高空間分辨微通道板現(xiàn)狀及發(fā)展

邱祥彪，楊曉明，孫建寧，王 健，叢曉慶，金 戈，曾進(jìn)能，張正君，潘 凱，陳曉倩

〈微光技術(shù)〉

高空間分辨微通道板現(xiàn)狀及發(fā)展

邱祥彪1，楊曉明1，孫建寧1，王 健1，叢曉慶1，金 戈1，曾進(jìn)能2，張正君1，潘 凱1，陳曉倩1

（1. 北方夜視科技（南京）研究院有限公司，江蘇 南京 211106；2. 北方夜視技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650217）

微通道板（MCP）是超二代、三代微光像增強(qiáng)器中的核心元件之一，其空間分辨能力對于微光像增強(qiáng)器分辨力、傳函、光暈（Halo）等性能有重要的影響?；谧钕冗M(jìn)的超二代和三代像增強(qiáng)器所采用MCP的新技術(shù)發(fā)展，整理國內(nèi)外已經(jīng)開展的研究成果報(bào)道，從像增強(qiáng)器成像過程中與MCP直接相關(guān)的光電子入射至MCP輸入面、MCP電子倍增、倍增電子圖像輸出3個階段進(jìn)行系統(tǒng)梳理分析，明確先進(jìn)像增強(qiáng)器對于微通道板高空間分辨的具體性能需求。提出國產(chǎn)MCP的發(fā)展方向展望：未來幾年研制孔徑5mm、開口面積比70%左右、輸出電極優(yōu)化的MCP并批量應(yīng)用；應(yīng)用于超二代像增強(qiáng)器的MCP需要開展小孔徑擴(kuò)口以及電子減速膜等新技術(shù)研究，使MCP開口面積比達(dá)到90%以上、像增強(qiáng)器傳函與對比度性能顯著提升；應(yīng)用于三代像增強(qiáng)器的MCP需要開展低放氣、低離子反饋MCP研究以支撐無膜三代像增強(qiáng)器的研發(fā)，抑制Halo、提高信噪比，在實(shí)現(xiàn)無膜MCP的基礎(chǔ)上，擴(kuò)口技術(shù)、輸入增強(qiáng)膜層技術(shù)、電子減速膜等MCP技術(shù)均有應(yīng)用于三代像增強(qiáng)器中的潛力。

微通道板；分辨力；小孔徑；擴(kuò)口微通道板；輸出電極；電子減速膜

0 引言

微通道板（microchannel plate，MCP）是一種大面陣、具有高空間分辨特性的電子倍增器，可直接探測帶荷粒子、電子、X射線和UV光子等，主要作為核心元件用于微光像增強(qiáng)器中。隨著高性能超二代、三代微光像增強(qiáng)器的發(fā)展，性能不斷提升，對MCP的要求也逐漸提高，其中MCP的空間分辨性能是關(guān)鍵性能之一，對于像增強(qiáng)器的分辨力、傳函、光暈（Halo）等性能指標(biāo)有重要的影響[1-7]。

近年來，高空間分辨微通道板的研究對于像增強(qiáng)器的性能提升有著重要的貢獻(xiàn)。在世界范圍內(nèi)，超二代像增強(qiáng)器技術(shù)以法國Photonis為代表，其最新產(chǎn)品為2019年發(fā)布的4G＋微光像增強(qiáng)器，信噪比達(dá)到30以上，分辨力達(dá)到72lp/mm以上，品質(zhì)因子FOM（FOM＝信噪比×分辨力）達(dá)到2300以上。4G＋像增強(qiáng)器采用了一種新的MCP技術(shù)，能夠極大地提升微光像增強(qiáng)器的對比度、傳函（modulation transfer function, MTF）性能[8]。三代像增強(qiáng)器發(fā)展歷程中，美國一直占據(jù)領(lǐng)先地位，L3 Harris公司的MX11769高性能三代微光像增強(qiáng)器，采用了無膜MCP，Halo得到了顯著的抑制，同時信噪比達(dá)到33以上，分辨力達(dá)到72lp/mm以上，F(xiàn)OM達(dá)到2376以上。目前美國空軍已采用裝備此型號像增強(qiáng)器的夜視儀，以便在最激烈的戰(zhàn)場環(huán)境下獲得更好的目標(biāo)探測和識別能力[9]。

超二代像增強(qiáng)器、三代像增強(qiáng)器高性能產(chǎn)品分辨力性能均達(dá)到了72lp/mm以上，同時在傳函、Halo等方面也有明顯的提升，這些改進(jìn)均與MCP的改進(jìn)及空間分辨性能的提升密不可分。本文在分析國外先進(jìn)像增強(qiáng)器所采用的高空間分辨MCP基礎(chǔ)上，以光電子成像過程MCP直接相關(guān)的3個階段進(jìn)行分類：光電子入射至MCP輸入面、MCP電子倍增、倍增電子圖像輸出，介紹目前已有的研究工作，提出進(jìn)一步提高微通道板空間分辨性能的技術(shù)途徑。

1 光電子入射至MCP輸入面

理想情況下，入射至通道內(nèi)的光電子得到倍增放大并輸出，入射至通道壁表面的電子被電極材料吸收。實(shí)際過程中，在MCP與陰極之間還會存在光子反射以及電子散射，影響像增強(qiáng)器空間分辨性能，尤其是采用了輸入增強(qiáng)膜的MCP以及制作了防離子反饋膜的MCP。

1.1 光子在MCP輸入面的反射

像增強(qiáng)器光電陰極通常具有一定的光透過率，從陰極透射過來的光子在MCP輸入面會產(chǎn)生一定的反射，光子反射至陰極產(chǎn)生新的光電子，位置已偏離了最初的位置，被稱為光子散射噪聲，如圖1所示。光子散射噪聲占總散射噪聲的20%，對于空間分辨性能有一定影響[10]。從微通道板方面抑制光子散射的措施主要方向?yàn)椋航档洼斎朊骐姌O反射率、擴(kuò)大MCP開口面積比。

圖1 光子散射噪聲形成示意圖[10]

通過使用電子束蒸發(fā)取代電阻加熱蒸發(fā)制作MCP輸入面電極，反射率可降低1%～2%，達(dá)到4%～5%，并且膜厚加厚可降低反射率[11]。制作防離子反饋膜之后，MCP輸入面反射率可降低2.5%左右[10]。傳統(tǒng)工藝制作的小孔徑MCP開口面積比能夠達(dá)到65%以上，但很難超過70%。MCP擴(kuò)口技術(shù)已研究多年，因工藝技術(shù)難度大，目前僅濱松能提供孔徑12mm、尺寸18mm～50mm的擴(kuò)口MCP[12]。近年來，采用干法刻蝕技術(shù)進(jìn)行MCP擴(kuò)口也有理論研究報(bào)道[13]，加工原理如圖2所示，為小孔徑MCP的擴(kuò)口提供了新的可能選擇。

圖2 干法刻蝕形成擴(kuò)口MCP示意圖[13]

1.2 電子在MCP輸入面的散射

微通道板開口面積比60%，從光電陰極發(fā)出的光電子有60%直接進(jìn)入通道內(nèi)被接收，其余的40%與MCP非開口區(qū)域碰撞并發(fā)生相互作用[14]，如圖3所示，產(chǎn)生彈性散射、非彈性散射、二次電子發(fā)射等，對分辨力[15]、傳函、Halo均有一定的影響，尤其是三代像增強(qiáng)器具有防離子反饋膜的MCP以及高性能超二代像增強(qiáng)器中具有輸入增強(qiáng)功能膜層的MCP。

圖3 MCP非開口面電子散射示意圖[14]

1.2.1 Halo

像增強(qiáng)器在動態(tài)光線條件工作時，場景中最亮的點(diǎn)周圍會顯示“光暈”即Halo，使部分或者整個圖像“白化”，影響視場質(zhì)量。造成Halo的主要原因是光電子在MCP非開口區(qū)域的電子散射[16]，尤其是彈性散射以及非彈性散射中能量較高的電子。Halo的直徑大約是陰極與MCP間距的4倍[17]。

相較于超二代像增強(qiáng)器，三代像增強(qiáng)器中由于使用了防離子反饋膜，Halo更大、更明亮。美國在標(biāo)準(zhǔn)三代管基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)革新，采用了自動門控電源以及無膜MCP技術(shù)，研制出NGEOS Halo Free I2，Halo有顯著改善[7]，如圖4所示。在減小陰極與MCP間距、采用無膜MCP的基礎(chǔ)上，開口面積比達(dá)到70%以上的擴(kuò)口MCP應(yīng)用能夠進(jìn)一步抑制Halo。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)三代與NGEOS無膜三代像增強(qiáng)器Halo對比[7]

1.2.2 傳函與分辨力

超二代像增強(qiáng)器性能提升研究中，李曉峰等提出了在微通道板輸入端鍍制絕緣層的方法，以提高微通道板輸入信號的利用率[18]，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 MCP輸入端鍍膜示意圖

在MCP輸入面A區(qū)域鍍制了SiO2、TiO2、Y2O3、Al2O3材料，相較于未鍍膜的B區(qū)域，MCP鍍膜區(qū)域增益提升幅度分別為：12%、16%、24%、35%。相應(yīng)的，在微通道板增益提高的同時，像增強(qiáng)器的分辨力和調(diào)制傳遞函數(shù)會降低，如圖6所示，并且絕緣層的二次電子發(fā)射系數(shù)越高，分辨力和調(diào)制傳遞函數(shù)降低的比例越大，但微通道板分辨力和調(diào)制傳遞函數(shù)降低的比例遠(yuǎn)低于增益提高的比例。

圖6 鍍膜A區(qū)與未鍍膜B區(qū)傳函對比[18]

A區(qū)分辨力以及MTF較低的原因是MCP入射電子束1產(chǎn)生的二次電子會進(jìn)入相鄰?fù)ǖ?，如圖7所示。進(jìn)入相鄰?fù)ǖ纼?nèi)的電子會疊加在對準(zhǔn)通道孔的入射電子束2中，使輸入信號失真，降低其對比度，所以對Ａ區(qū)的分辨力和MTF會有一定的影響。

在MCP輸入端鍍制一層具有高二次電子發(fā)射系數(shù)的MgO膜層，增益可提高1倍以上，同時像增強(qiáng)器信噪比可提升16.8%；但是分辨力下降約4lp/mm～10lp/mm，降幅達(dá)到10%。MgO輸入增強(qiáng)膜對于電子的倍增能力和探測效率的提升具有良好的應(yīng)用前景。如果將其應(yīng)用于成像觀察中，需考慮采取其他辦法彌補(bǔ)所損失的分辨力[19]。具有大開口面積比的小孔徑擴(kuò)口MCP，可顯著降低入射電子流與MCP輸入面非開口區(qū)域的碰撞概率，能夠解決高二次電子發(fā)射輸入增強(qiáng)膜應(yīng)用過程中所遇到的分辨力、傳函損失的問題。

圖7 二次電子運(yùn)動示意圖[18]

2 MCP電子倍增過程

光電子進(jìn)入通道內(nèi)進(jìn)行倍增的過程中，電子被限制在一個通道內(nèi)，不同通道之間的信號不會出現(xiàn)串?dāng)_。MCP倍增過程影響空間分辨性能的主要參數(shù)是孔徑與孔間距，二者以開口面積比關(guān)聯(lián)起來；同時還涉及到MCP斜切角。

2.1 MCP孔徑/孔間距對分辨力、傳函的影響

微通道板的空間分辨力取決于通道尺寸。理論極限分辨力定義為每毫米內(nèi)通道陣列的陣列數(shù)[1]：

式中：為極限分辨力；c為孔間距。

微通道板的傳函為[20]：

式中：1為一階貝塞爾函數(shù)；為通道孔徑。

從理論計(jì)算公式可以看出，通道孔徑、孔間距越小，分辨力、傳函性能越高。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，微通道板孔徑對于分辨力的影響非常大。L3公司將孔徑2mm、孔間距3mm的微通道板與常規(guī)的孔徑5mm、孔間距6mm的微通道板進(jìn)行制管對比實(shí)驗(yàn)[21]，5mm孔徑與2mm孔徑MCP對比如圖8所示。

圖8 孔徑5mm MCP與孔徑2mm MCP對比[21]

測試了不同孔間距MCP制管后的傳函，如圖9所示。對3mm孔間距MCP制管實(shí)測MTF曲線的最小二乘擬合表明MTF為3.4% @ 86 lp/mm。

圖9 微通道板孔間距與傳函關(guān)系[21]

相較于大孔徑，小孔徑MCP分辨力的提升有利于在低照度下提供更好的對比度，如圖10所示。MTF測試結(jié)果表明，單獨(dú)像增強(qiáng)器自身分辨力性能的提升，能夠轉(zhuǎn)化為整個探測系統(tǒng)的空間分辨能力。

圖10 孔徑5mm MCP與孔徑2mm MCP分辨力對比[21]

針對像增強(qiáng)器分辨力提升需求，MCP孔徑需要不斷縮小，立足于國內(nèi)現(xiàn)有基礎(chǔ)，近幾年的發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)孔徑5mm、開口面積比70%左右的MCP成熟批量應(yīng)用，并進(jìn)行孔徑減小至4.5mm甚至4mm的可行性論證、預(yù)研。

2.2 MCP斜切角對傳函的影響

不同斜切角對于傳函性能的影響，由Y .Wang報(bào)道的理論模擬計(jì)算結(jié)果[22]：

4種不同斜切角MCP對應(yīng)MTF如圖11所示，－3dB MTF（MTF＝50%）可以反映圖像增強(qiáng)器的整體圖像質(zhì)量。由圖11可知－3dB MTFs分別為39.52lp/mm、35.171p/mm、26.69lp/mm、20.62lp/mm，偏置角分別為8°、10°、12°、14°。實(shí)際研究工作開展時，需要對斜切角參數(shù)進(jìn)行制管驗(yàn)證，平衡分辨力、信噪比、固定圖案噪聲性能參數(shù)。

圖11 不同斜切角MCP對應(yīng)MTF曲線[22]

3 倍增電子圖像輸出

微通道板孔間距參數(shù)確定時，像增強(qiáng)器的空間分辨力很大程度上取決于微通道板與熒光屏的距離，主要原因在于MCP單個通道輸出的電子呈一定的角度分布逐漸彌散，距離熒光屏越遠(yuǎn)，彌散程度越大，同時影響了分辨力與傳函性能[23]。為了最大限度地提高微通道板的分辨力，通常采用“末端損失”方法，即微通道板輸出面金屬膜層深入到通道內(nèi)一定程度，使出射電子的掠出角減小，以便達(dá)到匯聚出射電子的目的。近年來，關(guān)于“末端損失”方法的改進(jìn)以及新的方法均有報(bào)道。

3.1 輸出電極優(yōu)化

3.1.1 增鍍高功函數(shù)金屬膜層

MCP輸出的電子能力有一定的分布，如圖12所示，A曲線為來源于MCP輸出電極的電子分布，B曲線為來源于MCP通道內(nèi)壁的電子分布，C為兩種分布的合成。輸出電子的能量越低則速度越低，在徑向的速度分量也低，最終的電子云彌散半徑越小，有利于獲得更高的分辨力。在輸出面已鍍制NiCr電極的基礎(chǔ)上，再蒸鍍一層具有高功函數(shù)的金屬膜層覆蓋原來的電極，能夠提高M(jìn)CP輸出電極的逸出功，獲得能量更低的電子[24-25]。

分別開展了鍍Ag、Pt的試驗(yàn)，其中鍍Ag分辨力能夠提升6.6%，鍍Pt分辨力能夠提升13%，相應(yīng)的增益分別降低為未增鍍膜層的74%、33%，需要更高增益的MCP以平衡增益、分辨力性能。

3.1.2 膜層調(diào)控與構(gòu)造“陷阱”

對于二次電子發(fā)射的抑制，還可以采取調(diào)控表面結(jié)構(gòu)，構(gòu)造溝槽或者粗糙表面，降低表面二次電子發(fā)射系數(shù)。L. Wang等構(gòu)造模型如圖13所示[26]。

圖12 MCP輸出電子能量分布[24]

圖13 溝槽結(jié)構(gòu)模型及不同結(jié)構(gòu)二次電子發(fā)射系數(shù)[26]

胡天存等研究了基于ZnO陣列的銀表面二次電子發(fā)射抑制研究[27]、王丹等研究了金納米結(jié)構(gòu)表面二次電子發(fā)射特性[28]、賀永寧等研究了鋁合金表面粗糙化處理及二次電子抑制特性研究[29]。鋁合金表面粗糙化工作中，從圖14可以看出，表面越粗糙，二次電子發(fā)射系數(shù)越低，是提升分辨力的一種研究方向。

圖14 不同腐蝕工藝構(gòu)造缺陷及二次電子發(fā)射系數(shù)[29]

3.2 電子減速膜新技術(shù)

在“末端損失”方法減弱輸出電子束彌散方法之外，Photonis公司提出了一種新的技術(shù)[30]，能夠顯著提升傳函與對比度。結(jié)合Photonis官網(wǎng)資料，此技術(shù)可能已經(jīng)應(yīng)用于其最新產(chǎn)品4G＋像增強(qiáng)器中。該項(xiàng)技術(shù)需要在MCP輸出面與熒光屏之間制作一層半導(dǎo)體或者絕緣體薄膜，帶隙大于等于1eV，其中晶體結(jié)構(gòu)中載流子擴(kuò)散長度不低于薄膜厚度的50%，面向熒光屏的表面具有負(fù)電子親和勢。按照其功能作用可以將這個功能膜層稱為“電子減速膜”：通過在像增強(qiáng)器中引入此薄膜，從電子倍增器發(fā)射的電子云可以被釋放到薄膜中，電子在薄膜中損失至少相當(dāng)一部分多余的能量，從而在導(dǎo)帶上流動，實(shí)際上，電子可以變成熱化電子。熱化電子遷移至朝向熒光屏一側(cè)進(jìn)行再發(fā)射，離開薄膜的電子具有低能量和小的能量分布（例如，小于1eV），如圖15(b)所示，電子橫向彌散的程度顯著低于圖15(a)。因此，離開薄膜的電子可以以很小的徑向速度穿過陽極間隙。徑向速度小的優(yōu)點(diǎn)是電子可以沿直線向陽極移動。因此，陽極間隙的MTF可以得到改善。

4 結(jié)論

國產(chǎn)超二代像增強(qiáng)器、三代像增強(qiáng)器在追趕國際先進(jìn)水平的過程中，需要不斷提高M(jìn)CP高空間分辨性能，二者所需有一定的共性要求：MCP孔徑不斷縮小，近幾年發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)孔徑5mm、開口面積比70%左右的MCP成熟批量應(yīng)用，并進(jìn)行孔徑減小至4.5mm甚至4mm的可行性論證、預(yù)研；輸出電極方面，以“末端損失”為主方向，通過電極膜層調(diào)控構(gòu)造“陷阱”，進(jìn)一步地約束輸出電子束的彌散范圍，提高空間分辨能力，支撐像增強(qiáng)器分辨力批量達(dá)到72lp/mm，甚至一定比例達(dá)到76lp/mm。

不同的是，超二代像增強(qiáng)器中應(yīng)用的微通道板需要研究的新技術(shù)包括小孔徑擴(kuò)口微通道板制備與應(yīng)用技術(shù)以及新概念電子減速膜新技術(shù)。三代像增強(qiáng)器中應(yīng)用的微通道板的一個主要方向應(yīng)是低放氣量、低離子反饋的無膜微通道板研制，支撐發(fā)展無膜三代像增強(qiáng)器，能夠顯著抑制Halo、提高信噪比等，在此基礎(chǔ)上，微通道板的技術(shù)發(fā)展將與超二代像增強(qiáng)器中應(yīng)用的微通道板趨于相同，包括擴(kuò)口MCP、輸入增強(qiáng)膜層、輸出面的電子減速膜等，均能得到應(yīng)用。

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Status and Development of High Spatial Resolution Microchannel Plate

QIUXiangbiao1，YANG Xiaoming1，SUN Jianning1，WANG Jian1，CONG Xiaoqing1，JIN Ge1，ZENG Jinneng2，ZHANG Zhengjun1，PAN Kai1，CHEN Xiaoqian1

(1.().,211106,; 2..,650217,)

Microchannel plates (MCP) are the core components of super GEN II and GEN III low-light-level image intensifiers. The spatial resolution has a significant effect on the resolution, transmission, and halo performance of low-light-level image intensifiers. The research results at home and abroad are reviewed based on the new technology development of the MCP used by the most advanced super GEN II and GEN III intensifiers. The specific performance requirements of advanced image intensifiers for the high spatial resolution of microchannel plates are verified by a systematic analysis of the three stages of photon input to the MCP surface, MCP electron multiplication, and multiplication electron image output in the imaging process of the image intensifier. The development trends of domestic MCP is put forward: the MCP with an aperture of 5 μm, an opening area ratio of approximately 70% and optimized output electrode will be developed and applied in batch in the next few years. The MCP applied to the super GEN Ⅱ image intensifier needs to conduct research on new technologies such as a small aperture funnel MCP technology and electron deceleration film, so that the MCP opening area ratio can reach more than 90% and the modulation transfer function and contrast performance of the image intensifier can be significantly improved. MCP with a low outgassing and low ion feedback are needed in the research to support the unfilmed GEN Ⅲ, which can inhibit Halo and improve the signal-to-noise ratio. Based on the unfilmed intensifier, the funnel MCP technology, input enhancement film technology, and electron deceleration film technology have the potential to be used in GEN Ⅲ intensifier.

microchannel plate, resolution, small aperture, funnel MCP technology, output electrode, electrondeceleration film

TN223

A

1001-8891(2024)04-0460-07

2022-06-15；

2023-07-29.

邱祥彪（1989-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：微通道板及微通道板型光電探測器，E-mail：ndqxb@163.com。