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MCP真空探測器的信號拾取及讀出

來源:先鋒科技(香港)股份有限公司   2017年12月12日 17:08  

一、MCP真空探測器的信號拾取及讀出

微通道板本身只是對電子進行倍增放大的器件,它吸收輸入的帶電粒子或光子,輸出倍增以后的電流(電子云)。為獲取實驗結果,需要將輸出的電子經過拾取或轉換后,形成能夠拍攝、記錄或計數(shù)的信號。

因此,對于一個特定目的的MCP真空探測器,信號拾取和讀出是非常重要的部分。通常會需要一個陽用來拾取電子云信號,陽與MCP輸出端之間有一定間距并加有高壓。一般而言有幾種類型的陽:

熒光屏:受高能電子轟擊后會發(fā)光,從而形成可見光的圖像;

金屬導電陽:直接拾取電流,用于粒子流強的分析或計數(shù);

位置敏感陽:如阻性陽或延遲線等,通過多通道讀出,在獲取信號強度的同時分析電子云的位置;

多陽:多個相互隔離的金屬陽,支持多點實時的信號采集。

 

圖4采用熒光屏成像的MCP探測器結構示意

 

MCP放大輸出的電子云經過陽轉換或拾取之后,尚需要讀出和信號處理、記錄,常用的有幾類部件:

CCD/CMOS相機:通過透鏡或光纖錐,將熒光屏上的像傳遞到圖像芯片上,并傳輸至電腦處理;

示波器、A/D轉換或計數(shù)器:主要用于讀出陽電流信號。入射流強較大時,可得到連續(xù)的電流,經過A/D轉換存儲為數(shù)字信號或經過示波器顯示,從而得到信號隨時間變化的特性;信號微弱時,采用閾值鑒別的方法進行計數(shù);

位置分辨數(shù)據(jù)處理:對位置敏感陽的信號進行高速處理,得到事件的位置、到達時間以及計數(shù)率;

多通道并行處理:用于多陽探測器。

MCP真空探測器的信號拾取及讀出

2.1 熒光屏及其讀出

用于成像目的的MCP探測器一般采用熒光屏作為陽。熒光屏在數(shù)個keV的高能電子轟擊下會發(fā)射可見光,經過相機拍攝后形成圖像型號。

 

圖5成像型MCP真空探測器的輸入(左圖)與輸出(熒光屏,右圖)

 

熒光屏所使用的材料,有P20、P43、P46、P47等多種。通常主要依據(jù)信號的重復頻率來選擇。P43具備較好的發(fā)光效率,其發(fā)光波長(550nm)正位于一般CCD相機感光效率zui高的區(qū)域,因此是zui常用的熒光屏;但P43的熒光衰減時間約1.2ms,故不適合幀率>500fps的成像;快速熒光屏中zui常用的是P46,其發(fā)光效率月為P43的1/4,但余輝時間僅為300ns。

一般熒光屏相對于MCP輸出的高壓會高達5kV以上。

熒光屏可以鍍在玻璃窗片上,該窗片同時起到真空密封的作用。也可以鍍在光纖錐面板窗片上,這樣像可以傳遞到窗片外側,以便后續(xù)再通過光纖錐與成像傳感器連接。

Photek 公司可根據(jù)用戶的需求提供各種材質的熒光屏鍍膜,并提供透鏡耦合/光纖錐耦合方式。

根據(jù)具體的應用,光學耦合及CCD/CMOS相機的選擇可以有多種方式:

光纖錐耦合與透鏡耦合:光纖錐的優(yōu)點是效率高,像畸變??;缺點是信號強度均勻性會受到一定的影響,另外光纖錐耦合需要后端相機芯片上已經粘好光纖面板輸入,故相機的選擇受到一定的局限;透鏡耦合結構比較簡單,放大倍率靈活可調,比較適合大縮放比的情景,透鏡耦合效率低于光纖錐耦合,而分辨率、成像質量取決于透鏡的質量。透鏡耦合可以設計成90度轉折光路,當實驗系統(tǒng)有穿透性非常高的粒子(如中子、高能光子)時,這種設計有助于保護后續(xù)相機及電子線路免受輻射損傷。

即使探測器本身選配了光纖錐輸出,仍舊可以采用透鏡來作像傳遞。

CCD或CMOS相機的選擇:由于MCP本身有較大的增益,一般信號探測可采用普通的科研級CCD/CMOS相機,根據(jù)所需要的分辨率及幀速選擇;較為微弱的、需要長時間積分的信號,可選擇制冷型CCD相機;對探測動態(tài)范圍有需求時,建議使用sCMOS相機;如果工作在單光子計數(shù)模式,可以選擇常規(guī)的CMOS相機。

單光子計數(shù)模式:針對微弱的信號,CCD/CMOS相機可工作在單光子計數(shù)模式,單光子計數(shù)模式需要前端采用二級連或以上(>1E6增益)的MCP。在單光子計數(shù)模式時,相機持續(xù)以固定幀率或接受外觸發(fā)同步采集信號,MCP探測到的單粒子事件會在圖像上形成分立的斑點;軟件計算每個斑點的總強度和強度重心,超過一定閾值的被認為是單個粒子事件,其重心位置對應的坐標計數(shù)值加1。經過長時間、多幀疊加后,還原圖像。

采用相機進行單光子探測無法進行高速的時間分辨(時間分辨取決于相機的幀率),但其統(tǒng)計的方式可以實現(xiàn)非常低的噪聲,同時因為單粒子事件的空間坐標采用統(tǒng)計重心的方式,其空間分辨率可以非常高,達到CCD芯片的水平。

Photek提供成像或粒子計數(shù)的成套系統(tǒng),包括MCP探測器、光學耦合、相機和軟件。

2.2 金屬陽輸出(真空PMT)

如果在MCP輸出端之后放置金屬陽,并施加高壓,電子云會到達陽并可以形成電流輸出,電流強度正比于輸入信號的強度。電流可通過示波器、A/D轉換器采集,或者(信號微弱,只能產生分立的單粒子峰時)經鑒別器、計數(shù)器計數(shù)。

這類探測器具備超快的時間響應(小口徑探測器可達到<100ps的上升沿,100ps左右的FWPM脈沖響應),非常適合做TOF(Time Of Fly,時間飛行)譜儀的探測器,因此也常稱作TOF探測器。

除了MCP本身的電子渡越時間展寬之外,電子云在MCP和陽之間的飛行以及電流形成有時會對脈沖形狀(尤其是后沿)造成影響。經過特殊設計的陽形狀(如錐形陽)可以減輕這種效應。Photek可根據(jù)用戶的需求設計不同形狀的陽板。

 

圖6采用錐形陽的MCP探測器

如果對輸入面的電位無要求(例如,光子探測),陽直接接地有助于方便的拾取電流信號。但在很多場合下MCP輸入面需要零電位,這樣陽相對于地就有數(shù)千伏的高壓,后續(xù)信號拾取時需要采用隔直電容:隔直電容需要耐高壓、容量和取樣電阻需要精心設計以確保對快速信號的通過帶寬,而且一旦電容失效就會立刻擊穿后續(xù)電路。Photek可配置隔離陽,將電流取樣和陽板絕緣,確保響應速度,同時免去用戶設計隔直電路的煩惱和風險。

2.3 空間分辨陽

MCP本身是二維(成像)器件,采用熒光屏+相機讀出可以獲得圖像,但是其時間分辨由相機決定;而采用導電陽可以獲得超快的信號(<100ps響應),卻喪失了空間分辨能力。通過采用特殊的陽結構,如阻性陽(resistive sea anode) 或者延遲線(delay line),可以同時實現(xiàn)高速度的時間、空間分辨。

 

圖7 阻性陽的空間分辨原理

阻性陽為具備特定形狀及非零電阻的陽板,如圖7所示。通過四個端角上取樣的電流脈沖的比率來計算信號在MCP板上的位置,同時具備實時響應的特征。

 

圖8 延遲線(Delay Line)示意圖

而延遲線則通過兩組密切排布的、排布方向互相垂直的導線作為陽;兩組導線的四個端點拾取的信號的時間可以獲知事件發(fā)生的位置和時間。

需要注意的是這類探測器(阻性陽與延遲線)通常工作在單粒子計數(shù)模式,如果在短時間(如<5ns)內有兩個信號同時抵達MCP的不同位置,則位置反演會給出錯誤的結果。當然,對于點源的跟蹤,這類探測器也可工作在模擬、連續(xù)輸出的模式。

Photek提供阻性陽和延遲線探測器,以及探測系統(tǒng)(包括探測器、快電子線路、計數(shù)軟件),可以實現(xiàn)<5ns的時間分辨率和512×512水平的空間分辨率。

2.4  多陽探測器

采用多個相互絕緣的金屬陽,這樣可以輸出每個金屬陽探測到的電子信號,實現(xiàn)位置分辨、超快時間分辨的探測。其結構如圖8所示。

 

圖9 多陽探測器的結構示意

陽個數(shù)可以達到64×64甚至更多,陽之間的間距可達亞毫米水平,每個陽的響應時間可快至百微秒。這類探測器能夠實現(xiàn)亞納秒信號的二維多通道同時采集。

每個通道需要一路單獨的讀出電路,因此這類探測器成本較高。電路可通過MEMS方式集成在探測器上,也可以外置。

針對某些特殊應用,探測器可以做成方形的,方便擴展探測面積和通道數(shù)目。

Photek 公司提供多陽MCP探測器以及包括電子線路的探測系統(tǒng)。

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