基于微通道有源衬底的电子光学复合探测机制研究

母一宁， 陈雪薇， 刘春阳， 刘德兴， 郝国印

(长春理工大学 理学院， 吉林 长春 130022)

0 引言

单光子探测作为极弱光探测技术的一种[1]，在量子探测、生物光成像、空间光通信等领域具有极其重要的应用前景[2-7]。夜视设备主要分为车载和单兵作战两类[8-11]，技术方案主要采用两种：第一种是采用能在低照度条件下采集信息的固体电耦合器件(CCD)、互补型金属- 氧化物- 半导体成像器件(CMOS)以及在此基础上发展出来的器件，作为信息探测器件(包括电子轰击式)[8-10]；第二种是采用电子倍增后荧光屏成像[8-10]。虽然针对两种方式国内外学者都有较为深入的研究，也取得了比较突出的成就[8-10]，但目前这两种方式都存在一定的不足，而且像增强器部分提取信息单一，大都只能获取目标图像信息即目标的空间分辨力、灰度分辨力等信息[8-10]，而现在军事设备要求最好能实现功能的集成化。

在空间探测领域，为了增大光信号接收功率，通常需要选用大口径光学天线对光信号进行增益。然而由几何光学原理可知，从理论上讲大口径光学系统，焦距无法太短，并且为了保证对于瞬态信号的有效检测，接收端的半导体探测器光敏面尺寸无法太大。由此可见，实际的空间瞬态微弱光信号接收系统的视场通常极小[11-12]。另外，设备自身会发生随机震动，又进一步提高了通信链路对光轴对准精度及跟踪带宽的需求。因此，本文基于以上现状以及在激光雷达、激光通信、激光测距等技术领域对于瞬态光信号探测的技术要求，提出一种可在极微弱光条件下实现复合探测的探测机制。

1 复合探测机理

为了保证微通道孔导电层薄膜的持续供电，通常需要在微通道板(MCP)两面制作Ni-Cr薄膜电极，且在两端施加高压形成板流用于补偿二次电子发射的能量损失[13]。可见这种供电结构必然造成电子束在极间耦合过程中的束流密度衰减，即部分电子束被MCP输入端Ni-Cr供电薄膜电极收集，通常情况下其电子束收集效率仅能达到60%～70%. 为了利用被损失掉的电子，以MCP上表面的Ni-Cr电极为支撑，根据电子束的空间调制机制和MCP的电子倍增特性，在其上制备一层具有调制分流能力的波导阳极，实现电流的分流。从而产生两路信号，可以对被测目标的成像空间分辨力和瞬态光电脉冲时间分辨力等进行复合探测，在激光通信测距成像一体化等设备中具有可观的应用前景。

复合波导阳极的微通道光电倍增管如图1所示。

图1 器件原理图Fig.1 Schematic diagram of device

由图1可见：光脉冲被光学天线汇聚，透过窗口聚焦于光电阴极并产生光电子；由于光电阴极与MCP采用近贴式结构，光电阴极所产生的光电子将被MCP所收集，并在MCP中倍增成高能电子束；高能电子束在外加高压电极引入电场的作用下加速撞向复合式波导阳极。复合式波导阳极主要由MCP、透射式阳极、位敏阳极构成。首先在MCP两端分别溅射微米量级的H-K绝缘薄膜(如氧化铝或氧化镁)；然后将透射阳极薄膜制作在MCP的一面(可以采用有机载膜去除工艺或衬底转移工艺)，而在另一面采用相同的工艺制作位敏阳极薄膜；最后在位敏阳极上制作位敏结构。

2 器件模型分析

除评价全息光学系统时需要系统位相传递函数(PTF)以外,大部分的光学系统像质评价都采用调制传递函数(MTF)来代替光学传递函数(OTF)。故本文采用MTF来代替OTF评价像质。由第1节可知，复合波导阳极微通道光电倍增管主体由光电阴极、MCP、复合波导阳极3部分组成，其分辨力(空间分辨力)由上述三者及线性级联系统关系可知，分辨力表达式为

(1)

式中：R为整个器件的分辨力；Rc为阴极电子光学分辨力；Ra为复合波导阳极电子光学分辨力；Rm为MCP固有分辨力；Rs为复合波导阳极固有分辨力。本实验光电阴极采用金阴极，响应波段为200～340 nm. 不同光电阴极对不同波段的光信号进行响应，故更换光电阴极可扩展响应波段，长波可延展到红外波段，短波可延展到射线波段。由此可知Rc值与光电阴极材料有关，但Rc也存在像差问题。根据静电聚焦原理，r为引入的弥散圆半径，表达为

(2)

式中：dc为阴极近贴距离；εa为电子束出射平均动能；Vi为极间电压；β为电子束初始发散角。令ξ=εa/Vi，Dm=2dcξ0.5，即r=Dmsinβ. 由(2)式可知，凡具有初始平均动能为εa、初始角β的光电子都有几率打到半径为r的圆内，可见问题转化为求二元随机变量(ξ，β)的函数r的分布问题。设电子落在r0(r0为最大弥散圆半径)内的概率为P{r

N(r)=∬DdN(ξ,β)，

(3)

式中：D为指定区域。对(3)式微分，便可获得密度函数n(r)=dN(r)/dr. 将密度函数代入点扩散函数并进行傅里叶- 贝塞尔变换，即

(4)

式中：f表示空间频率；J0表示0阶贝赛尔函数。

获得最终MTF表达式为

(5)

式中：εa可通过爱因斯坦公式求得

(6)

λ0为阴极材料发生光电效应的特征波长，λ为入射光波长。

由(6)式可以看出，光电子的初始最大动能只与光阴极材料相关且初始最大动能差别不大。Ra与Rc存在明显不同，为了能让高能电子隧穿复合波导阳极，必须为电子束加速预留一定空间，进而无法采用近贴式结构。同理按照MTFRc的求解办法获得MTFRa，其表达式为

(7)

式中：da为MCP与复合波导阳极距离；εo为MCP输出电子束的出射动能；Va为极间加速电压。由于复合波导阳极是在MCP上制作不同的微结构阳极而成的，其固有分辨力的计算方式与MCP固有分辨力的制作方式基本相同，Rs与Rm的MTF分析方法与表达式基本相同。同理按照MTFRc、MTFRa的求解办法获得MTFMCP，表达式为

(8)

式中：J1表示1阶贝塞尔函数；D表示MCP的孔径直径。

由(8)式可知，微通道孔直径线性影响其分辨能力，只要减小D就可以直接提高其分辨能力。根据文献[14]的相关研究，微通道直径已达到微米级，因此从理论上讲这部分对整个器件的分辨能力影响不大。

3 复合阳极验证与分析

采用的器件参数如下：美国BHK公司生产的冷阴极紫外灯作为外部直流紫外光源，同时利用输入电流来控制发光功率；在该光源前端放置焦距为60 mm、口径为40 mm的石英双凸透镜实现对紫外光准直与扩束，并在透镜后放置一直径为0.6 mm的小孔光阑，在小孔光阑后方通过相同的石英双凸透镜将光斑耦合至真空系统中的金阴极表面中心区域，即将直径为0.6 mm的紫外光斑等比例投射到阴极表面。试制固有分辨力约5 mrad的器件(结构见图1)参数如下：光电阴极为金阴极；选用有效口径为18.4 mm、孔径为6 μm，孔径之间的间距为8 μm、厚度为0.3 mm，径长比为50的MCP；复合波导阳极中的MCP参数和上述一致，透射阳极膜厚度为0.2 μm，位敏阳极(四象限式位敏阳极)膜的厚度为2 μm，中心分割间距为25 μm；MCP板压为1 000 V，透射阳极与位敏阳极之间压差为700 V. 本次实验中光电阴极和MCP之间预留的距离为0.5 mm，为加速电子渡越速度并减少电子弥散，在光电阴极和MCP之间加电压500 V. 由文献[15]与(6)式可知，金阴极的电子逸出初始最大动能约2.26 eV. 通信光脉冲和MCP之间拥有高压(Va)，可以加速电子快速渡越并减少一定的弥散，但这部分的分辨力损失是不可避免的。MCP与透射阳极之间的间距为5 mm，MCP与透射阳极之间压差为7 000 V. 由于本文选用的MCP孔径很小，只有6 μm，这里设定电子出射均值能量约为65 eV.

本文开展了以下验证性实验：当MCP与透射阳极之间的压差由7 000 V、每隔500 V依次逐渐降低，透射阳极的隧穿效率与位敏阳极提取到的电流相应变化趋势如图2所示。

图2 复合阳极电流变化趋势Fig.2 Current change trend of composite anode

根据第2节所述光学传递模型，可知该器件的理论调制传递函数如图3所示。

图3 光学调制函数Fig.3 Optical modulation transfer function

由图2可见，当隧穿电压下降时，透射阳极隧穿电子量将随之大幅下降，进而导致位敏阳极输入信噪比也大幅下降，最终导致薄膜散射、暗电流等噪声影响将越发明显。反之，随着隧穿电压的升高，第2块MCP的饱和趋势将越发突显，位敏阳极的细分精度下降。该复合式波导阳极在该光照条件下的最佳隧穿电压出现在4 500～5 000 V之间(这部分电流变化梯度最为明显，MCP的增益特性与信噪比均可达到最佳状态)。遂穿电压将决定遂穿电子的比例，如果电压太大则遂穿电子过多将导致第2块MCP自饱和，增益下降，分辨力降低，进而使屏幕的空间分辨力降低，同时到达荧光屏的电子能量变大。从而导致荧光屏上像素点的亮度变大，而相邻像素点的亮度差值减小，即屏幕的灰度对比度下降，每个像素点的光轴产生较大的偏差，使得成像效果下降。由此可知，探索复合式波导阳极自适应隧穿门控技术，将是在复杂光场环境中实现精准光轴定位的前提。以5 000 V隧穿电压为例，透射阳极读出电流约9.7 nA，并约有6%的电子完成了隧穿。

以上结果验证了复合波导阳极实现光电子分流的可行性。根据第2节所述光学传递模型，可知该器件的理论调制传递函数如图3所示。在图3中，Ra的OTF与器件整体(图中R所示)的OTF基本重合，可见Ra是导致器件空间分辨力较低(不到10 lp/mm)的主要原因。在器件制作过程中工艺复杂，需要用薄膜转移技术等工艺技术，使得其成品率较低，而且由于工艺的不成熟会对器件性能造成一定影响[16]。为了简化器件制作工艺，本文在复合探测原理基础上，又提出采用电场调制进行分流的方法，即栅极复合薄膜微通道光电倍增结构。

4 复合波导栅极工作原理

波导栅极复合探测器件构造及工作原理如图4所示。由图4可见，脉冲光信号透过光学接收窗(见图4中a)聚焦于光电阴极(见图4中b)表面，由光电效应激发的光电子在负高压电场加速作用下，电子到达上层倍增用MCP(见图4中c)，经MCP的初次倍增形成电子束，电子束在空间电场作用下撞向复合式栅极结构上的金属薄膜电极(见图4中d)，产生电子分流，部分电子由栅极截获并输出高频脉冲通信用信号。而能够成功渡越过栅极薄膜的电子入射到下级波导用MCP(见图4中f)引发二次电子倍增以提高微弱成像信号探测灵敏度，倍增的电子最终被楔条形阳极WSZ(见图4中g)收集并由信号采集电路完成读出。

图4 波导栅极薄膜复合探测器件原理图Fig.4 Schematic diagram of waveguide-gate film complex detector

在传统空间光电探测系统中，为兼顾响应频率与接收视场两方面特性，系统性能通常受到光敏面尺寸的制约。而利用MCP波导栅极薄膜器件进行探测，可以有效缓解光敏面尺寸的约束程度。故MCP波导栅极薄膜器件能够满足复合探测中对轻小型化和入射光轴精确定位的需求。

5 实验与分析

5.1 隔离膜的选择实验

为了实现电子分流，选择两种隔离膜进行研究：一种是氧化物绝缘膜；另一种是有机绝缘膜。

首先，考虑到MCP表面多孔的表面形态，可使用磁控溅射方法在MCP表面沉积MgO绝缘薄膜。使用离子溅射方法在MCP表面直接生长绝缘膜，溅射到微孔中的绝缘材料将污染微通道孔内壁表面的激活层，对MCP增益产生一定影响。其次，采用自支撑附着有机膜工艺。图5所示为两种材料的隔离膜电子增益对比图。

图5 镀膜前后结果对比图Fig.5 Comparison of electron gains before and after coating

由图5可见，在MCP表面沉积MgO绝缘薄膜后，其电子增益能力大幅下降，表明沉积的MgO对微通道孔内壁的电子发射层造成了较严重的污染，但仍具备一定的电子倍增能力。因此选用自支撑附着有机膜法在MCP表面附着有机薄膜的方式进行复合栅极测试，采用有机膜方式不易污染MCP，但是要对膜厚度进行控制。

5.2 探测能力实验

为了实现电子束隧穿金属薄膜，波导阳极的遂穿电压需达到4 kV左右。因此，为了避免MCP间真空击穿放电，要求板间距要达到毫米量级。

本文实验用的栅极束导结构的板间距降低到了0.2 mm,所以在光学传递方面远高于波导阳极结构。图6所示为栅型复合薄膜的调制效果图，从中可见栅型薄膜的电子束调制能力完全可控。图7所示为两种结构的OTF效果对比(传递函数计算方法与第2节基本一致，不再赘述)，其中：d表示2块MCP之间的距离，U表示2块MCP之间的电压，ε表示阴极出射电子的最大动能。

图6 复合栅型薄膜的电子束调制效果Fig.6 Electron beam modulation of gate-type compound film

图7 两种结构的OTF对比效果Fig.7 OTFs of two structures

器件灵敏度是此类器件的一个性能指标，一般来讲此类器件的探测灵敏度主要取决于光阴极，与本文的研究不相关。本文的灵敏度问题主要表现为失真和畸变问题。

图8所示为按照实测数据拟合而成的高斯电子束分布效果图，来对比复合栅极和复合阳极的灵敏度，从中可以看出，复合栅极灵敏度比复合阳极要好。

图8 高斯电子束畸变效果Fig.8 Gaussian electron spot distortions of two structures

因此复合栅极探测动态范围方面，空间栅型束导结构也具有明显优势。实时观察两种机构的输出光电流，具体实验结果如图9所示。综上所述，束导型复合探测机构在成像与探测动态范围两个方面远远优于复合波导阳极机构。

图9 电流密度变化曲线Fig.9 Input/output current densities of two structures

5.3 模型分析

空间束导栅型机构的电子束调制效果如图10所示。图10中：dx表示2块MCP之间的距离，E表示2块MCP之间的电场强度，v0表示表示第1块MCP输出电子的初速度，D1表示第1块MCP的孔径大小，D2表示第2块MCP的孔径大小。

图10 MCP极间束导机构示意图Fig.10 Schematic diagram of beam-guide mechanism in coupling of two microchannel plates

由图10可见：电子束在渡越2块微通道间隙(GAP)时的电子束弥散情况对复合探测起着至关重要的调制作用，弥散过大会使其成像能力明显下降；反之，其电子束的调制能力及复合探测能力便明显受限。

对附着于下级波导MCP的栅极薄膜,要求其在满足电子抽取能力的前提下，部分电子能透射到下级微通道后被阳极收集作为成像用信号。为此，采用Monte Carlo统计模拟方法对大量随机入射到固体中的电子轨迹进行模拟，所模拟的电子渡越栅极膜层的运动情况为低能电子和原子核外电子的相互作用，建立基于莫特弹性散射截面的物理模型[17]如下:

(9)

式中：θ为电子散射角；f(θ)、g(θ)分别为采用分波法解狭义相对论中狄克拉波动方程的入射波解、散射波解；x为角度取值的变上限，利用插值法可以求解莫特截面值。又因为所需模拟的为铝和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)构成的多元界面层，在考虑电子散射平均能量损失情况下，适用Joy等对Bethe公式进行修正[18]：

(10)

式中：E为运动电子的能量；S为散射截面面积；ρ为介质密度；Z为原子序数；A为原子量；k=0.757，为PMMA衬底的修正值；J为MMA料的平均电离位移。

图11是对不同入射能量的电子穿过不同膜厚栅极薄膜的仿真模拟图，基于Joy等所建立的物理模型[18]，对该波导栅极电子散射情况进行相对更严格的模拟。从图11的4张仿真结果图中可以看出：入射电子在栅极双层不同介质膜层中的纵向运动距离随着膜厚和入射电子能量的变化而变化：随着膜厚增加，入射电子因与膜内粒子的库伦力作用造成能量损失，使电子透射率降低；随着入射电子能量的增加，电子在膜层中的渡越距离也越大。因此，从工艺制备角度精确控制栅极复合薄膜膜厚和利用验证实验标定器件调制电压成为器件制备实现的两个关键要素。

6 波导栅极薄膜复合探测验证

为了验证该波导栅极薄膜器件调制分流的可行性，利用光电子倍增器件真空动态测试平台开展实验验证。实验在真空度为10-5Pa的腔室内进行，整个测试系统主要由紫外光源、复合探测器件、高压供电电池组和信号采集系统组成。

图12给出了校准后器件输出电流与波导栅极加速电压的关系。在给定栅极加速电压后，获得栅极的总电流，此时调制开关尚未开启，栅极以下未形成有效的空间电场，阳极收不到电子。开启开关后，栅极到阳极的电场线形成，阳极获得输出电流的同时栅极依然存在输出，器件电子束分流功能基本实现。由于能成功渡越栅极薄膜的电子占入射电子总量的极少数，并且由于前级光电子激发和倍增过程存在时间上的积累延迟，导致栅极输出电流在开关开启前后变化并不明显。然而，随着栅极加速电压的增大，栅极处场强增大，栅极调制占主导作用，栅极输出电流增大而阳极电流减小。同时由于入射到栅极的电子束能量也随之增大，阳极电流的下降趋势成亚纳安量级减缓，器件电子束调制功能基本实现。

图12 栅极和阳极电流随空间电场加速电压变化情况Fig.12 Variations of anode current and gate current with acceleration voltage in spatial electric field

7 结论

本文提出了具有复合探测功能的新型器件结构，建立了器件的OTF模型并论述了相应的器件约束条件，在真空环境中对器件的探测机理进行了研究。得到主要结论如下：

1) 从OTF理论出发分析了复合波导阳极结构的光学传递力约束条件，并通过实验验证了其具有一定的信号束流空间调制能力。

2) 进一步提出了复合波导栅极结构，该结构减小了2块MCP之间的距离，提升了其光学传递能力。在真空环境中进行了信号束流调制能力验证实验。验证结果表明复合栅极结构在电子束调制能力方面优于复合阳极结构。