用于陣列探測器的多陽極光電倍增管特性研究1光電倍增管的基本特性1） 靈敏度和工作光譜區(qū)光電倍增管的靈敏度和工作光譜區(qū)主要取決于光電倍增管陰極和打拿極的光電發(fā)射材料。當入射到陰極表面的光子能量足以使電子脫離該表面時才發(fā)生電子的光電發(fā)射，即l/2mv2=h?-g,（h?為光子能量，?為電子的表面功函數，1/2mv2為電子動能）。當h?vg時，不會有表面光電發(fā)射，而當h?=e時，才有可能發(fā)生光電發(fā)射，這時所對應的光的波長A=C/?稱為這種材料表面的閾波長。隨著入射光子波長的減小，產生光電子發(fā)射的效率將增大，但光電倍增管窗材料對光的吸收也隨之增大。顯然，光電倍增管的短波響應的極限主要取決于窗材料，而長波響應的極限主要取決于陰極和打拿極材料的性能。一般用于可見-紅外光譜區(qū)的光電倍增管用玻璃窗，而用于紫外光譜區(qū)的用石英窗。光陰極一般選用表面功函數低的堿金屬材料，如紅外譜區(qū)選用銀-氧-銫陰極，可見光譜區(qū)用銻-銫陰極或鉍-銀-氧-銫陰極，而紫外譜區(qū)則采用多堿光電陰極或梯-碲陰極。光電倍增管的靈敏度S是指在11m的光通量照射下所輸出的光電流強度，即S=i/F，單位為卩A/lm。顯然，靈敏度隨入射光的波長而變化，這種靈敏度稱為光譜靈敏度,而描述光譜靈敏度隨波長而變化的曲線稱為光譜響應曲線（見右圖），由此可確定光電倍增管的工作光譜區(qū)和最靈敏波長。例如我們常用的R427光電倍增管，其曲線偏碼為250S,光譜響應范圍為160-320nm，峰值波長200nm,光陰極材料Cs-Te,窗口材料為熔煉石英，典型電流放大率3.3X106。2） 暗電流與線性響應范圍光電倍增管在全暗條件下工作時，陽極所收集到的電流稱為暗電流。對某種波長的入射光，光電倍增管輸出的光電流為：i=KIi+i0，式中，Ii對應于產生光電流i的入射光強度，k為比例系數，i0為暗電流。由此可見，在一定的范圍內，光電流與入射光強度呈線性關系，即為光電倍增管的線性響應范圍。當入射光強度過大時，輸出的光電流隨光強的增大而趨向于飽和（見右圖）。線性響應范圍的大小與光陰極的材料有關。暗電流的來源主要是由于極間的歐姆漏阻、陰極或其他部件的熱電子發(fā)射以及殘余氣體的離子發(fā)射、場致發(fā)射和玻璃閃爍等引起。當光電倍增管在很低電壓下工作時，玻璃芯柱和管座絕緣不良引起的歐姆漏阻是暗電流的主要成分，暗電流隨工作電壓的升高成正比增加；當工作電壓較高時，暗電流主要來源于熱電子發(fā)射，由于光電陰極和倍增極材料的電子溢出功很低，甚至在室溫也可能有熱電子發(fā)射這種熱電子發(fā)射隨電壓升高暗電流成指數倍增；當工作電壓較高時，光電倍增管內的殘余氣體可被光電離，產生帶正電荷的分子離子，當與陰極或打拿極碰撞時可產生二次電子，引起很大的輸出噪聲脈沖，另外高壓時在強電場作用下也可產生場致發(fā)射電子引起噪聲，另外當電子偏離正常軌跡打到玻殼上會出現閃爍現象引起暗電流脈沖，這一些暗電流均隨工作電壓升高而急劇增加，使光電倍增管工作不穩(wěn)定，因此為了減少暗電流，對光電倍增管的最高工作電壓均加以限制。3） 噪聲和信噪比在入射光強度不變的情況下，暗電流和信號電流兩者的統計起伏叫做噪聲。這是由光子和電子的量子性質而帶來的統計起伏以及負載電阻在光電流經過時其電子的熱騷動引起的輸出光電流強度與噪聲電流強度之比值，稱為信噪比。顯然，降低噪聲，提高信噪比，將能檢測到更微弱的入射光強度，從而大大有利于降低相應元素的檢出限。4） 工作電壓和工作溫度光電倍增管的工作電壓對光電流的強度有很大的影響，尤其是光陰極與第一打拿極間的電壓差對增益（放大倍數）、噪聲的影響更大。因此，要求電壓的波動不得超過0.05%，應采用高性能的穩(wěn)壓電源供電，但工作電壓不許超過最大值（一般為900v-1000v）,否則會引起自發(fā)放電而損壞管子，工作環(huán)境要求恒溫和低溫，以減小噪聲。5） 疲勞和老化在入射光強度過大或照射時間過長時，光電倍增管會出現光電流衰減、靈敏度驟降的疲勞現象，這是由于過大的光電流使電極升溫而使光電發(fā)射材料蒸發(fā)過多所引起。在停歇一段時間后還可全部或部分得到恢復。光電倍增管由于疲勞效應而靈敏度逐步下降，稱為老化，最后不能工作而損壞。過強的入射光會加速光電倍增管的老化損壞，因此，不能在工作狀態(tài)下（光電倍增管加上高壓時）打開光電直讀光譜儀的外罩，在日光照射下，光電倍增管很快便損壞。光電檢測的原理一般是通過光電接受元件將待測譜線的光強轉換為光電流，而光電流由積分電容累積，其電壓與入射光的光強成正比，測量積分電容器上的電壓，便獲得相應的譜線強度的信息。不同的儀器其檢測裝置具有不同的類型，但其測量原理是一樣的。其光電檢測系統主要有以下四個部分組成：1.光電轉換裝置，2.積分放大電路及其開關邏輯檢測，3.A/D轉換電路，4.計算機系統。的研制戴麗英李慧蕊黃敏徐華盛摘要：詳細報道了新研制的紫外多陽極微通道陣列光電倍增管。該器件采用了疊合式陣列陽極(128X128)、端窗式“日盲”紫外光電陰極(碲銣RbTe)、高增益的Z型微通道板組件、近貼聚焦結構等先進技術。器件的主要性能參數為：陰極發(fā)射靈敏度18mA/W,增益2X106,暗電流0.5nA,時間響應0.3ns,單光子計數率2X105st。關鍵詞：光電倍增管陣列陽極微通道板紫外陰極DevelopmentofUltravioletMulti-anode(128x128)Microchannel

ArraysPhotomultiplierTubeDaiLiying,LiHuirui,HuangMin,XuHuasheng

(NanjingElectronicDevicesInstitute,Nanjing,210016)Abstract：Theultravioletmulti-anodemicrochannelarray(MAMA)photomultiplierhasbeensuccessfullydeveloped.Variousadvancedtechnologies,includingananodearraywith128x128pixels,head-on“solarblind”ultravioletphotocathodemadeofRbTefilm,Z-typemicrochannelplatesandtheproximityfocusingtechnique,wereemployedintheMAMAdevice.Majorspecificationsofthedeviceareasfollows:cathoderadiantsensitivityis18mA/W;currentgainis2x106;darkcurrentis0.5nA;pulserisetimeis0.3ns;singlephotoncountingrateis2x105s-1.Keywords：Photomultipliertube,Arrayanode,Microchannelplate,Ultravioletphotocathode▲紫外微通道板光電倍增管是一種微弱紫外信號探測器件,它可廣泛應用于高能物理研究、空間探測、激光雷達、光子計數、電子對抗等領域。在軍事上,它主要用于紫外線制導、報警、干擾及通訊等。目前,它在軍事上的應用意義更為重大。由于軍用飛機和火箭排放的尾煙中含有200?320nm范圍的紫外光，因此可利用對此波段靈敏的探測器來進行空中目標的探測或制導。據報道,在1991年的海灣戰(zhàn)爭中,投入戰(zhàn)斗的美國軍用飛機已裝備了由新型光電倍增管制成的紫外線報警器［1］。普通微通道板光電倍增管一般為單一陽極結構,僅能進行定向信號的探測。為了能更精確并快速地定位或捕獲空中目標,則需要具有成像功能的多陽極微通道陣列光電倍增管(即多陽極微通道陣列器件,multi-anodemicrochannelarray,簡稱MAMA器件)。早期的MAMA器件采用的是分立式、電阻耦合式等類型的陽極［2］。信號輸出為一對一方式,即信號輸出電極數與像素數相同,這嚴重限制了像素密度的提高。為了獲得高分辨率的MAMA器件，出現了疊合式陣列陽極結構⑶。疊合式陣列陽極由于采用了特殊的電極編碼技術,使得信號輸出電極數量顯著減少，比如，對像素為1024X1024的陣列陽極，它的輸出電極僅為128個。因此疊合式陣列陽極技術使得高分辨率MAMA器件成為可能。80年代后期國外就已研制出了具有疊合式陣列陽極的微通道板光電倍增管，像素數達到1024X1024，像素尺寸最小為14pmX14pm。多種MAMA探測器，女如日盲紫外光譜測試儀、哥達德空間飛行中心的成像光譜儀(STIS)等已安裝在探空火箭上⑷，進行星際圖像等天體物理方面的測量研究工作，并投入軍事應用。國內90年代初才涉足微通道板光電倍增管的研制，近年開始了MAMA器件的研制。分立式多陽極微通道板光電倍增管的工作已有報道［5］，但疊合式陣列陽極MAMA器件的研制尚屬首次。本文報道的MAMA器件采用了128X128陣列陽極、52個編碼電極引出、PLCC接口輸出、端窗式“日盲”紫外光電陰極、高增益的Z型微通道板組件，并且光電陰極、微通道板組件、陣列陽極之間呈近貼聚焦結構。所有這些新技術的采用，使得該器件具有體積小、探測靈敏度高、增益高、暗電流小、時間響應快空間分辨能力高、單光子計數能力強、抗磁場干擾能力強等優(yōu)點。器件結構和工作原理如圖1所示，多陽極微通道陣列光電倍增管主要有輸入光窗、光電陰極、微通道板組件、陣列陽極及編碼電極組成。1SDV24間V圖1多陽極微通道陣列光電倍增管工作示意圖Fig.1Schematicsofmulti-anodemicrochannelarray

photomultipliertubeconfiguration光信號透過輸入光窗入射至光電陰極表面，產生大量的光電子，這些光電子經微通道板組件(Z-MCP)倍增形成電子云，由陣列陽極收集，通過X方向、Y方向的二維編碼電極將獲取的信號輸出。輸入光窗材料為石英玻璃，圖2給出了幾種材料的透射比曲線。從圖2可知，許多材料都具有透紫外能力，但石英玻璃在200?320nm范圍內具有高且均勻的透射比。另外輸入光窗的材料決定了光電陰極的截止波長。

mm.Mpphtnr]nint?G0quirts1惟mm.Mpphtnr]nint?G0quirts1惟產iJlBELwi岀凸iFWhmining曲帑1mm"圖2幾種材料的透射比曲線Fig.2spectraltransmissionofseveralwindowmaterials光電陰極材料為碲銣薄膜。光電陰極的長波閾值特性由光電陰極材料及其表面性質決定。許多材料都具有較高的紫外光靈敏度，可僅對紫外光靈敏而對太陽輻射(入＞320nm)沒有反應的光電陰極，即“日盲”光電陰極，較實用的只有碲銫(CsTe)、碲銣(RbTe)兩種陰極。但碲銣光電陰極的禁帶寬度和電子親和勢之和大于碲銫陰極，即碲銣陰極具有更短的閾值波長。作為電子倍增器的微通道板組件是由三塊單通道型微通道板(簡稱MCP)級聯而成的。MCP是由幾十萬根微通道組成的一個很薄的圓片，其微通道直徑一般為10pm左右，厚度約0.5mm。MCP的主要特點是體積小，響應速度快。但是由于受離子反饋的影響，單塊直通道型MCP的電流增益并不高，在正常工作電壓下(約800V)，通常為103?104［6］。若將2塊或3塊MCP級聯，并形成微通道彎曲，如圖3所示，則離子反饋受到抑制，電流增益可達106以上。圖3微通道板組件結構示意圖Fig.3SchematicsoftandemtypeMCP陣列陽極為三層疊合式結構［7］。如圖4所示，中間是介質層，上、下層分別為相互平行、分布均勻的金屬像素條。上、下層的金屬條相互垂直。圖中1為無反饋MCP；2為上表面編碼電極；3為不透明光陰極；4為輸入面電極(約-2000V)；5為無反饋MCP(C型板)；6為輸出面電極(0V)；7為SiO絕緣層；8為上表面編碼電極(-75V)；9為石英基底；210為下表面編碼電極(-75V)；11為輸出電荷群(約106電子/脈沖)；12為下表面編碼電極；13為石英基底；14為疊合陽極陣列。圖4陣列陽極結構示意圖Fig.4Schematicsshowingdetailsofcoincidentanodearray陣列陽極輸出采用精細-精細電極編碼方式［8］。如圖5所示，陽極像素被分成了兩組，即上部分的奇數位組和下部分的偶數位組。奇數位組中每個周期所包含的像素數與偶數位組不同，這樣便形成了奇-偶周期錯位排列，從而使每相鄰的兩個像素處于不同的數組中。也就是說，相鄰的奇-偶兩個像素的組合是唯一的，引出電極數僅為奇數位每個周期的像素數與偶數位每個周期的像素數之和。對128X128像素的陣列陽極而言，引出電極數為52個［9］。圖5一維陽極信號閱讀方式示意圖Fig.5Constructionofone-axisoffine-fineanodearrayMCP與光電陰極及陣列陽極之間采用了近貼聚焦結構，這樣可提高MCP光電倍增管的響應速度。器件制作器件制作工藝流程如下陣列陽極制作在石英基片上熱蒸發(fā)NiCr-Au雙層金屬膜，NiCr和Au膜的厚度分別為50nm和200nm左右，經光刻形成下層電極條；磁控濺射SiO隔離膜，膜厚約500nm,經光刻形成下層電極引出窗口；熱蒸發(fā)NiCr-Au雙層金屬膜(膜厚同上)，光刻形成上層電極條以及上、下層編碼電極引出端。微通道板級聯如圖4所示，將三塊微通道板疊合在一起，其間填充少量焊料，控制級聯間隙在30pm左右。在真空度為1X10-4Pa左右，溫度為200°C的條件下，將它們壓焊在一起，形成了Z型微通道板組件。除氣將裝有陣列陽極、微通道板組件的管殼及制作光電陰極用的輸入光窗4等分別裝入真空轉移裝置內相應位置，待真空度達到1X10-4Pa時,加溫至350C,烘烤2h,以充分去除吸附在管殼零部件表面以及真空轉移裝置內壁的氣體分子。但對微通道板來說，其內表面吸附的氣體分子很難用常規(guī)的熱烘烤去除。因此在熱烘烤之后，必須使微通道板處于工作狀態(tài)，用強紫外光進行沖刷。沖刷電流為1pA,累計沖刷時間為24h。光電陰極制作在石英輸入光窗表面預先熱蒸發(fā)Cr導電膜，膜的厚度以透射比損失10%?15%為限；采用Te-Rb層疊交替蒸發(fā)法制作RbTe光電陰極。每次蒸Te后，需經Rb源充分激活，直到光電流不再增大為止。這種方法與傳統的一次蒸Te,一次激活的方法相比，靈敏度可從10mA/W以下增加到15mA/W以上。熱銦封陰極制作完成之后，將輸入光窗轉移到預先填充好焊料銦的管殼上方，如圖6所示。在一定的溫度下，將兩者封接起來。采用高頻加熱除氣法煉制焊料，以提高其純度，并預先在高溫下將焊料燒制在管殼封接盤內。封接前輸入光窗內側封接面處預先進行金屬化。圖6熱銦封結構簡圖Fig.6Schematicsdrawingofthermalindiumseal石英表面金屬化所用材料與合金焊料的浸潤能力要強，這樣有利于提高封接質量。RbTe光電陰極對真空度要求很高，在真空系統內采用熱銦封技術較好地實現了器件的氣密性封接，保證了器件內部真空度優(yōu)于1X10-4Pa。老煉工藝從真空轉移裝置剛制出來的管子，其性能并不穩(wěn)定。不穩(wěn)定性主要表現在陰極發(fā)射靈敏度、暗電流和電流增益等直流參數上。其不穩(wěn)定性主要由以下兩個方面所致：RbTe光電陰極表面吸附著不穩(wěn)定結構的Rb原子，這些Rb原子因管內少量氣體產生的離子反饋或在電場作用下的遷移，使光電發(fā)射發(fā)生變化；微通道板內部和陽極表面吸附的氣體分子，在光電子轟擊下會出現解吸現象，使器件在初始工作階段出現虛假增益及大的暗電流。因此，器件正式使用之前必須進行老煉，以除去這些不穩(wěn)定因素。老煉分微通道板老煉和器件老煉。微通道板老煉：斷開光電陰極，接通微通道板，使微通道板處于工作狀態(tài)2h。在此狀態(tài)下，微通道板內部的氣體分子受極間電場轟擊而釋放出來并被吸氣絲吸收。這樣便穩(wěn)定了MCP的暗電流和增益，并避免了光電陰極受到離子轟擊。器件老煉：器件處于正常工作狀態(tài)，在有光源和無光源這兩種情況下，分別使器件工作2h，這樣可使陰極表面結構趨于穩(wěn)定。試驗證明，經過以上老煉處理后，MAMA器件有了非常穩(wěn)定的工作狀態(tài)。研制結果與分析圖7為研制成的器件外形照片。圖8為陽極陣列照片。圖9為典型的器件光譜曲線圖，光譜范圍為200?320nm，峰值波長為240nm，譜線在320nm處響應小于1%,因而具有較好的日盲性能。圖10為典型的器件增益曲線，從增益曲線可知，在2200V電壓時，器件增益已達1X106。圖11為器件的脈沖上升時間波形，上升時間為曲線峰值的10%到90%間的時間間隔。從圖中曲線上讀得，上升時間為400ps，去掉電纜、光源及示波器本身的上升時間，則器件的實際上升時間約為300ps。圖12為器件整個陽極(曲線1)和單個輸出電極(曲線2)的單光子計數曲線。由于該器件的信號讀出電路仍處于研制之中，因此尚不能進行圖像演示。但從整個陽極和單個輸出電極的單光子計數結果看，該MAMA器件已具備了成像功能。

圖7器件外形圖Fig.7Outsideviewofdevice圖8陽極陣列Fig.8Anodearray圖9典型的器件光譜曲線Fig.9Typicalspectralresponsecharacteristics圖10典型的器件增益曲線Fig.10TypicalgaincharacteristiccurveoftandemMCP圖11脈沖上升時間波形Fig.11Outputpulsewaveform曽匸UTNIC1(Cmntinrstjm?：IQ垃—mglcBulputptM匚ounkirtf；riraW:641E3血keournmgcwr^ihltuihwHHP?pulu-tviiBk-CH圖12單光子計數曲線Fig.12Single-photoncountingcurves器件達到的主要性能參數如下：光譜響應