提高微通道板工作稳定性方法的研究.docx

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提高微通道板工作稳定性方法的研究

编号

本科毕业论文

提高微通道板工作稳定性方法的研究

Technologicalmethodstoimprovetheoperating

stabilityformicro-channelplate

学生:

蔡嘉喆

专业/班级：

电子科学与技术/0301312

********

学院:

理学院

2007年6月

摘要

微通道板（MCP）是一种需要在真空下工作的电子倍增器件。

MCP可以探测荷电粒子、电子、X射线和UV光子。

在实际应用中，为了保证其真空性能和工作的稳定性，在装入像管以前都要对MCP进行真空处理，以去除通道及表面所吸附的气体。

本文首先介绍了微光夜视技术和MCP的发展情况；阐述了MCP的工作原理和制作工艺；给出了MCP真空高温烘烤和性能测试装置；并对带有Al2O3防离子反馈膜的MCP进行了真空烘烤，分别测量了烘烤前后MCP电性能的变化情况，给出了实验结果；简单叙述了二代近贴微光管MCP电子清刷技术的研究结果；同时对烘烤和电子清刷后MCP及防离子反馈膜的性能变化进行了分析和讨论。

关键词：

微通道板真空高温烘烤电子清刷性能测试

ABSTRACT

Micro-channelplate（MCP）isavacuumelectronmultiplierthatuseinvacuum.MCPmaydetecttheelectricallychargedgranule,theelectron,XbeamandtheUVphoton.Inpracticalapplication,inordertoguaranteeitsvacuumperformanceandtheworkstability,MCPwasloadingtheregisteredtubebeforeallhadtocarryonthevacuumtreated,toremovethegaswhichthechannelandthesurfaceadsorption.

ThisarticlefirstintroducedtheglimmernightvisiontechnologyandtheMCPdevelopmentsituation;ElaboratedtheMCPprincipleofworkandthemanufacturecraft;HasgiventheMCPvacuumhightemperaturebakingandtheperformancetestingdevice;ThevacuumbakingismadetoMCPwithAl2O3ionbarrierfilm,andmeasuretheperformanceofMCPfrontandrearbake,theexperimentalresulthasgiven;TheresearchedresultsoftheelectroncleaningtechniqueforGen-2proximitytubeMCParegiven.TheeffectoftheresidualgasfromMCPonthephotoemissionofphotocathodeisdiscussed.TheperformancechangeofMCPandAl2O3filmafterbakingandelectroncleaningisanalysisanddiscussion.

Keywords:

Micro-channelplateVacuumhightemperaturebaking

ElectroncleaningPerformancetesting

摘要

ABSTRACT

第一章绪论……………………………………………………………………1

1.1微光夜视技术……………………………………………………………………1

1.2微通道板的发展与应用…………………………………………………………3

1.3本论文研究的主要内容及意义…………………………………………………4

第二章微通道板的工作原理及制作工艺…………………………………………5

2.1微通道板电子倍增的基本原理…………………………………………………5

2.2微通道板的性能参数……………………………………………………………6

2.3微通道板的制作工艺……………………………………………………………9

第三章真空高温烘烤及其对MCP性能的影响…………………………………11

3.1MCP的真空高温烘烤与测试…………………………………………………11

3.2真空高温烘烤对MCP性能的影响……………………………………………12

3.3真空高温烘烤对离子壁垒膜的影响…………………………………………12

第四章电子清刷及其对MCP性能的影响………………………………………14

4.1MCP的电子清刷实验…………………………………………………………14

4.2电子清刷对微通道板性能的影响……………………………………………15

4.3影响MCP工作性能的机理分析………………………………………………17

结论………………………………………………………………………………19

致谢………………………………………………………………………………20

参考文献……………………………………………………………………………21

第一章绪论

1.1微光夜视技术

1.1.1微光夜视技术及其应用

微光夜视技术是研究在夜间或低照度下，光学图像的产生、转换、增强、传输、贮存、处理的专门技术。

它是最近几十年在物理学、电子学、电子光学、生理光学、工程光学、纤维光学、真空技术、半导体技术、计算机技术基础上发展起来的边缘学科，集光学—机械—电子—计算机等高科技为一体的综合性技术。

它是六十年代以来，光学领域中新兴的激光技术、纤维光学技术、微光夜视技术三大高技术之一。

人体视觉系统的基本特性有一定的局限性和缺陷。

它只能探测到一定亮度的光（10～100000 勒可斯），只能分辨一定空间频率的图像，只能接收可见光谱（360～760纳米）内的光信息。

在没有足够强度的人工照明或自然照明条件下，人眼看不见或看不清可见光图像。

光信息技术是容量最大、频率最高、速度最快、最直观的一种信息。

通过人眼和视觉系统获得的信息量远大于通过听觉系统、嗅觉系统等其他感觉系统的总和，约占人类感觉系统能得到信息量的80%。

人类眼睛这些局限性和缺陷在很大程度上限制了人类活动的时间、空间范围，以及认识世界，改造世界的能力。

当代的信息社会迫切需要改善、扩展、延伸人眼的功能，特别是在低照度的条件下获得信息的能力。

从而促进了微光夜视技术的发展和产业化[1]。

夜视技术的根本任务是研究、制造和望远镜、显微镜类似的人眼的助视器，并在以下三个方面扩大人眼的功能，即提高人眼对微弱光能量的探测能力（减小亮度阈值），提高人眼对微弱光信息空间分布的分辨能力（提高人眼对微弱光信息空间频率的分辨能力），扩展人眼对光谱波段的探测范围（能接受可见光以外的紫外、近红外波段的光信息）。

总而言之，微光夜视技术能使人类在夜间或黑暗的条件下，像白昼一样看得见、看得清，能得到足够的光信息，将看不清或看不见的图像增强或转换成人眼看得见的图像。

该技术增加了人类活动的时间、空间范围和获取信息和图像的能力，既在没有人工照明的条件下，把人类活动的时间从白天延伸到夜间，从明亮的环境扩展到黑夜的场合。

简而言之，夜视技术就是制造人眼的助视器的技术。

    夜视技术在军事、工业、农业、科学研究、医药卫生等领域有着广泛的应用，特别是在军事方面的需求是夜视技术发展的动力，现代战争要求全天候作战，以增加战争的突发性和作战的时空范围。

需要依靠夜视技术，在夜间或微弱照度条件下对整个战场进行全天候观察和监视。

此外，公安、武警、海关等部门在夜间巡逻、侦破、取证、执法、保安缉私、辑毒、扫黄行动中，在银行、金库、文物、重要物资和仓库的夜间监控、保卫工作中、在与犯罪分子作斗争、反间谍保卫国家安全工作中，夜视技术都是最重要的手段之一，在工业领域中，凡需要在黑暗的地方工作时，如感光化学工业、海底资源勘察、海上石油钻井平台的水下部分监视，远洋捕鱼等，夜视技术都是最重要的工具。

在医药卫生领域，如X光图像的摄取、增强、处理，癌症的普查如早期诊断，在科学研究方面，如卫星遥感、遥测，天文星系、弱星的夜间观测、记录，植物夜间的生长规律研究，以及夜行动物的生活习性研究，夜视技术更是必不可缺的[2]。

1.1.2微光夜视技术的发展现状

微光夜视技术从20世纪60年代开始迅速发展，现在已发展至第四代。

像增强管是微光夜视仪的核心部件，由光电阴极、电子光学系统、微通道板和荧光屏组成。

光电阴极将微弱的光辐射图像转换成电子图像，电子光学系统和微通道板用来增强电子图像，最后在荧光屏上又将电子图像转换成可见光图像。

图1.1第一代级联像增强器示意图

上世纪60年代推出的第一代像管是采用光纤耦合器，将3只相同的像增强管耦合起来的级联式像增强管，如图1.1所示。

70年代的第二代是采用微通道板

图1.2第二代像增强器示意图

（MCP）式像增强管，这种倍增器的1个像管的总增益就相当于1个三级级联管

的水平，如图1.2所示。

80年代推出的第三代管与第二代管的主要区别是采用了光灵敏度更高的光电阴极，使观察距离提高1.5倍以上。

三代管中还使用了离子壁垒膜来阻挡由电子撞击微通道板所产生的散逸气体，因为这种气体会转变成正离子，可能破坏光电阴极表面并降低像管的寿命。

90年代末美国研制出的四代像管则去除了离子壁垒膜，构成所谓的“无膜”像管设计，提高了像管的分辨率却不降低寿命。

四代像管中还采用了自动选通电源技术，通过控制光电阴极的电压开关速度来改进强光或亮光环境中的视觉效果[3]。

1.2微通道板的发展与应用

1.2.1微通道板

微通道板是于20世纪60年代末开发成功的一种简单紧凑的电子倍增器件,可以探测荷电粒子、电子、X射线和UV光子，具有低功耗、自饱和、高速探测和低噪声等优点，并以多种形式应用于各类探测器中。

微通道板的形状如一聚集了上百万个细微的平行空心玻璃管的薄圆片，每一空心管通道的作用犹如一个连续打拿极的电子倍增器，薄片两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以便施加电压，图1.3为微通道板的结构示意图。

图1.3微通道板结构示意图

微通道板必须工作于真空环境中，因其工作机理是利用通道内表层产生二次电子，在薄片两面加上电压。

当电子或其它粒子以一定能量撞击低电势输入面的通道内壁时产生二次电子，二次电子在场强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”。

1.2.2微通道板的发展

早在1960年，美国和英国同时研制出单通道电子倍增器。

70年代初国外MCP就问世了，我国于80年代MCP开始问世并得到惊人的发展。

自MCP发明以来相继出现了：

长寿命微通道板（L²MCP）；弯曲通道微通道板（C²MCP）；高输出技术微通道板（HOT-MCP）和超小孔径微通道板（USP-MCP）。

但由其材料和工艺技术某些局限性，存在着许多固有因素的限制，给提高性能和扩大应用带来困难。

90年代初期美国伽利略电子—光学公司J.R.Horton等人提出用半导体微细加工技术制造MCP的新技术途径并称此工艺MCP为先进技术微通道板（AT-MCP）。

90年代后期美国Nanosciences公司采用P型硅基体，用电化学和半导体工艺制作出高长径比微孔列阵和完成MCP形成工艺，因而又称此为硅微通道板（Si-MCP）。

现在美国正在研究性能更加优良的体导电玻璃微通道板。

我国于70年代初开始MCP的研制工作。

目前采用RLSG技术生产的Ⅲ代MCP已在军事上批量使用，其它领域也有重要应用。

今后随着制作工艺的大大改善和AT-MCP与Si-MCP等全新工艺的问世，在以MCP为核心的成像、遥感、跟踪、显示器件和光计算机可编址列阵的性能方面，尤其是在军事应用方面，提高了相应系统的战术性能，无疑对军用光电技术的发展起到惊人的推动[4]。

1.2.3微通道板的应用

MCP除了在光电子图像增强器的发展中具有里程碑作用外，还被广泛应用在像管、高速光电倍增管、阴极射线管、摄像管、存贮管以及电子、离子、X射线和紫外线探测器等领域。

在微光夜视技术领域中，MCP是二代微光管和三代微光管中的重要功能部件，它既执行二维电子图像倍增103～104倍的任务，又能以它的过电流饱和输出特性抑制一代微光技术难以克服的对强光目标的晕光（或过荷开花）问题，加上MCP重量轻、体积小、响应快、工作可靠、操作方便，使它在微光夜视技术由第一代微光管向第二代、第三代微光管发展过程中发挥了重要作用。

在三代微光近贴管中装入了高增益、低噪声、带Al203离子壁垒膜的MCP，这样原则上根除了离子反馈，延长了器件的使用寿命，减少了器件的暗噪声。

由于MCP在微光夜视技术领域中的应用，使得微光夜视技术的发展进入了新的跨越式的发展阶段。

相信MCP将在未来微光夜视技术领域中发挥更大作用。

1.3本论文研究的主要内容及意义

众所周知，MCP作为真空光电器件的电子倍增级，其真空性能必须有充分的保障，否则将造成器件的损伤甚至永久性毁坏。

MCP是由无数根微细玻璃管排列而成，如以25mm的普通型MCP为例，其内孔展开面积约为1×104mm2之多。

对于一个体积很小的近贴式光电器件来说，这是一个十分庞大的废气源，而且这种微孔在真空中流阻很大，对吸附气体的抽除不利。

当器件处于工作状态时，这些微孔作为电子通道，不断受到电子的轰击，如果内壁预除气不彻底，残余气体分子放出来，在电场的作用下将形成离子反馈。

即使用了新型的MCP，由于除气不彻底，将会有很多的气体存在，同样会影响器件的性能。

因此，如何对MCP进行彻底除气，提高其工作稳定性是一个值得研究的问题。

本文就微通道板除气方法中的真空高温烘烤进行系统研究，特别是真空高温烘烤对MCP防离子反馈膜及MCP本身的影响，给出实验结果。

同时还就MCP电子冲刷等真空处理工艺及其对MCP的影响进行研究。

第二章微通道板的工作原理及制作工艺

2.1微通道板电子倍增的基本原理

微通道板是一种大面阵通道电子倍增器，是对二维空间分布的电子流进行倍增的元件。

它由高二次电子发射系数的含铅玻璃制成。

每一个微通道空芯管相当于一个微型连续打拿极光电倍增管。

以一定角度入射的电子打到这种微通道内壁上时，经过多次二次电子倍增，可获得很高的电子数倍增输出。

MCP是一块被加工成薄片（0.4至几个毫米厚）的空芯玻璃纤维二维阵列，每个空芯管的内径6～50μm，MCP的长径比40/1～80/1，薄片端面法线相对与微通道轴心线之“斜切角”或“偏置角”为5°～10°。

通道内壁被一层电阻性二次电子发射膜所覆盖。

MCP两端加有一直流工作电压，并在其内壁电阻性薄膜连续分压下，建立起由低到高的电子加速电场。

图2.1形象地表明了MCP的一个单通道内的电子倍增过程。

图2.1通道电子倍增示意图

工作中微通道的入口端对着像管的光电阻极，并位于电子光学系统的像面上，出口端对着荧光屏。

微通道的两个端面电极上施加工作电压形成电场，当高速电子进入通道与内壁碰撞时，由于通道内壁具有良好的二次电子倍增性质，则产生倍增的二次电子。

这些二次电子在通道内电场的加速下再次碰撞通道内壁。

重复这一过程直至从通道出口射出为止。

如果通道内壁的高二次发射特性（二次发射系数δ>>1），使一个输入电子轰击内壁后产生δ个二次电子，这些二次电子沿各自抛物线轨迹再轰击对面的内壁，产生更多的二次电子，如果这种轰击倍增次数有n级，则在输出端可得到δn个电子，从而实现了电子倍增作用[5]。

二次发射系数δ的表达式为：

（2.1）

式（2.1）是二次发射系数的普适函数式。

其中，ns和np为二次和一次电子数。

Vm（θ）是入射角为θ的初始电子产生最大二次发射系数δm（θ）时的加速电位值。

这一普适函数表明：

二次发射系数取决于材料性质和表面状况参数α。

同时也取决于δm（0）和Vm（θ），它们分别表示初始电子垂直入射时的最大二次发射系数和加速电位值。

式中β是函数逼近实验曲线的特定值。

当cos（θ）→0和V＝Vm时，δ取最大值，即入射角取掠射角。

MCP的各通道彼此隔离，因此它可以将二维空间分布的电子流对应地增强，MCP就是利用二次电子倍增性质来完成电子图像增强的目的。

2.2微通道板的性能参数

由于MCP的特殊结构和工作原理，使它与传统的单管分离式打拿极光电倍增管相比，具有特殊的优点。

MCP的主要技术特色有：

1、电子增益

MCP的电流增益是微通道板的重要参数之一，它与微通道板的结构和工作条件有密切关系，其定义为输入电流与输出电流的比值。

即

（2.2）

式中，Gm是MCP的电流增益，I出、I入分别为MCP之输出和输入电子电流。

从MCP的工作原理中，我们可以看出MCP具有很高的电流增益。

如果取每次碰撞的二次倍增系数δ=2，累计的碰撞次数为10次时，则通道的总电子倍增值G=210=103。

单块、两块和3块MCP级联后的电子增益可分别达到103、105和107倍。

因而可用于极微弱光或辐射的探测技术中。

图2.2为MCP的增益特性曲线。

由图可见：

增益随工作电压的增加成指数增加，当电压增加到某值后，增益开始饱和。

在某一电压下，增益与输入电流密度无关；但在大于此电压时，则增益随输入电流的增大而减小。

其典型电流增益值为104。

图2.2MCP通用增益曲线

2、分辨率

MCP是大面积多像素电子倍增器件，像素以百万计，因而它自然具备了对电子及其它粒子二维密度分布进行高鉴别率倍增成像的功能。

MCP的这一特性已广泛应用于二代、三代微光像增强器和微光图像光子计数器中。

3、响应特性

当一个电流脉冲激发MCP时，与释放出的电子流对等的正电荷就保留在MCP的输出端，它对后续的输入电子的倍增有抑制作用，直到被带电流中和才恢复正常。

由于通道电阻很高，需要数毫秒的恢复时间，即不响应或停滞时间，以Td表示，故有

（2.3）

MCP不仅对电子，而且对离子、X线、紫外线以及高能α、β、γ射线都有一定的响应度，因此，原则上讲，MCP可以做成对这些粒子敏感的探测器。

4、长寿命及自饱和效应

MCP随着输入电流的增大，增益饱和现象可在较低的工作电压下出现。

通常，当输出电流是窄带电流的（5～10）%时，便发生饱和，图2.3是典型的电流转换特性。

图2.3微通道板的电流转换特性

MCP的物理机制决定了它具有过电流自饱和特性。

这一特性可以抑制强光输入时输出图像的过荷开花或晕光现象，此项性能具有重要意义。

5、MCP器件体积小、重量轻和时间响应快

MCP的结构决定了MCP体积小、重量轻的特点，从而使微光夜视装备实现小型化、便携式成为可能和现实。

因此，MCP在微光夜视技术领域发展中具有里程碑作用。

6、暗电流特性

无信号输入时，MCP的直流输出称为暗电流，并用Id（A/cm2）表示。

Id主要由通道壁的热电子发射、场发射及残余气体电离等引起，因而随工作电压的升高、温度的升高和通道直径的减小而增加，其典型值为10-13～5×10-12A/cm2。

通常把暗电流与增益的比值定义为等效输入暗电流（EEI），即EEI=Id/G，（2.4）

EEI的典型值为10-16～10-17A/cm2。

图3.5给出了增益、暗电流、等效输入暗电流和电压的关系。

在额定电压下，无输入信号时MCP的输出电流密度jd与其电流增益GM之比，即为该MCP的背景等效电子输入电流密度，即

（2.5）

图2.4暗电流特性

7、增益的均匀性

增益均匀性主要取决于通道孔径的偏差，通常将通道孔径偏差Δd/d控制在

1%以内。

增益均匀性还与所选取的工作电压有关，由增益表达式可得到如下关系

（2.6）

当α

0时，便可得到最佳工作状态的长径比

（2.7）

此式与通用增益曲线基本一致。

9、噪声特性

MCP的噪声是由MCP的开口面积比、入射的初始电子不产生次级发射以及次级发射的统计涨落等引起的，通常用噪声因子F来表示，用于衡量信息量的损耗程度。

F的表达式为

（2.8）

式中D为开口面积比；δ1为首次碰撞的次级发射系数；m为分布的平均值；σ为分布的方差；b为分布形状参数。

由上式可知，增大MCP的输入端的开口面积比，提高首次碰撞的次级发射系数，均可降低噪声[6]。

2.3微通道板的制作工艺

现在被广泛应用的微通道板，都是普通还原铅硅酸盐玻MCP（RLSG—MCP）。

制造RLSG—MCP的通用方法是建立在纤维光学工业玻璃加工技术基础上的。

制作MCP的工艺过程为：

1、玻璃材料：

制造微通道板用玻璃材料有皮料和芯料两种。

通常使用8161玻璃作皮料，8016等作芯料。

2、光学加工：

芯料棒长300—500毫米，都要进行磨抛，都用内圆切片机切片，胶盘磨抛。

3、拉丝：

拉丝机高4—6米，结构有立柱式框架式两种，光纤面板、微通道板复合丝捧，都是用细纤维软线捆扎，均未采用熔合工艺。

4、熔压：

微通道板全部是采用真空气压法，即将复合丝排入已成形的六边形玻璃管内，在专用炉中加热至高温，同时抽气使形成大的压力差进行熔压。

5、酸腐蚀：

一般都用玻璃杯配磁力搅拌器进行。

6、氢还原：

用高温扩散炉通入H2气还原。

7、蒸镀电极：

镀膜机为全油或半无油系统，电阻丝加热蒸发。

8、输入面制作离子阻挡膜（三代MCP）

现行RLSG—MCP制造技术的几种固有因素妨碍了它的性能的进一步提高和新应用领域的开拓。

这些因素为：

1、纤维直径的变化使各通道的直径有差异，因此，导致各通道的增益不均匀；

2、通道阵列难以实现严格的规律排列；

3、阵列尺寸受到限制，难以做得更大；

4、实现细通道并且保持致密坚实的通道间壁是困难的，因而限制了空间和时间分辨率的提高[7]。

为解决RLSG—MCP存在的上述问题。

满足现代科技发展对MCP提出的更高要求。

近几年来发展了几种新的MCP制造技术。

如AT—MCP、叠层MCP、光敏玻璃基MCP以及微电铸MCP等制造技术。

特别是AT—MCP运用现代制造半导体和光电子器件的工艺技术来制造MCP。

这种制造技术包括两个关键技术领域：

1、在硅片上用光刻方法确定阵列的通道尺寸、形状和位置，然后以各向异性干腐蚀方法腐蚀出穿透基片薄板的通道；

2、沿着通道内表面沉积或生长薄膜，实现通道激活。

第三章真空高温烘烤及其对MCP性能的影响

3.1MCP的真空高温烘烤与测试

MCP作为真空光电器件的电子倍增级，其真空性能必须有充分的保障，否则将造成器件的损伤甚至永久性毁坏。

众所周知，MCP是由无数根微细玻璃管排列而成，如以Φ25mm的普通MCP为例，其内孔展开面积约为1

104mm2之多。

对于一个体积很小的近贴式光电器件而言，这是一个十分庞大的废气源。

而且这种微孔在真空中流阻很大，对吸附气体的抽除不利。

当器件处于工作状态时，这些微孔作为电子通道，不断受到电子的轰击。

如果内壁预