尼啟良，姜忠志，，劉文光，王惟彪，蒲冬冬，潘京生，張 蓉，孫建寧

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049，3.昆明物理研究所，昆明 650223）

1 引言

隨著我國(guó)空間科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)X射線-紫外波段光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器也有了迫切的需求.已經(jīng)立項(xiàng)的“風(fēng)云三號(hào)”有效載荷全球紫外成像光譜儀，目的在于探測(cè)全球電離層在83.4 nm、130.4 nm、135.6 nm、143 nm的輻射.世界空間紫外天文臺(tái)是由俄羅斯主導(dǎo)、中國(guó)及歐洲共同參與研制波段范圍在102 nm～320 nm之間的綜合性大型空間紫外望遠(yuǎn)鏡，其中我國(guó)負(fù)責(zé)研制長(zhǎng)狹縫高分辨率成像光譜儀，這些工程任務(wù)的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)X射線-紫外波段的光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器，尤其是使用基于羅蘭圓結(jié)構(gòu)的高分辨率成像光譜儀，其焦平面是柱面，需要使用曲率半徑與羅蘭圓半徑相匹配的柱面MCP光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器，以便消除所用光學(xué)系統(tǒng)像差的影響，實(shí)現(xiàn)成像光譜儀的超高分辨率.上面提到的儀器都要求很高的靈敏度，而靈敏度主要是由MCP的暗計(jì)數(shù)率決定的，例如，長(zhǎng)狹縫高分辨率成像光譜儀要求所用MCP的暗計(jì)數(shù)率達(dá)到0.1 count/（cm2·s）［1，2］，需要使用所謂的低噪聲MCP，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的平面MCP的暗計(jì)數(shù)率通常是幾個(gè)到十幾個(gè)count/（cm2·s），遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求.從國(guó)外能購(gòu)買到的MCP暗計(jì)數(shù)率廠家通常給的是3～5 count/（cm2·s）［3，4］，因此，自行研制低噪聲柱面MCP來(lái)滿足我國(guó)空間任務(wù)的需求勢(shì)在必行.柱面MCP光子計(jì)數(shù)位置靈敏成像探測(cè)器最早用于美國(guó)衛(wèi)星ORFEUS 上的極紫外（EUV）-遠(yuǎn)紫外（FUV）高分辨率成像光譜儀，工作波段范圍39～120 nm，探測(cè)器像元分辨率30 μm×100 μm，最高計(jì)數(shù)率20 kcounts/s，MCP曲率半徑540 mm，尺寸95 mm×25 mm，長(zhǎng)徑比120：1，13°斜切角，使用延遲線（DDL）陽(yáng)極，此后相繼應(yīng)用在美國(guó)FUSE衛(wèi)星的FUV光譜儀（工作波段范圍：90～120 nm，探測(cè)器像元分辨率20 μm ×50 μm，最高計(jì)數(shù)率40 kcounts/s，MCP曲率半徑826 mm，尺寸95 mm×20 mm，長(zhǎng)徑比80：1，13°斜切角，螺旋延遲線（HDDL）陽(yáng)極，美國(guó)的Rosetta和HORIZON衛(wèi)星的FUV光譜儀，工作波段范圍：70～205 nm，探測(cè)器像元分辨率34 μm ×625 μm，最高計(jì)數(shù)率30 kcounts/s，MCP曲率半徑75 mm，尺寸46 mm×30 mm，長(zhǎng)徑比80：1，13°斜切角，DDL陽(yáng)極），以及美國(guó)的COS衛(wèi)星的FUV光譜儀［5，6，7］（工作波段范圍115～177.5 nm，探測(cè)器像元分辨率25 μm ×50 μm，最高計(jì)數(shù)率15 kcounts/s，MCP曲率半徑826 mm，尺寸85 mm×10 mm，長(zhǎng)徑比80：1，19°斜切角，XDL陽(yáng)極）等天文儀器.針對(duì)我國(guó)未來(lái)空間天文儀器對(duì)低噪聲柱面MCP的需求，本文給出了我們與北方夜視南京分公司［8］合作研制的柱面微通道板制備的新方法，并使用現(xiàn)有的楔條形陽(yáng)極數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)制備出的柱面MCP的暗噪聲及其成像性能進(jìn)行了檢測(cè).

2 柱面MCP的制備

2.1 低噪聲MCP玻璃制備及玻璃物化性能的研究

降低探測(cè)器的背景事件率是提高天體物理學(xué)儀器的靈敏度的一個(gè)有效方法.在MCP探測(cè)器中，MCP通道內(nèi)吸附的殘余氣體分子的電離反饋和MCP玻璃中的40K和/或87Rb（取決于制作MCP玻璃的成份）的β衰變的殘余輻射是MCP的背景事件本原的主要貢獻(xiàn)者，前者可隨著在真空中的時(shí)間增加而衰退，并且通過(guò)真空烘烤和電子清涮可有效降低甚至消除，但后者與探測(cè)器的電壓、時(shí)間和溫度都不相關(guān)，是自始自終都有的.因此針對(duì)光子計(jì)數(shù)探測(cè)應(yīng)用的MCP必須采用一種無(wú)放射性同位素含量的低噪聲玻璃來(lái)制作.

通道電子倍增器對(duì)基體材料性能的最基本和必需要求是一個(gè)微弱的電導(dǎo)性和合適的二次發(fā)射特性，MCP的電子發(fā)射和電導(dǎo)特性很巧妙的來(lái)自于燒氫處理這一過(guò)程.MCP玻璃成份的PbO組分經(jīng)過(guò)表面還原形成金屬的鉛粒子，此為導(dǎo)電機(jī)理的基礎(chǔ)，同時(shí)堿金屬成份在MCP基體材料成份中的存在是MCP的增益的主要貢獻(xiàn)者.

常規(guī)MCP的玻璃中的堿金屬成份通常都包含一定含量的K或Rb，以Na和/或Cs和/或Li替換了原來(lái)玻璃中的K和/或Rb成份，可能會(huì)造成基體材料二次電子發(fā)射特性的變化，并且玻璃的成份變化還會(huì)帶來(lái)玻璃的一系列物化性能的改變，將對(duì)MCP的制作工藝帶來(lái)很大改變，所有的制作工藝都要隨玻璃的溫度粘度關(guān)系和化學(xué)穩(wěn)定性的改變而改變，隨之會(huì)對(duì)MCP的制作工藝和最終性能帶來(lái)根本性的變化.

因此，MCP成份的調(diào)整和改變是在受多方因素影響和制約下的尋求平衡的提高，在不能破壞這些制約框架下如何尋求突破.因此研制出一種無(wú)放射性同位素的低噪聲玻璃，在結(jié)合MCP的制作工藝和可接受的性能要求的同時(shí)，同時(shí)應(yīng)在電導(dǎo)性、二次發(fā)射特性、化學(xué)穩(wěn)定性，以及芯皮玻璃的粘度匹配上，進(jìn)行綜合平衡和互補(bǔ).通過(guò)對(duì)玻璃成份配比的研究，完成了無(wú)鉀銣成份的MCP玻璃成份的優(yōu)化設(shè)計(jì)、制備和物化性能研究，這種低噪聲MCP玻璃（玻璃牌號(hào)NGG）的實(shí)際配比成份如表1 所示.

表1 低噪聲MCP玻璃成份Table 1 Composition of low noise MCP glass

玻璃的制備采用的是2L鉑金坩堝，裝入原料后在中性氣氛下置于硅鉬棒電阻爐中，經(jīng)過(guò)玻璃網(wǎng)絡(luò)體形成、玻璃液澄清和均化過(guò)程，將玻璃液澆注到成型模具內(nèi)徐冷，使其固化成型為Φ125 ×200 mm的柱體.然后將玻璃柱毛坯放入一個(gè)帶成型模具的耐熱不銹鋼圓柱套筒中，然后裝入到玻璃管擠壓機(jī)的爐子中，緩慢升溫到玻璃的軟化溫度，并在這個(gè)溫度保持足夠時(shí)間使玻璃充分吸熱，然后通過(guò)油壓千斤頂施加壓力，從模具中擠壓而出的玻璃管，在一個(gè)牽引輪牽引下形成滿足特定尺寸規(guī)格要求的玻璃管.

MCP玻璃是由兩種玻璃制作而成，即含有堿金屬成份的鉛硅酸鹽玻璃皮料管和酸溶玻璃芯棒.這兩種不同組分的玻璃首先被制備成具有特定尺寸的玻璃管、玻璃棒，然后通過(guò)玻璃復(fù)絲纖維拉制過(guò)程，熔合纖維光學(xué)制作、酸蝕除芯處理和氫還原處理等，制作成MCP.與其相匹配的芯玻璃為X-7，兩者的溫度粘度曲線見(jiàn)圖1 所示.

圖1 低噪聲MCP玻璃及其芯玻璃的溫度粘度曲線Fig.1 Temperature-Viscosity Curves of Low Noise MCP Glass and Its Core Glass

2.2 低噪聲柱面MCP制備

傳統(tǒng)MCP制作方法通常起始于兩種玻璃，一種含有堿金屬成份的鉛硅酸鹽玻璃皮料管和一種酸溶玻璃芯棒，通過(guò)玻璃復(fù)絲纖維拉制過(guò)程、熔合纖維光學(xué)制作，酸蝕除芯方法和氫還原處理方法，制成低噪聲MCP.因此低噪聲MCP制作方法，與常規(guī)MCP的制作方法相比，其唯一的不同是就其皮玻璃是一種不含鉀銣組分的玻璃.

平面MCP樣品的制作過(guò)程包含有可腐蝕芯玻璃和堿鉛硅酸鹽皮玻璃的單絲復(fù)合纖維，通過(guò)一個(gè)芯皮玻璃的管棒組合拉制而成，起始的芯/皮組合的幾何尺寸決定最后的通道間距和通道壁厚.這些單絲纖維以六邊陣列排列，然后被拉制成六邊形復(fù)絲，這些復(fù)絲排列在一個(gè)金屬模具中經(jīng)熱壓熔合成屏段.然后這個(gè)屏段以一定角度斜切成一定厚度的薄片.然后經(jīng)滾圓、倒邊、研磨、拋光，制成MCP毛坯板.通過(guò)化學(xué)腐蝕除去可酸溶芯玻璃形成通道.進(jìn)一步的化學(xué)處理是一個(gè)高溫的氫還原過(guò)程，鉛離子在鉛硅酸鹽玻璃通道的淺表面層被還原成自由金屬原子，在MCP通道上形成一個(gè)薄的電導(dǎo)膜層，產(chǎn)生電子倍增器在其通道內(nèi)所需要的電導(dǎo)和電子發(fā)射表面特性.MCP制作工藝流程圖2所示.

圖2 MCP制作工藝流程圖Fig.2 Flow chart of MCP fabrication process

關(guān)于柱面MCP制備裝置的方面的研究在國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有公開(kāi)的報(bào)道，對(duì)于曲面MCP的制備方法，國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)僅提到光學(xué)加工及拋光方法，制備出的柱面MCP雖然有精確的曲率半徑，但由于MCP使用時(shí)有一個(gè)斜切角，導(dǎo)致所制備的柱面MCP表面有不同的長(zhǎng)徑比（MCP厚度與通道直徑的比值），而MCP的長(zhǎng)徑比決定MCP的增益，因此，用這種方法制備的柱面MCP的增益是不均勻的.為了克服這一缺點(diǎn)，本文提出了將光學(xué)加工拋光與熱成型相結(jié)合的制備方法，即首先將平面實(shí)芯MCP毛坯板用熱成型的方法加工成具有一定曲率半徑的柱面實(shí)芯MCP毛坯板，然后用光學(xué)拋光的方法將其加工成具有需要曲率半徑的柱面實(shí)芯MCP毛坯板，這是一種新的方法，國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)沒(méi)有報(bào)道過(guò)，此方法的優(yōu)點(diǎn)是制備的柱面實(shí)芯MCP既具有精確的曲率半徑又具有相同長(zhǎng)徑比.

本文根據(jù)圖1 低噪聲MCP玻璃及其芯玻璃的溫度粘度曲線，設(shè)計(jì)了一臺(tái)高真空高溫加熱爐，使用特殊的熱彎曲模具將平面實(shí)芯MCP毛坯玻璃在此爐內(nèi)加工成具有需要曲率半徑的實(shí)芯MCP毛坯玻璃，可以避免玻璃在高溫加熱過(guò)程中的氧化，因此避免了對(duì)成品柱面MCP性能的影響.圖3 是所制備的曲率半徑400 mm、尺寸30 mm×46 mm、長(zhǎng)徑比80：1、通道直徑12.5 μm、通道間距15 μm的柱面MCP成品的照片.

3 柱面MCP的性能檢測(cè)

圖3 柱面成品MCP照片F(xiàn)ig.3 Cylindrical finished MCP photo

將預(yù)處理過(guò)的三片柱面MCP組成Z型結(jié)構(gòu)，并與感應(yīng)電荷楔條形陽(yáng)極（WSA）一起構(gòu)成光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器，此時(shí)MCP堆工作在脈沖計(jì)數(shù)模式.采集的暗計(jì)數(shù)圖像，分析暗計(jì)數(shù)率的來(lái)源，測(cè)量暗計(jì)數(shù)的脈沖高度分布及暗計(jì)數(shù)率，測(cè)量探測(cè)器空間分辨率.圖4 給出了柱面MCP二維感應(yīng)電荷位置靈敏陽(yáng)極成像探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖.

圖4 柱面MCP探測(cè)器性能測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural schematic diagram of cylindrical MCPdetector performance test system

該系統(tǒng)主要包括能產(chǎn)生準(zhǔn)直紫外光束的光學(xué)系統(tǒng)、置于高真空系統(tǒng)內(nèi)的感應(yīng)電荷WSA位置靈敏陽(yáng)極單光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器及其后續(xù)的位置讀出電路三個(gè)部分.由于MCP對(duì)紫外光有響應(yīng)，所以紫外光源通常用作與工作波段無(wú)關(guān)的性能檢測(cè)的光源.以針孔陣列或USFA1951 分辨率板作為探測(cè)器成像性能檢測(cè)物體.一個(gè)輸出為負(fù)高壓的高壓電源通過(guò)分壓電阻為MCP堆和陽(yáng)極提供高壓.單光子在感應(yīng)電荷WSA陽(yáng)極產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷前置放大器變成電壓信號(hào)，這些信號(hào)有些是疊加在一起的，需要整形放大器將疊加在一起的脈沖分開(kāi)并進(jìn)一步放大.同時(shí)，將前置放大器輸出信號(hào)求和后送入一個(gè)快的整形放大器，然后經(jīng)過(guò)窗口比較器產(chǎn)生一個(gè)脈沖寬度為幾十納秒的TTL脈沖，此脈沖通過(guò)一個(gè)脈沖疊加拒絕電路去掉疊加的脈沖，不疊加的脈沖被用于產(chǎn)生控制FPGA的TTL脈沖，這樣來(lái)自W、S 和Z的信號(hào)同時(shí)經(jīng)過(guò)一個(gè)FPGA數(shù)據(jù)采集控制電路及USB接口送入計(jì)算機(jī)，再由軟件計(jì)算出（X，Y）坐標(biāo)，并將圖像顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上.整個(gè)電路的最高計(jì)數(shù)率可以達(dá)到200 kcps.

3.1 MCP堆脈沖高度分布（PHD）

對(duì)于位置靈敏陽(yáng)極探測(cè)器，其分辨率與MCP堆的增益成正比，對(duì)探測(cè)器的脈沖高度分布進(jìn)行測(cè)量是優(yōu)化探測(cè)器性能的關(guān)鍵.因?yàn)閺拿}沖高度分布曲線可以獲得如下信息：一是從不同高壓下的脈沖高度分布曲線可以獲得MCP堆在不同高壓下的增益，MCP堆的增益越高，探測(cè)器的分辨率越高；二是可以獲得脈沖高度分布曲線的FWHM，（PHD=W/G，G代表脈沖高度分布曲線的峰值，也是該高壓下MCP堆的增益，W是曲線的FWHM寬度），F(xiàn)WHM越小，探測(cè)器的整體計(jì)數(shù)率越高.通過(guò)優(yōu)化MCP像增強(qiáng)器的整體性能，可以獲得最小的FWHM及其對(duì)應(yīng)的MCP增益和加在其兩端的高壓數(shù)值.圖5 給出了在MCP堆兩端加不同高壓時(shí)，陽(yáng)極輸出的脈沖高度分布的變化情況.圖6 是在這些高壓下MCP堆增益與PHD的關(guān)系曲線.

3.2 暗計(jì)數(shù)

圖5 不同高壓下MCP堆的輸出脈沖高度分布Fig.5 PHD of MCP stack at Different High voltageapplied to MCP

圖6 不同高壓下的MCP堆增益（gain）及PHDFig.6 MCPstack gain and PHD at different high voltage applied to MCPstack

暗噪聲（又稱暗計(jì)數(shù)）是無(wú)任何光照條件下探測(cè)器正常工作時(shí)產(chǎn)生的計(jì)數(shù)率.MCP堆的暗噪聲主要來(lái)源于場(chǎng)發(fā)射、宇宙射線產(chǎn)生的暗計(jì)數(shù)及MCP中含有的40K放射性衰變產(chǎn)生的暗計(jì)數(shù).因β射線引起的暗計(jì)數(shù)是MCP暗噪聲的主要來(lái)源，因此，減少暗噪聲的最有效方法是使用不含有40K的MCP.所制備的低噪聲玻璃不含鉀元素，其成分為65% SiO2、20.5%（PbO+Bi2O3）、3%（Na2O+Cs2O）和11.5%（TiO2+Gd2O3+BaO+Al2O3，因此，去除了因β 射線引起的暗計(jì)數(shù)，有效降低了MCP的暗噪聲.圖7 是采集的暗噪聲圖像，通過(guò)設(shè)定采集的光子數(shù)，并測(cè)量圖像的采集時(shí)間，獲得的暗計(jì)數(shù)率小于0.1 counts/（s·cm2），如圖8所示.加在MCP堆兩端的電壓為-3450 V，MCP出射面與感應(yīng)電荷WSA陽(yáng)極之間的電壓為-300 V，對(duì)應(yīng)MCP堆增益約為2.5×107電子.

3.3 空間分辨率

圖7 柱面MCP暗噪聲圖像Fig.7 20 Cylindrical MCP dark noise image

圖8 暗噪聲隨時(shí)間變化曲線（采集時(shí)間23天）Fig.8 Dark noise time-varying curve（acquisition time 23 days）

探測(cè)器的空間分辨率是衡量其性能的重要指標(biāo).測(cè)量方法是使用紫外準(zhǔn)直光束照明放置在探測(cè)器前面零距離處的USAF1951 空間分辨率板，分辨率板上的每一組線寬對(duì)應(yīng)不同的線對(duì)，探測(cè)器所能分辨的最窄線對(duì)就是它的空間分辨率，如圖9 所示，右測(cè)圖是局部放大圖像，從局部放大圖像可知探測(cè)器能分辨7.13 線對(duì)/毫米（能分辨出分辨率板上第2 組第6 個(gè)單元），對(duì)應(yīng)的空間分辨率為0.14 mm，像元分辨率為70 μm.加在MCP堆兩端的電壓為-3350 V，MCP出射面與感應(yīng)電荷WSA陽(yáng)極之間的電壓為-300 V，對(duì)應(yīng)MCP堆增益約為1.86 ×107電子.

圖9 柱面MCP探測(cè)器美國(guó)分辨率板圖像Fig.9 Cylindrical MCP Detector US Resolution target Image

4 結(jié)論

針對(duì)未來(lái)空間應(yīng)用超分辨率光譜成像儀器的需求，與北方夜視南京分公司合作研制出的低噪聲柱面微通道板，利用不含放射性元素的低噪聲MCP玻璃，制備出曲率半徑為400 mm、尺寸為30 mm×46 mm、長(zhǎng)徑比為80：1、通道直徑12.5 μm、通道間距15 μm的柱面MCP，并將其與感應(yīng)電荷楔條形陽(yáng)極（WSA）組成光子計(jì)數(shù)探測(cè)器，對(duì)其暗計(jì)數(shù)率、分辨率進(jìn)行了檢測(cè)，暗計(jì)數(shù)率約為0.1counts/（cm2·s），空間分辨率7.13 線對(duì)/毫米.