一，MCP真空探測器的(dí)信(xìn)號拾取(qǔ)及(jí)讀(dú)出

微通(tōng)道板本(běn)身(shēn)隻是(shì)對電子進(jìn)行倍增放大(dà)的(dí)器(qì)件(jiàn)，它吸收輸(shū)入的帶電(diàn)粒(lì)子或光子，輸出倍增以後(hòu)的(dí)電流（電(diàn)子(zǐ)雲(yún)）。為獲取實(shí)驗(yàn)結果，需(xū)要將輸(shū)出的(dí)電(diàn)子(zǐ)經過拾取(qǔ)或(huò)轉換後，形成(chéng)能夠拍攝(shè)，記(jì)錄或計數的(dí)信(xìn)號(hào)。

因此，對於(yú)一(yī)個特定目(mù)的的(dí)MCP真空(kōng)探測器，信號(hào)拾(shí)取(qǔ)和讀(dú)出是非(fēi)常重(zhòng)要的(dí)部(bù)分。通常會(huì)需要一個陽用(yòng)來拾取(qǔ)電子(zǐ)雲信(xìn)號(hào)，陽與(yǔ)MCP輸(shū)出(chū)端之間有(yǒu)一定(dìng)間(jiān)距並(bìng)加(jiā)有高(gāo)壓。一般(bān)而(ér)言(yán)有(yǒu)幾種類(lèi)型(xíng)的(dí)陽(yáng)：

l 熒光(guāng)屏(píng)：受高(gāo)能電子轟(hōng)擊(jī)後會發(fā)光，從而(ér)形成可見光(guāng)的圖像
；

l 金屬導(dǎo)電陽(yáng)：直接(jiē)拾(shí)取(qǔ)電(diàn)流(liú)，用於(yú)粒子流(liú)強的(dí)分析或計(jì)數
；

l 位置(zhì)敏(mǐn)感(gǎn)陽(yáng)：如阻性(xìng)陽(yáng)或延(yán)遲綫(xiàn)等(děng)，通(tōng)過(guò)多(duō)通道讀(dú)出，在獲(huò)取信(xìn)號強度的(dí)同時分析電子雲(yún)的位置
；

l 多(duō)陽：多(duō)個(gè)相互(hù)隔離的金(jīn)屬陽，支(zhī)持多點(diǎn)實(shí)時(shí)的信(xìn)號采(cǎi)集。

圖4采用熒光屏成像的MCP探測器(qì)結構示意

MCP放(fàng)大(dà)輸(shū)出的電子雲(yún)經(jīng)過陽轉換(huàn)或拾取(qǔ)之後，尚(shàng)需要(yào)讀出和(hé)信號處理(lǐ)，記(jì)錄(lù)，常用(yòng)的有(yǒu)幾(jī)類部件：

l CCD/CMOS相機：通(tōng)過(guò)透(tòu)鏡(jìng)或(huò)光(guāng)纖錐，將熒光(guāng)屏(píng)上(shàng)的(dí)像(xiàng)傳遞到圖像芯(xīn)片上，並傳輸至電(diàn)腦(nǎo)處(chǔ)理
；

l 示波器，A/D轉(zhuǎn)換或計數器(qì)：主要(yào)用(yòng)於讀(dú)出(chū)陽電(diàn)流信(xìn)號(hào)。入(rù)射流(liú)強較大(dà)時(shí)，可得到連(lián)續(xù)的(dí)電流，經(jīng)過A/D轉換存儲(chǔ)為數(shù)字(zì)信(xìn)號或(huò)經(jīng)過示波(bō)器顯示，從而(ér)得(dé)到信(xìn)號(hào)隨(suí)時(shí)間(jiān)變化的特(tè)性(xìng)
；信號(hào)微弱時(shí)，采(cǎi)用閾(yù)值鑒別的方法進行(háng)計數
；

l 位置(zhì)分辨(biàn)數(shù)據處(chǔ)理(lǐ)：對位(wèi)置(zhì)敏(mǐn)感陽的信(xìn)號進(jìn)行(háng)高速(sù)處理(lǐ)，得(dé)到事件的位置，到達(dá)時(shí)間以及(jí)計(jì)數(shù)率
；

l 多通道(dào)並(bìng)行(háng)處理(lǐ)：用(yòng)於(yú)多陽(yáng)探測(cè)器。

MCP真空探測(cè)器(qì)的(dí)信號(hào)拾(shí)取及(jí)讀出

2.1 熒(yíng)光(guāng)屏(píng)及(jí)其(qí)讀出(chū)

用於成像(xiàng)目的(dí)的(dí)MCP探(tàn)測(cè)器一般采用熒(yíng)光(guāng)屏作為陽(yáng)。熒光屏(píng)在(zài)數個(gè)keV的(dí)高能電子轟擊(jī)下會發射可見(jiàn)光，經過相機(jī)拍攝(shè)後形(xíng)成(chéng)圖(tú)像型號。

圖(tú)5成像型(xíng)MCP真空探(tàn)測器(qì)的(dí)輸(shū)入（左圖(tú)）與輸(shū)出（熒光屏(píng)，右(yòu)圖(tú)）

熒(yíng)光屏所使(shǐ)用(yòng)的材料，有(yǒu)P20，P43，P46，P47等多種(zhǒng)。通常主要(yào)依(yī)據信號(hào)的重(zhòng)復頻率來(lái)選擇。P43具(jù)備較(jiào)好(hǎo)的發光效(xiào)率(shuài)，其發光波(bō)長（550nm）正位(wèi)於(yú)一(yī)般CCD相機(jī)感(gǎn)光效率zui高的區域，因(yīn)此(cǐ)是zui常用(yòng)的(dí)熒(yíng)光屏(píng)
；但P43的(dí)熒(yíng)光衰(shuāi)減時間約1.2ms，故不(bù)適合(hé)幀率>500fps的(dí)成(chéng)像(xiàng)
；快速熒光(guāng)屏(píng)中zui常(cháng)用(yòng)的是(shì)P46，其(qí)發光效率(shuài)月(yuè)為P43的(dí)1/4，但(dàn)餘輝(huī)時間(jiān)僅(jǐn)為(wéi)300ns。

一般熒光屏相(xiāng)對(duì)於MCP輸(shū)出(chū)的高壓(yā)會高(gāo)達5kV以上。

熒光(guāng)屏可以鍍(dù)在玻(bō)璃窗片上，該窗(chuāng)片同時起到真空密(mì)封的作用。也(yě)可(kě)以鍍在光纖(xiān)錐麵板窗片上，這(zhè)樣像可以傳(chuán)遞到(dào)窗(chuāng)片外側(cè)，以便後續(xù)再通(tōng)過光纖錐(zhuī)與成像傳感(gǎn)器(qì)連接(jiē)。

Photek 公司(sī)可根(gēn)據(jù)用(yòng)戶的(dí)需求(qiú)提(tí)供(gōng)各種材質(zhì)的熒光屏鍍膜，並提供透(tòu)鏡耦(ǒu)合/光纖錐(zhuī)耦(ǒu)合方式(shì)。

根(gēn)據具(jù)體的(dí)應用(yòng)，光學耦(ǒu)合及CCD/CMOS相(xiāng)機的選(xuǎn)擇(zé)可以(yǐ)有多種(zhǒng)方式(shì)：

l 光纖錐(zhuī)耦合(hé)與透鏡(jìng)耦(ǒu)合(hé)：光(guāng)纖錐的(dí)優點是(shì)效率(shuài)高，像(xiàng)畸變小(xiǎo)
；缺(quē)點(diǎn)是信號(hào)強度均匀性會(huì)受(shòu)到(dào)一(yī)定(dìng)的(dí)影響，另(lìng)外(wài)光纖(xiān)錐耦合需要後端相(xiāng)機芯片上已經粘好(hǎo)光(guāng)纖麵板輸入(rù)，故相機的(dí)選(xuǎn)擇受(shòu)到一定的局(jú)限
；透鏡(jìng)耦合(hé)結(jié)構比較簡單(dān)，放(fàng)大倍率靈(líng)活(huó)可(kě)調，比較(jiào)適(shì)合(hé)大(dà)縮(suō)放(fàng)比(bǐ)的(dí)情景(jǐng)，透鏡耦合(hé)效率(shuài)低(dī)於(yú)光纖錐耦(ǒu)合(hé)，而分(fēn)辨率(shuài)，成像(xiàng)質量取(qǔ)決(jué)於透鏡的質量。透(tòu)鏡耦(ǒu)合可以(yǐ)設(shè)計(jì)成90度轉(zhuǎn)折(zhē)光路，當實(shí)驗係統(tǒng)有穿(chuān)透性(xìng)非常(cháng)高(gāo)的(dí)粒(lì)子(zǐ)（如中子，高能(néng)光(guāng)子）時，這種設(shè)計有(yǒu)助於(yú)保(bǎo)護(hù)後續相(xiāng)機及電(diàn)子綫路免受(shòu)輻(fú)射損(sǔn)傷(shāng)。

即使探測器(qì)本(běn)身選配了光(guāng)纖錐(zhuī)輸出，仍舊(jiù)可(kě)以采(cǎi)用(yòng)透鏡來(lái)作(zuò)像(xiàng)傳遞(dì)。

l CCD或CMOS相機的(dí)選擇：由(yóu)於(yú)MCP本(běn)身有較大的增益(yì)，一般(bān)信號(hào)探測可采用普通的科(kē)研級CCD/CMOS相(xiāng)機，根據(jù)所(suǒ)需要的(dí)分辨率及幀速(sù)選(xuǎn)擇
；較(jiào)為微弱(ruò)的，需(xū)要長時(shí)間積(jī)分的(dí)信號，可(kě)選(xuǎn)擇製冷型(xíng)CCD相機
；對探測動(dòng)態(tài)範(fàn)圍有需求時，建議使用sCMOS相機
；如(rú)果(guǒ)工(gōng)作(zuò)在(zài)單(dān)光子計數模(mó)式(shì)，可以(yǐ)選(xuǎn)擇(zé)常(cháng)規的CMOS相機。

l 單光子(zǐ)計數模式：針(zhēn)對(duì)微弱(ruò)的(dí)信(xìn)號，CCD/CMOS相機可(kě)工(gōng)作在(zài)單光(guāng)子(zǐ)計數(shù)模(mó)式(shì)，單光(guāng)子計(jì)數模式需(xū)要(yào)前端采(cǎi)用(yòng)二級連或以(yǐ)上(shàng)（>1E6增(zēng)益）的MCP。在單(dān)光子計(jì)數(shù)模式時，相(xiāng)機(jī)持續(xù)以固定幀(zhēn)率(shuài)或(huò)接(jiē)受(shòu)外觸發同步采集信(xìn)號，MCP探測(cè)到的(dí)單粒(lì)子(zǐ)事件(jiàn)會在圖(tú)像上(shàng)形成分立(lì)的斑點(diǎn)
；軟(ruǎn)件計算(suàn)每個斑(bān)點的(dí)總(zǒng)強(qiáng)度和(hé)強(qiáng)度重(zhòng)心，超過(guò)一(yī)定閾(yù)值(zhí)的(dí)被(bèi)認為是(shì)單(dān)個粒子(zǐ)事件，其重心(xīn)位置(zhì)對(duì)應的坐標(biāo)計數值加1。經(jīng)過(guò)長(cháng)時間(jiān)，多幀疊加(jiā)後(hòu)，還原圖像。

采(cǎi)用相機進(jìn)行單光子(zǐ)探測無(wú)法進行高(gāo)速(sù)的時間(jiān)分辨(biàn)（時間分辨取決於(yú)相機(jī)的(dí)幀(zhēn)率），但(dàn)其(qí)統(tǒng)計的方式(shì)可以實現非(fēi)常低的(dí)噪聲，同時(shí)因為單(dān)粒(lì)子事(shì)件(jiàn)的(dí)空間坐標采(cǎi)用統計重心(xīn)的方式，其空間(jiān)分辨(biàn)率可(kě)以非(fēi)常(cháng)高，達(dá)到(dào)CCD芯片的水平。

Photek提供(gōng)成像或(huò)粒(lì)子(zǐ)計(jì)數的成套(tào)係統，包括MCP探(tàn)測器，光學耦合，相(xiāng)機(jī)和軟件(jiàn)。

2.2 金(jīn)屬陽輸出（真空PMT）

如果在(zài)MCP輸(shū)出端(duān)之(zhī)後放(fàng)置(zhì)金屬(shǔ)陽，並(bìng)施(shī)加高(gāo)壓，電(diàn)子雲(yún)會到(dào)達陽並可以形(xíng)成電(diàn)流輸(shū)出(chū)，電(diàn)流強度(dù)正比於(yú)輸入信號的強(qiáng)度(dù)。電(diàn)流可(kě)通過(guò)示波器，A/D轉換器采集，或者(zhě)（信(xìn)號微弱，隻能產生(shēng)分(fēn)立的(dí)單(dān)粒(lì)子峰(fēng)時(shí)）經鑒別器，計(jì)數(shù)器計數。

這類探(tàn)測器具備(bèi)超(chāo)快的(dí)時間響應（小(xiǎo)口(kǒu)徑探測(cè)器可達(dá)到<100ps的上(shàng)升沿，100ps左(zuǒ)右(yòu)的FWPM脈(mài)衝響(xiǎng)應(yīng)），非常(cháng)適合(hé)做TOF（Time Of Fly，時(shí)間飛行(háng)）譜(pǔ)儀的(dí)探測器，因此也常(cháng)稱作TOF探(tàn)測器(qì)。

除(chú)了MCP本身的(dí)電子(zǐ)渡(dù)越(yuè)時(shí)間展寬之外(wài)，電子雲在MCP和(hé)陽之間的(dí)飛(fēi)行(háng)以(yǐ)及電流形成有(yǒu)時會對脈衝形狀（尤其是後沿(yán)）造成(chéng)影響。經(jīng)過特殊(shū)設計(jì)的陽(yáng)形(xíng)狀（如錐形(xíng)陽）可(kě)以(yǐ)減(jiǎn)輕(qīng)這種(zhǒng)效應。Photek可根(gēn)據用戶(hù)的需求(qiú)設計不同形狀的(dí)陽(yáng)板(bǎn)。

圖(tú)6采用錐形陽的(dí)MCP探測器

如果對(duì)輸(shū)入麵的電位無(wú)要(yào)求（例如(rú)，光(guāng)子探測），陽直接接(jiē)地有助(zhù)於方(fāng)便的(dí)拾(shí)取電(diàn)流信號。但在很多(duō)場合(hé)下MCP輸入(rù)麵(miàn)需要零電位(wèi)，這樣陽相對於(yú)地就(jiù)有(yǒu)數(shù)千(qiān)伏的高(gāo)壓(yā)，後(hòu)續信(xìn)號拾(shí)取時(shí)需要(yào)采用隔直(zhí)電容(róng)：隔(gé)直電容(róng)需(xū)要耐高壓，容(róng)量和取樣(yàng)電阻需(xū)要精(jīng)心設計以(yǐ)確(què)保對(duì)快速(sù)信號的(dí)通(tōng)過(guò)帶(dài)寬(kuān)，而且一(yī)旦電容(róng)失效(xiào)就(jiù)會立刻(kè)擊(jī)穿(chuān)後(hòu)續(xù)電路。Photek可(kě)配置(zhì)隔離(lí)陽，將(jiāng)電流取樣(yàng)和陽(yáng)板絕緣(yuán)，確(què)保(bǎo)響(xiǎng)應速度(dù)，同(tóng)時免去用戶設計(jì)隔(gé)直電路的煩惱(nǎo)和風險(xiǎn)。

2.3 空間分辨(biàn)陽(yáng)

MCP本(běn)身是(shì)二維（成(chéng)像）器件(jiàn)，采用熒光(guāng)屏+相機(jī)讀(dú)出可以(yǐ)獲(huò)得圖像，但是其(qí)時(shí)間分辨由相機決定(dìng)
；而采用(yòng)導電陽可以獲(huò)得(dé)超(chāo)快的信(xìn)號（<100ps響應），卻(què)喪失了空間分辨(biàn)能(néng)力(lì)。通過(guò)采用(yòng)特殊的陽(yáng)結構(gòu)，如阻性陽(resistive sea anode) 或(huò)者(zhě)延遲(chí)綫(delay line)，可以同(tóng)時實現高速度(dù)的(dí)時間(jiān)，空間(jiān)分(fēn)辨(biàn)。

圖(tú)7 阻性陽的空間分辨(biàn)原理

阻(zǔ)性(xìng)陽為(wéi)具(jù)備特(tè)定形狀(zhuàng)及(jí)非零(líng)電阻的陽板(bǎn)，如(rú)圖7所(suǒ)示(shì)。通過四個(gè)端角(jiǎo)上取(qǔ)樣(yàng)的(dí)電流(liú)脈衝的比(bǐ)率來(lái)計(jì)算信號在(zài)MCP板(bǎn)上(shàng)的(dí)位置，同時具備實時響應(yīng)的特征(zhēng)。

圖8 延(yán)遲(chí)綫(xiàn)（Delay Line)示意(yì)圖

而(ér)延遲(chí)綫(xiàn)則(zé)通(tōng)過兩組(zǔ)密(mì)切排布(bù)的(dí)，排布(bù)方向(xiàng)互(hù)相垂直的導(dǎo)綫作為陽
；兩組(zǔ)導綫的四(sì)個端點拾取的信(xìn)號的時間(jiān)可以獲知(zhī)事件(jiàn)發生(shēng)的位(wèi)置和時間。

需要(yào)注(zhù)意的是這(zhè)類探(tàn)測(cè)器（阻(zǔ)性陽(yáng)與(yǔ)延(yán)遲綫(xiàn)）通常工(gōng)作在單粒子計數模(mó)式，如果(guǒ)在(zài)短時間（如<5ns）內有兩個信號(hào)同時抵達MCP的不(bù)同位置，則位(wèi)置反演(yǎn)會(huì)給出(chū)錯誤(wù)的結果。當(dāng)然(rán)，對(duì)於點源(yuán)的(dí)跟蹤，這類探測(cè)器也可(kě)工作(zuò)在模擬(nǐ)，連(lián)續(xù)輸(shū)出(chū)的(dí)模式。

Photek提供阻性陽和(hé)延(yán)遲(chí)綫探(tàn)測器，以及(jí)探(tàn)測係統(tǒng)（包括探測(cè)器(qì)，快(kuài)電(diàn)子綫路，計(jì)數軟(ruǎn)件），可(kě)以(yǐ)實(shí)現<5ns的(dí)時(shí)間(jiān)分(fēn)辨率(shuài)和512×512水平的空間(jiān)分(fēn)辨(biàn)率(shuài)。

2.4  多陽探測器

采(cǎi)用(yòng)多(duō)個(gè)相互(hù)絕(jué)緣的金屬(shǔ)陽，這樣(yàng)可(kě)以輸(shū)出(chū)每個金(jīn)屬(shǔ)陽(yáng)探(tàn)測到的電(diàn)子信(xìn)號，實現位(wèi)置分辨(biàn)，超快時間(jiān)分辨的(dí)探測(cè)。其(qí)結構如(rú)圖8所示。

圖(tú)9 多(duō)陽探測器的(dí)結構示(shì)意

陽個數(shù)可(kě)以(yǐ)達到64×64甚至更多，陽之(zhī)間的(dí)間距可(kě)達亞毫米(mǐ)水平，每個(gè)陽的(dí)響應時間可(kě)快至(zhì)百微(wēi)秒。這類(lèi)探測(cè)器能夠(gòu)實現亞納(nà)秒(miǎo)信(xìn)號(hào)的二(èr)維多(duō)通(tōng)道(dào)同時(shí)采(cǎi)集(jí)。

每個通道(dào)需要(yào)一(yī)路單獨(dú)的讀出電路，因此這類(lèi)探測器成本較高。電(diàn)路可(kě)通(tōng)過(guò)MEMS方式(shì)集(jí)成在探測器(qì)上，也可(kě)以(yǐ)外置(zhì)。

針對某(mǒu)些(xiē)特殊應(yīng)用(yòng)，探(tàn)測器(qì)可以做成方形的，方便擴展探測(cè)麵積和通道(dào)數目。

Photek 公司提供(gōng)多(duō)陽MCP探測器(qì)以及包(bāo)括電(diàn)子綫路的探測(cè)係統。