CN103000483B - 体电导微通道板 - Google Patents
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Abstract
一种体电导微通道板，属于半导体电子倍增器件技术领域.包括板状的玻璃基体，该玻璃基体的两个侧面的边缘部位各构成为实体的环状玻璃边，在位于实体的环状玻璃边内的区域构成有自玻璃基体的一个侧面贯通至另一个侧面的微通道，在玻璃基体的两侧表面且位于实体的环状玻璃边内的区域镀覆有金属镀膜层，特点：玻璃基体为半导体玻璃，半导体玻璃的体电阻值为107~ 109Ω，工作电压为1000-1400伏，微通道的直径与长度之比为1∶60到1∶80，并且微通道的电子增益为104-106。优点：获得理想的电子增益；延长使用寿命；保障优异的信号增益效果，具有极致的电子增益和信噪比；在工作时不会出现正离子反向移动现象。
Description
技术领域
本发明属于半导体电子倍增器件技术领域，具体涉及一种体电导微通道板。
背景技术
微通道板（英文名称为：Microchannel Plate，缩写为：MCP）是由玻璃纤维制成的光电倍增原件，在微通道板的两侧施加一定的电压后，便会在微通道中产生轴向电场，从而使每个进入通道即微通道的电子或光子在通道壁碰撞并产生二次电子，二次电子在轴向电场的作用下不断加速，再与通道壁碰撞产生更多的新的二次电子，从而随着该过程的反复进行而在输出端产生电子增益而藉以使信号增强，可将微弱电子图像或信号均匀放大到10000倍以上。MCP对一切种类的带能粒子和光子都有增益效应，而且具有良好的信号二维空间分辨率和时间分辨率特性，目前微通道板的应用已从微光夜视仪拓展到高速示波器、高速摄影、高速开关、高速光电倍增管、各种带能粒子探测器等领域，特别是在空间技术、高能核物理和激光武器等方面获得了越来越广泛的应用。
就已有技术中的微通道板的材料而言：通常用铅硅酸盐玻璃制成（如CN101913765A“用于制造微通道板玻璃基体的玻璃”），它存在以下缺点：其一，由于这种玻璃本身是绝缘体并不导电，必须在氢气中加热还原处理，在微通道表面形成导电层，以运送电子流来补充通道壁表面由于电子撞击不断向外发射的“二次电子”。在高温下被氢气还原的管壁表层的化学组成与内部显著不同而造成微通道板应力变形，并且在随后的研磨抛光过程中容易碎裂。其二，由于管壁表面的玻璃还原层的化学活性较高，因此性能很不稳定，于是微通道板在工作中，电流只能从很薄的表面导电层通过，导电截面很小而电流密度很大，引起表面过热，从而加剧了表层老化和缩短使用寿命；其三，玻璃所使用的原料在玻璃熔化过程中释放出CO
2
、O
2
、NO
2
和H
2
O等气体，由于所有这些气体都会部分残留在制成的玻璃内，并且在微通道板工作中不断以正离子形式释放到通道内，因而使输出信号的噪声增加。特别是在高温氢还原处理后，玻璃表层含有大量的氢和氢氧基团，在微通道板工作时释放出H
2
和H
2
O的正离子。
就已有技术中的微通道板的物理机理而言：由于噪声大和容易老化，工作电压不能太高（仅为800-1000伏），使增益受到限制（增益为10
3
-10
4
）；如果试图以提高电压来加大增益，则一方面造成噪声增加而影响信号，另一方面加快即促使微通道板老化缩短工作寿命。
就已有技术中的微通道板的结构而言：由于性能上的不足造成结构上（以及工艺上）不够理想。原因之一，由于采用铅硅酸盐玻璃制成，因此如果将其用于极紫外单光子计数探测器例如用于制造嫦娥卫星对地球大气电离层辐射信号的探测照相机，则需在真空中对微通道板长时间加热除气，并且对微通道板的工作通道进行多次电子冲刷，以降低噪声、提高对宇宙微弱信号的信噪比，尤其需要将至少两片（两枚）微通道板叠加使用；而之所以需要将两枚或以上的微通道板叠加使用，是因为单枚微通道的长径比较小，通常在1∶40左右（直径与长度之比为1∶40）从而难以满足探测极微弱信号诸如单光子计数装置所需的增益10
6
或更高的要求，而实践证明将两枚或以上的已有技术微通道板叠加并且在电压串联下工作（为了提高增益）会产生以下弊端：除了微通道板本身噪声较高外，信号电子在叠加而形成的微通道之间的间隙中会因散射而引起附加噪声，影响到信号接受和获得图像的清晰度。之二，由于已有技术中的微通道板在应用于第三代微光夜视仪时必须有正离子阻隔模，而正离子阻隔膜会阻隔信号电子进入微通道并且在薄膜表面发生散射，使信噪比受到影响，（即增益减小而噪声增大）；要免去正离子阻隔膜（即第四代微光夜视仪）就要求在微通道板工作中不会在通道内产生气体正离子，需要改进已有技术的微通道板的性能。
鉴于上述已有技术，本申请人作持久而有益的探索，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。
发明内容
本发明的任务在于提供一种有助于在工作中实现体电导而非表面电导的电导效果、有利于避免工作电流集中于表面而藉以延长使用寿命、有利于避免气体的正离子进入微通道干扰信号引起噪声而藉以获得理想的信噪比、有益于适应较高的工作电压而藉以保障优异的信号增益效果和有善于使微通道具有优异的长径比的体电导微通道板。
本发明的任务是这样来完成的，一种体电导微通道板，包括板状的玻璃基体，该玻璃基体的两个侧面的边缘部位并且在彼此对应的位置各构成为实体的环状玻璃边，而在位于实体的环状玻璃边内的区域以密集状态构成有自玻璃基体的一个侧面贯通至另一个侧面的微通道，在玻璃基体的两侧表面并且位于实体的环状玻璃边内的区域镀覆有金属镀膜层，特征在于所述玻璃基体为半导体玻璃，该半导体玻璃的体电阻值为10
7
~ 10
9
Ω，工作电压为1000-1400伏，所述的微通道的直径与长度之比为1∶60到1∶80，并且微通道的电子增益为10
4
-10
6
。
在本发明的一个具体的实施例中，所述半导体玻璃的厚度为0.20-0.25mm。
在本发明的另一个具体的实施例中，所述微通道道的直径与长度之比为1∶60。
在本发明的又一个具体的实施例中，所述微通道道的直径与长度之比为1∶80。
在本发明的再一个具体的实施例中，所述微通道的直径为2.5-3.5μm。
在本发明的还有一个具体的实施例中，所述的金属镀膜层的厚度为100-200nm。
在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的环状玻璃边的宽度为2至3㎜。
在本发明的进而一个具体的实施例中，所述的半导体玻璃的化学成分按分子式量%数配比为：
（P
2
O
5
+V
2
O
5
） 60-75%；
（FeO+WO
3
） 5-25%；
Sb
2
O
3
≤4%；
PbO ≥15%。
在本发明的又更而一个具体的实施例中，所述的半导体玻璃的化学成分按分子式量%数配比为：
（P
2
O
5
+V
2
O
5
） 60-75%；
（FeO+WO
3
） 5-25%；
Sb
2
O
3
2-4%；
PbO 15-25%。
在本发明的又进而一个具体的实施例中，所述的P
2
O
5
、V
2
O
5
、FeO、WO
3
、Sb
2
O
3
和PbO为粉体。
本发明提供的技术方案由于将玻璃基体采用了体电阻为10
7
~ 10
9
Ω的半导体玻璃，因而相对于已有技术的铅硅酸盐玻璃的表面电导变为体电导，不存在气体的正离子进入微通道引起干扰信号产生噪声的情形，从而可获得理想的电子增益（10
4
-10
6
）；由于玻璃基体为半导体玻璃基体，因此工作电流不会集中于表面，从而可避免过热并延长使用寿命；由于微通道的直径与长度之比达到了1∶60到1∶80，能适应1000-1400伏的工作电压，因此可保障优异的信号增益效果，因此具有极致的电子增益和信噪比；由于摒弃了已有技术中的正离子阻隔膜，因而在工作时不会出现正离子反向移动现象。
附图说明
图1为本发明的实施例结构图。
图2为图1的A部放大图。
图3本发明的应用机理（微通道内电子增益机理）示意图。
具体实施方式
为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。
实施例1：
请参见图1和图2，给出了板状的玻璃基体1，图示的板状的玻璃基体1的形状虽然呈圆板状，但并不局限于该形状，例如也可制成矩形状，在该玻璃基体1的两侧的边缘部位并且在彼此对应的位置各构成有实体的环状玻璃边11，该环状玻璃边11的宽度为2-3mm，在玻璃基体1上并且位于环状玻璃边11内的区域以密集状态构成有自玻璃基体1的一个侧面贯通至另一个侧面的微通道12，以及在玻璃基体1的两侧表面并且同样在实体的环状玻璃边11内的区域镀覆有金属镀膜层13。
作为本发明提供技术方案的技术要点，前述玻璃基体1为半导体玻璃基体，该半导体玻璃基体的体电阻值为10
8
Ω，工作电压为1000伏，前述的微通道12的直径与长度之比为1∶60，微通道12的电子增益为10
4
，前述的金属镀膜层13的厚度为150nm, 半导体玻璃即微通道板的厚度为0.21mm，微通道12的直径为3.5μm，前述的环状玻璃边11的宽度为2㎜。
前述的半导体玻璃即半导体玻璃基体按以下分子式百分数配比为：P
2
O
5
33%，V
2
O
5
32%，WO
3
15%，Sb
2
O
3
3%和PbO17%。
请见图3，当通过电极2向玻璃基体1的两侧的金属镀膜层13施加1000伏的工作电压时，在微通道12中产生轴向电场，从而使进入各微通道12内的电子或光子在微通道12的壁上碰撞并产生二次电子或光子，二次电子或光子在轴向电场的作用下不断加速，再与微通道12的壁碰撞而产生更多的新的二次电子或光子，从而随着该过程的反复进行而在输出端产生电子增益，使信号增强而藉以将微弱的图像或信号均匀放大到1万倍以上，图3采用箭头示意了这种情形。
实施例2：
仅将玻璃基体1即半导体玻璃的厚度改为0.22㎜，半导体玻璃基体即半导体玻璃的体电阻改为10
9
Ω，工作电压改为1400伏，微通道12的直径与长度之比为1∶80，于是微通道12的直径为2.75μm，微通道12的电子增益为10
6
，金属镀膜层13的厚度改为200nm，环状玻璃边11的宽度为3㎜。将半导体玻璃即半导体玻璃基体的分子式量百分比配比改为：P
2
O
5
55%，V
2
O
5
14%，FeO 4%，WO
3
6%，Sb
2
O
3
3%和PbO18%。其余均同对实施例1的描述。
实施例3：
仅将玻璃基体1即半导体玻璃的厚度改为0.21㎜，工作电压改为1200伏，微通道12的直径与长度之比改为1∶70，微通道12的电子增益为10
5
，金属镀膜层13的厚度改为100nm，微通道12的直径为3μm，环状玻璃边11的宽度为2.5㎜。将半导体玻璃的化学组成按分子式量百分数配比改为：P
2
O
5
40%，V
2
O
5
20%，FeO 2%，WO
3
20%，Sb
2
O
3
2%和PbO16%。其余均同对实施例1的描述。
实施例4：
将半导体玻璃基体即半导体玻璃的化学组成按分子式量百分数配比改为：P
2
O
5
37%，V
2
O
5
27%，FeO 2%，WO
3
10%，Sb
2
O
3
4%和PbO20%。其余均同对实施例1的描述。
实施例5：
将半导体玻璃基体即半导体玻璃的化学组成及其分子式量百分数改为：P
2
O
5
38%，V
2
O
5
26%，FeO3%，WO
3
16%，Sb
2
O
3
2%和PbO15%。其余均同对实施例2的描述。
实施例6：
将半导体玻璃基体即半导体玻璃的化学组成及其分子式量百分数改为：P
2
O
5
42.5%，V
2
O
5
25%，WO
3
5%，Sb
2
O
3
2.5%和PbO25%。其余均同对实施例3的描述。
上述实施例1-6中提及的半导体玻璃在熔制时的原料化合物P
2
O
5
、V
2
O
5
、FeO、PbO、Sb
2
O
3
和WO
3
均为粉体
综上所述，本发明提供的技术方案克服了已有技术中的欠缺，完成了发明任务并且体现了申请人在上面的技术效果栏中所述的技术效果。
Claims (8)
1.一种体电导微通道板，包括板状的玻璃基体(1)，该玻璃基体(1)的两个侧面的边缘部位并且在彼此对应的位置各构成为实体的环状玻璃边(11)，而在位于实体的环状玻璃边(11)内的区域以密集状态构成有自玻璃基体(1)的一个侧面贯通至另一个侧面的微通道(12)，在玻璃基体(1)的两侧表面并且位于实体的环状玻璃边(11)内的区域镀覆有金属镀膜层(13)，其特征在于所述玻璃基体(1)为半导体玻璃，该半导体玻璃的体电阻值为10 7 ~ 10 9 Ω，工作电压为1000-1400伏，所述的微通道(12)的直径与长度之比为1∶60到1∶80，并且微通道(12)的电子增益为10 4 -10 6 ，所述的半导体玻璃的化学成分按分子式量%数配比为：
（P
2
O
5
+V
2
O
5
） 60-75%；
（FeO+WO
3
） 5-25%；
Sb
2
O
3
≤4%；
PbO ≥15%，其中：所述的WO
3
的分子式量%数为5%或15%。
2.根据权利要求1所述的体电导微通道板，其特征在于所述半导体玻璃的厚度为0.20-0.25mm。
3.根据权利要求1所述的体电导微通道板，其特征在于所述微通道(12)的直径与长度之比为1∶60。
4.根据权利要求1所述的体电导微通道板，其特征在于所述微通道(12)的直径与长度之比为1∶80。
5.根据权利要求1或3或4所述的体电导微通道板，其特征在于所述微通道(12)的直径为2.5-3.5μm。
6.根据权利要求1所述的体电导微通道板，其特征在于所述的金属镀膜层(13)的厚度为100-200nm。
7.根据权利要求1所述的体电导微通道板，其特征在于所述的环状玻璃边(11)的宽度为2至3㎜。
8.根据权利要求1所述的体电导微通道板，其特征在于所述的P 2 O 5 、V 2 O 5 、FeO、WO 3 、Sb 2 O 3 和PbO为粉体。
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