)紫外MCP-PMT接收光源輻射，在光陰極與聚焦電極之間加載合適的電壓，使陰極輸出電流達(dá)到飽和狀態(tài)，測(cè)量待測(cè)PMT輸出光電流Ik，關(guān)閉光闌，測(cè)量PMT 輸出暗電流Ikd。陰極靈敏度按下式計(jì)算：

式中：Skr為陰極輻射靈敏度，mA/W；Ik是開(kāi)啟光闌的陰極光電流，μA；Ikd為關(guān)閉光闌測(cè)得的陰極暗電流，單位為μA；Φk為輻通量，W。

1.3.2 單光子性能

當(dāng)光通量變得微弱時(shí)，在光電倍增管的時(shí)間分辨率內(nèi)（脈沖寬度）幾乎沒(méi)有兩個(gè)以上光電子存在的狀態(tài)，就叫做單光電子領(lǐng)域。

如圖4 所示，信號(hào)發(fā)生器輸出兩路同步矩形脈沖信號(hào)，信號(hào)頻率1 kHz。一路作為電荷數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Quantity-to-Digital Convertor，QDC）的觸發(fā)信號(hào)，脈沖寬度150 ns；另一路作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)LD 發(fā)光。調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)脈沖幅度，使光源發(fā)光10 次，PMT 只探測(cè)到一次光電信號(hào)。將陽(yáng)極輸出信號(hào)輸送到放大器，然后輸送到QDC 設(shè)備上測(cè)試單光電子譜。

圖4 單光子性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.4 Cathode radiation sensitivity test system

典型的單光子譜如圖5 所示，PMT 探測(cè)到光子的概率服從泊松分布[5]。

探測(cè)到一個(gè)光子的概率是探測(cè)到多個(gè)光子的19倍，因此在所需的增益下，當(dāng)信號(hào)峰的面積除以整個(gè)單光子譜的面積為10%時(shí)，此時(shí)的電荷譜認(rèn)為是單光子譜。

圖5 典型單光子譜Fig.5 Typical single photon spectrum

單光電子譜有兩個(gè)高斯峰，一個(gè)為電子學(xué)臺(tái)階峰，另一個(gè)為單光電子脈沖電荷分布峰，電子學(xué)臺(tái)階峰和單光電子脈沖電荷分布峰，峰位分別為Xped和Xsig，測(cè)試儀器每道電荷量為q（其中QDC 設(shè)備每道電荷量q＝25 fC），則電子增益為：

式中：e 為電子電荷量。

單光電子脈沖電荷分布峰的峰值計(jì)數(shù)為Np，兩個(gè)峰之間谷位置計(jì)數(shù)為Nv，則峰谷比P/V為：

單光子譜使用高斯函數(shù)擬合，擬合寬度為峰位正負(fù)1.5σ，σ為擬合函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，則能量分辨率為：

1.3.3 暗計(jì)數(shù)

光電倍增管的暗噪聲主要來(lái)源為陰極的熱發(fā)射，紫外MCP-PMT 陰極尺寸較小，故具有低噪聲的優(yōu)勢(shì)。

光電倍增管在無(wú)光入射的情況下，陽(yáng)極也會(huì)產(chǎn)生計(jì)數(shù)，即為暗計(jì)數(shù)。將紫外MCP-PMT 安裝在暗室里面，加載指定增益左右的工作電壓，老煉16 h。老煉后，調(diào)節(jié)輸出電壓值，使PMT 增益達(dá)到規(guī)定值，將陽(yáng)極輸出信號(hào)輸送到放大器，經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)輸送到閾值甄別器進(jìn)行過(guò)閾甄別，甄別器閾值設(shè)置為1/4 PE 乘以放大器放大倍數(shù)，超過(guò)閾值的信號(hào)被整形為矩形脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)甄別器后的信號(hào)輸送到定標(biāo)器，定標(biāo)器對(duì)矩形脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，關(guān)閉測(cè)試光源，測(cè)試暗噪聲脈沖數(shù)量。暗計(jì)數(shù)率為暗噪聲計(jì)數(shù)值除以測(cè)試時(shí)間。

圖6 暗計(jì)數(shù)性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.6 Performance test system of dark count

1.3.4 時(shí)間性能

如圖7 所示，信號(hào)上升時(shí)間指在單光電子輸入狀態(tài)，在陽(yáng)極輸出的信號(hào)波形前沿，脈沖幅值的10%和90%的點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間間隔的平均值。信號(hào)下降時(shí)間指在單光電子輸入狀態(tài)，在陽(yáng)極輸出的信號(hào)波形后沿，脈沖幅值的90%和10%的點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間間隔的平均值。

圖7 時(shí)間特性Fig.7 Time characteristics

按圖8 連接測(cè)試系統(tǒng)，信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為1 kHz 的兩路同步矩形脈沖信號(hào)，一路接到示波器，作為其觸發(fā)信號(hào)，脈沖寬度設(shè)為150 ns，；另一路作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)LD 發(fā)光，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)脈沖幅度，使光源發(fā)光10 次，PMT 只探測(cè)到一次光電信號(hào)。將陽(yáng)極輸出信號(hào)接到示波器另一通道，使用測(cè)試軟件測(cè)試信號(hào)前沿從幅度值的10%上升到90%的時(shí)間和信號(hào)后沿從幅度值的90%到10%的時(shí)間，分別為單個(gè)波形的上升時(shí)間和下降時(shí)間，測(cè)試大量波形的上升、下降時(shí)間，統(tǒng)計(jì)上升、下降時(shí)間分布。

圖8 時(shí)間特性測(cè)試系統(tǒng)Fig.8 Test system of time characteristics

2 測(cè)試結(jié)果及性能對(duì)比

2.1 測(cè)試結(jié)果

本次選用兩只紫外MCP-PMT，編號(hào)為PMT1、PMT2，響應(yīng)波長(zhǎng)為120 nm～300 nm，最大靈敏度波長(zhǎng)為250 nm，按上述測(cè)試方法評(píng)估其8項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)：陰極輻射靈敏度、單光子性能（增益、峰谷比、能量分辨率）、暗計(jì)數(shù)、時(shí)間性能（上升時(shí)間、下降時(shí)間）等，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 所示。

表1 紫外MCP-PMT 測(cè)試結(jié)果Table 1 The test results of UV MCP-PMT

2.2 性能分析

2.2.1 陰極輻射靈敏度

目前濱松成熟產(chǎn)品R5916U-53、R3809U-53 的陰極輻射靈敏度（@250 nm）約30 mA/W，北方夜視自主研發(fā)的紫外MCP-PMT 已有試制管可以達(dá)到同等水平，但工藝還不夠穩(wěn)定，造成良品率低。而北方夜視所研發(fā)的紫外像管目前陰極輻射靈敏度可達(dá) 40 mA/W，后續(xù)將引進(jìn)此工藝，繼續(xù)提升紫外MCP-PMT的陰極輻射靈敏度。

2.2.2 單光子性能

如圖9、圖10 所示，PMT1 和PMT2 的增益已達(dá)106，工作電壓較低（～2000 V），峰谷比較高（～5），能量分辨率較好（～20%）；濱松 R5916U-53、R3809U-53 的工作電壓較高（～3400 V），增益在105數(shù)量級(jí)，故單光子性能遠(yuǎn)超濱松同類MCP-PMT 產(chǎn)品。

分析增益較高的原因：紫外MCP-PMT 使用目前國(guó)際最先進(jìn)的原子層沉積（Atomic layer deposition 簡(jiǎn)稱ALD）技術(shù)[6]，如表2 數(shù)據(jù)所示。通過(guò)在MCP 輸入面沉積高二次發(fā)射電子發(fā)射層，可以使MCP 的探測(cè)效率突破開(kāi)口面積比限制，大幅度提高其峰谷比和探測(cè)效率。同時(shí)通過(guò)在通道內(nèi)壁表面沉積膜層，可以有效減小MCP 工作時(shí)的放氣量，維持工作環(huán)境的高真空狀態(tài)，減少離子反饋，極大延長(zhǎng)PMT 的壽命。

圖9 PMT1 單光電子譜Fig.9 Single photon spectrum of PMT1

后面需要從工藝上摸索，試驗(yàn)不同的二次電子發(fā)射層材料，來(lái)提高微通道板的增益；試驗(yàn)不同電阻層材料，優(yōu)化微通道板電阻一致性；通過(guò)在微通道板表面蒸鍍二次電子發(fā)射系數(shù)高的材料，提高入射電子收集效率；試驗(yàn)不同鍍膜溫度、蒸發(fā)循環(huán)次數(shù)對(duì)微通道板的性能影響，優(yōu)化出最佳鍍膜溫度和摸索最佳循環(huán)蒸鍍次數(shù)；優(yōu)化電極膜層與發(fā)射層的蒸鍍工藝，提高微通道板的能量分辨率，從而進(jìn)一步提高紫外MCP-PMT 的單光子性能。

圖10 PMT2 單光電子譜Fig.10 Single photon spectrum of PMT2

表2 ALD 鍍膜前后增益情況Table 2 Gain before and after ALD coating

2.2.3 時(shí)間性能

陽(yáng)極輸出波形如圖11 所示。由波形圖可以看出，此管型目前上升時(shí)間約1 ns。而濱松同類產(chǎn)品的上升時(shí)間可達(dá)180 ps，故在快速時(shí)間響應(yīng)方面還有較大差距。

圖11 紫外MCP-PMT 波形圖Fig.11 The waveform of UV MCP-PMT

針對(duì)時(shí)間性能的問(wèn)題，擬采取以下方式進(jìn)一步提升：縮短通道板到陽(yáng)極距離，可提升時(shí)間性能[7]；改進(jìn)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，目前為單陽(yáng)極片結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，由于通道板輸出到陽(yáng)極電容較大，影響時(shí)間性能，擬計(jì)劃使用錐形陽(yáng)極，如圖12 所示。利用電子光學(xué)仿真軟件CST Studio Suite，建立光電倍增管電子光學(xué)模型，如圖13 所示，仿真計(jì)算內(nèi)部電場(chǎng)分布，計(jì)算光電子運(yùn)行軌跡，提升上升時(shí)間。

圖12 錐形陽(yáng)極設(shè)計(jì)圖Fig.12 The design of conical anode

圖13 仿真電場(chǎng)分布Fig.13 Simulation of electric field distribution

由于紫外MCP-PMT 研發(fā)時(shí)間較短，時(shí)間性能上還未達(dá)到濱松同類產(chǎn)品的水平。下一步，我們將在目前已有高增益、高分辨率產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)提升紫外MCP-PMT 的時(shí)間性能，爭(zhēng)取未來(lái)在紫外微通道板型光電倍增管領(lǐng)域上趕超濱松。

3 小結(jié)

本文介紹了紫外微通道板型光電倍增管的應(yīng)用領(lǐng)域、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，研究了微通道板型光電倍增管的陰極性能、單光子性能及時(shí)間性能，相對(duì)國(guó)際目前同類型管型，具有高增益、高分辨率[8]等的特點(diǎn)，為紫外微通道板型光電倍增管的實(shí)際應(yīng)用提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。