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P先生与M小姐

(2017-02-21 10:49:52)
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杂谈

先介绍一下P先生与M小姐

P先生的全名是Photo Multiplier Tube(PMT)——光电倍增管

M小姐的全名是MicroChannel Plates(MCP)——微通道板

P先生与M小姐都属探测器领域的明星,他们各有什么样的身世呢?当P先生与M小姐结合又会发生什么呢?最后,透露了一点小秘密。

P先生与M小姐

​ 1、P先生的身世

P先生——“光电倍增管(PMT)”的身世要追溯到20世纪初了。

当紫外线照射到金属表面时,能使金属发射带电粒子电流,这就是“光电效应”;当具有一定能量或速度的电子轰击金属表面时,会引起电子从被轰击的金属表面发射出来,这就是“二次电子发射”。

光电效应与二次电子发射的原理基本相同,都是原子的外层电子受到激发后获得足够的动能,从而脱离金属表面的势垒成为自由电子,不论入射的是电子还是光子,其能量都必须大于金属的逸出功。只是二次电子发射具有放大电流的功能,而正是这个倍增效应使极微弱光的探测成为可能。

基于“光电效应”、“二次电子发射”这两项重要的科学发现,20世纪30年代,有人巧妙地多次运用二次电子发射来倍增电子,研制出了能成百上千倍增强弱光电流的器件——光电倍增管,以达到放大微弱信号的目的。

光电倍增管由附着在输入光窗内表面的光电阴极、单级或多级电子倍增系统和接收信号的阳极组成,阴极与阳极之间设置单个或多个电位逐级上升并能产生二次电子的电极,称为“打拿极”(由Dynode音译为“打拿”)。

光电阴极将入射的微弱光信号转换成电信号,从光电阴极逸出的光电子在外加电场加速,经过聚焦打在第一个打拿极上,通过碰撞打拿极表面的二次电子发射材料,输出放大成为电子流,二次发射的电子又被加速,再经过聚焦打到第二打拿极上,电子数目再度被二次发射的过程倍增,如此逐级多次倍增形成较大的光电流信号被阳极接收并输出,进入后续电路供分析研究。光电倍增管一般有7~13个打拿极,可使所测电信号放大达106到1010倍,整个过程约10-8秒。

值得注意的是:这类光电倍增管的打拿极是不连续的,如下图所示。

不连续打拿极的光电倍增管示意图

​2、M小姐的身世

M小姐——“微通道板(MCP)”的身世也不简单。

20世纪30年代,美国的费罗·范斯沃斯(Philo Farnsworth)提出了连续式打拿极电子倍增器的设想并申请了专利。到了50年代,美国密歇根大学安娜堡分校的Bendix实验室(后被Galileo收购,现为美国BURLE光电公司)在将掺杂碱金属的铅玻璃作为倍增表面的试验中获得了极为重要的突破之后通道电子倍增器的研制才真正获得成功,并很快从平行板型(需要电磁场推进级联电子到阳极),发展到使用不需要磁场的导电铅玻璃管来制作电子倍增器的通道。

通道电子倍增器——用掺杂碱金属的铅玻璃制成中空通道管,在通道管两端施加约2千伏的电压。当一个带电粒子或载能光子撞击到通道管入口端获得能量后可溅射出数个二次电子(不同材料的表面,溅射出的二次电子数量有很大差别。正因掺杂碱金属的发射层有更小的表面逸出功,因此可以增加激发出的二次电子的数量)。

二次电子在穿越通道管的过程中,在纵向场的作用下会多次碰撞管内壁,连续产生大量二次电子。在激发层下面的电阻层具有从输入端到阳极逐渐增高的电势,二次电子的能量逐渐增加,每次撞击之后产生的二次电子的数量都会逐级增加,完成信号放大。该过程不停重复,直到产生的电子全部进入终端接收极。由于激发的二次电子数目和进入激发层的粒子能量有关,调节通道管两端的电压,不仅可改变通道内电子的运行轨迹,还可以改变每次撞击产生的二次电子的数量,通道电子倍增器的增益在一定范围内可调。

通道电子倍增器示意图

​1959年至1961年间,美国的Bendix实验室尝试将数千根空心玻璃管(通道直径约150微米)用低熔点焊料粘合在一起,制成具有放大作用的二维通道阵列,这就是最早的微通道板。此后,制作微通道板的制造工艺逐步提高。

从外形看,微通道板是一个聚集了上百万个细微平行空心玻璃通道管的薄片,每个通道内壁均涂具有能发射次级电子的材料,即每个通道都是一个连续打拿极的独立电子倍增器。薄片两个端面镀有镍铬金属薄膜,外环为一圈镀有镍铬金属薄膜但没有通道的实体边,用于提供良好的端面接触。给微通道板两端施加一定电压后,每个通道中会产生均匀的轴向电场,进入电场的低能电子(光子或电子)与管壁碰撞时产生次级电子,并在轴向电场的作用下沿着通道加速前进。重复多次碰撞过程,最后在高电势的输出端面产生大量的电子,这个过程被形象地比喻为“电子雪崩放大”。

微通道板的增益取决于施加在两个端面间的电压值、通道的长径比和通道内壁材料的二次电子发射特性。通过调节施加的电压,可控制微通道板的增益。正因增益取决于通道的长径比而不是通道的绝对尺寸,所以微通道板的尺寸及孔径可以做得非常小而不改变其基本性能。

微通道板示意图

​3、微通道板技术的发展并非一帆风顺

20世纪六十年代初到七十年代末,微通道板的制造工艺发展迅速,美、英、法、荷、前苏联等国已具有批量生产的能力,主要应用于微光像增强器,大量用于装备军队的夜视装置。但由于所用相关玻璃材料的工艺制作受当时工业水平的限制,微通道板的通道孔径及孔间距分别在10微米和12微米以上,噪声较大,成像质量还不尽人意,寿命一般达不到2000小时。

1982年,美国Galileo公司的长寿命玻璃材料研究获得成功,微通道板寿命可达5000小时了,但微通道的孔径、孔间距及动态范围还不太理想,且制作工艺十分复杂,信噪比仍不够高。这一阶段,微通道板的技术进展一度缓慢,直至1992年,德国Litton公司用新研制的材料制作出寿命达10000小时的微通道板,且可大大简化制作工艺。美国Galileo公司的研究也获进展,研制出了低噪声、寿命达8000小时的微通道板。美国国防部为进一步改善微通道板的分辨率制定了相应的研究计划,要求逐步将微通道板的通道孔径及孔间距由12微米缩小到4微米左右,并进一步降低噪声,提高微通道板的动态范围。

20世纪九十年代中后期,利用磷酸盐玻璃本身的半导体特性代替铅硅酸盐玻璃制作微通道的新一代微通道板问世了,这种工艺使微通道板在真空中的放气量降到极低,成为高质量微通道板的发展趋势。

微通道板可以探测荷电粒子、电子、X 射线和紫外线,具有低功耗、自饱和、高速探测和低噪声等优点,不仅在现代军用夜视装置中得到了广泛的使用,还以多种形式应用于各类临床医疗、化学分析、工业检测、粒子检测等领域的探测器中,如与质谱、红外检测器等联用还可发挥更多的功能。

4、P先生与M小姐的结合

20世纪六十年代末,人们开始将微通道板用于各种具有电子、离子增强的器件中。P先生有缘与M小姐结合,微通道板光电倍增管(MCP-PMT)由此诞生,P先生的大家族又增添了新的成员。

所谓“微通道板光电倍增管”,是指将光电倍增管的倍增系统由原来复杂的多级打拿极静电聚焦结构换为由一块或数块“微通道板”与光电阴极和接收阳极组成的双近贴聚焦结构。光子透过输入窗在光电阴极处产生光电子,光电子进入微通道板的通道与通道内壁碰撞产生二次电子,这些二次电子在通道内多次碰撞产生更多的二次电子,最终大量的二次电子被阳极收集,从而得到放大的信号输出。

近贴型微通道板光电倍增管结构示意图;此图是两块微通道板的通道轴向构成“人”字形

与传统的静电聚焦打拿极结构的光电倍增管相比,微通道板光电倍增管在结构上使电子从光电阴极到阳极的飞行路径长度大大缩短(约100倍),再加上微通道板的电子倍增特性,决定了它快速的时间响应、良好的脉冲分辨能力、优越的抗磁场性能、可获得二维信息能力,以及结构紧凑、体积小、重量轻、能耗小等独特的优势。

由于市场的迫切需求以及相关技术的不断进步,适用于不同应用场合的不同型号和规格的微通道板光电倍增管得以迅速发展。由早期的银氧铯光电阴极、单一微通道板及单一阳极的简单结构,发展到可具有多种类型光电阴极、数块微通道板,以及矩阵形式阳极的结构。品种多样、性能齐全的微通道板光电倍增管系列,在切伦科夫辐射探测、时间相关计数、等离子体诊断、时间谱仪等领域,得到广泛应用,特别适用于高能物理等尖端技术领域。

5、透露一点小秘密

大口径光电倍增管是国际最前沿的大型中微子实验必不可少的关键部件,但因生产技术及工艺复杂,研制难度极大,一直为日本、欧洲的少数厂家所垄断。口径越大,单位面积的造价越便宜,最大的20英寸光电倍增管只有日本厂家能够生产。

2008年中科院高能所提出江门中微子实验的构想,需要约2万只20英寸光电倍增管,随即启动了这项关键技术的预研。这里透露一点小秘密:由于新实验对能量精度的要求非常高,当时性能最好的光电倍增管也无法满足要求,对光子的探测效率(等于光阴极的量子效率乘以光电子的收集效率)需要比当时国际最好水平提高一倍,再加上其它探测器关键技术突破,才有希望测出中微子质量顺序。中国的科技工作者们立足长远,计划用十年时间攻克这项技术难关。

国际上的其他团队也有类似计划,除了提高光阴极的量子效率,在倍增技术上有的采用传统打拿极方案,有的采用半导体方案。由于国内在微通道板上有技术优势,最初的研制方案就确定:采用顶部的透射式光阴极和位于底部的反射式光阴极相结合,用微通道板组件作为电子倍增系统,采用静电聚焦设计。这是国际上的首创,获得了中国、美国、日本、俄罗斯和欧盟的发明专利,并且在2016年获得了中国专利优秀奖。

2011年底,由中科院高能物理所牵头,北方夜视技术股份有限公司、中科院西安光学精密机械研究所、中核控制系统股份有限公司和南京大学等单位组成了精干的研制合作组。历经四年,攻克了高量子效率的光阴极制备技术、微通道板、大尺寸玻壳、以及真空光电子器件封装技术等多个技术难点,最终研制出关键技术指标达到国际先进水平的样管,不仅拥有中国完全的自主知识产权,且大大提升了国内企业在超大型电真空器件领域的创新能力和国际竞争力。

国产20吋微通道板型光电倍增管

​2016年11月,国内首条具有年产7500支20英寸微通道板光电倍增管能力的生产线在北方夜视科技集团有限公司南京分公司正式启动。20英寸微通道板光电倍增管代表着目前国际上该领域的最高技术及工艺水平。三年之后,具有中国完全自主知识产权的15000支20英寸微通道板光电倍增管将安装在江门中微子实验直径约40米的巨大球型探测器上。

江门中微子实验探测器效果图


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