CN108878251A - 一种微通道板组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微通道板组件，主要应用于飞行时间质谱等领域，包括两块微通道板，输入和输出电极、绝缘环、阳极、绝缘支撑结构以及绝缘盖板，在两微通道板之间采用环形绝缘垫片并一体化制作两个错位排列的引出条，它们的厚度在20μm～280μm，环形绝缘垫片的两个端面分别蒸镀金属薄膜电极，而两个引出条分别只有一个端面同时蒸镀上述金属薄膜电极，并确保其与该端面上绝缘垫片的金属薄膜电极相连，由此制作的微通道板组件，可以依据探测信号的不同情况，采用非常灵活的供电方式，并且有效保证两微通道板的间隙最小化，由此可实现对入射到微通道板组件的离子的最佳探测。

Description

一种微通道板组件
技术领域
本发明涉及一种微通道板组件，属于真空带电粒子或含能光子探测领域。
技术背景
微通道板(Microchannel Plate，简称MCP)是一种由数百万到数千万个微孔有序排列的 二维真空电子倍增器件。两块微通道板串联而成的组件(以下简称双MCP组件)，由于其体 积小、增益高、响应快等优点，被广泛应用于国防、生物医学和科学仪器等领域。具体地讲， 在微通道板光电倍增管以及飞行时间探测器中，广泛采用两块微通道板以及不同的供电方式， 来实现最终的光子或离子探测与成像。
双MCP组件可以装配成四种不同结构，分别为：(1)两块MCP直接接触；(2)仅用环形金属垫片；(3)采用环形金属垫片隔开、且可给垫片单独提供电位；(4)间隙可加电压的“间 隙加压型”。其中第(4)种种结构的双MCP组件可独立调节间隙电压和每块MCP的电压，因此具有更优异的输出电荷谱分辨率，进行优化后还能延长寿命。
通常，间隙加压型的双MCP组件是在两块MCP的输入端和输出端均采用环形金属电极 片进行连接，再用绝缘环隔开中间的两个电极。但由于微通道板是一种具有玻璃微孔结构的 很脆的薄板，该结构的双MCP组件装配难度很大。
在双MCP组件的应用中，为了提高MCP的饱和程度，获得更好的输出电荷谱分辨率，降低间隙所加电压，需要尽可能的减小间隙大小。现有技术中，当金属电极片的厚度小于100μm时，加工难度增加，主要表现是难以去除毛刺，且再薄到一定程度，会出现卷曲，导 致施加电压时，容易出现打火现象，也给装配带来困难，故此，现有技术中，两MCP之间要 施加电场，采用绝缘垫片和两个环形电极，其厚度一般都超过280μm，由此会导致该组件的 优良性能难以发挥。
发明内容
本发明就是针对上述缺陷而提出的一种微通道板组件，包括绝缘盖板1、输入电极2、第 一级微通道板3、一体化环形电极4、第二级微通道板5、输出电极6、绝缘环7、阳极8和绝缘支撑结构9，它们之间的空间位置关系(从输入到输出顺序)依次是：输入电极2、第一级微通道板3、一体化环形电极4、第二级微通道板5、输出电极6、绝缘环7和阳极8依次 同轴、平行排列，而装配次序则正好相反，即阳极8、绝缘环7、输出电极6、第二级微通道 板5、一体化环形电极4、第一级微通道板3、输入电极2依次装配于绝缘支撑结构9内，并 用螺钉通过绝缘盖板1固定起来。第一级微通道板3和第二级微通道板5的外径相同，所述 一体化环形电极4是由绝缘材料制作环形垫片4-1和同体引出两错位引出条4-2-1、4-2-2构 成基体，并在环形垫片4-1的两个端面和两引出条4-2的一个端面分别蒸镀金属薄膜电极4-3、4-3-1和4-3-2，环形垫片4-1上的金属薄膜电极4-3与引出条上的一个金属薄膜电极4-3-1或 4-3-2无缝隙电学连接。这种结构将现有技术中两个电极环和一个绝缘垫片的结构更换成上述 一体化环形电极结构，较大地降低了两个微通道板之间的间隙，并可以灵活的采用不同的加 压方式。阳极用于收集微通道板组件的输出信号。
本发明提供的微通道板组件，构成一体化环形电极4的基体是环形垫片4-1和同体引出 条4-2-1、4-2-2，采用在真空中放气量小并可以在200℃下烘烤使用的绝缘材料，如氟金云母、 陶瓷、玻璃或聚四氟乙烯、聚醚醚酮等；依据上述材料的可加工情况，其厚度可以在 20μm～280μm之间。考虑到氟金云母，其最小加工尺寸可以做到20μm，故此，在20～150μm之间，氟金云母最为合适，而在150～280μm之间，则选用陶瓷、玻璃或聚四氟乙烯、聚醚醚酮来制作出。
考虑到覆盖在环形垫片4-1和引出条(4-2-1、4-2-2)的金属薄膜电极(4-3、4-3-1和4-3-2) 可以分别给第一级微通道板3和第二级微通道板5供电，当两者之间有电势差时，可以给间 隙提供电场，故此，上述金属薄膜电极(4-3、4-3-1和4-3-2)要求其与附着在绝缘材料(4-1、 4-2-1和4-2-2)上有较高的附着力且电导率高，由此选择镀膜材料是Ni-Cr合金、铜等。镀 层厚度选择在10nm～100nm之间，普通的真空镀膜方法(电子枪蒸发或磁控溅射)都可以实现 上述厚度，在此不做讨论。至于金属薄膜电极(4-3、4-3-1和4-3-2)的覆盖度，考虑到MCP 电极需要加高压，电极之间的厚度很小，场强很大，电极区域离边缘的距离，控制在 0.2～0.5mm。也考虑到导电通畅和工艺制作的便利性，所述两引出条(4-2-1和4-2-2)分别只 蒸镀一面电极，该电极与其所在环形垫片4-1端面上的金属薄膜电极4-3连续，且为同种材 料同种工艺。
考虑到既要保证探测区域面积最大化，又要便于装配，环形垫片4-1的内径设计要比微 通道板有效直径大1～2mm，其外径与微通道板外径相等或小于0.5mm之内。
对于两个引出条(4-2-1、4-2-2)，为了便于电极引出，它们之间的位置可以在90°圆周 内错开，考虑到两者可以单独加电压，最小错开角度设定为5°；两个引出条(4-2-1、4-2-2) 的宽度在2.0～4.0mm之内。
本发明所提供的微通道板组件，由于采用了一体化环形电极4，使得装配工艺简单，并 减小了双MCP组件的间隙，不仅提高了可靠性，而且改善了双MCP组件输出电荷谱的分辨 率，进而提高了双MCP组件的粒子探测能力。
附图说明
图1为本发明所描述的微通道板组件示意图。
图2为本发明所描述的微通道板组件的各个部件装配示意图。
图3a和图3b分别为本发明所描述的一体化环形电极4的主视图和后视图。
图4a和图4b分别为采用本发明所获得的单光电子谱和反向偏压时的多光电子谱。
具体实施方式
为了准确理解本发明，现结合附图及其优选实施例对本发明作进一步陈述。应当注意， 这里描述的实施例中用于举例说明，并不限制本发明。
如图1和2所示，本发明的微通道板组件主要包括绝缘盖板1，输入电极2，第一级微通 道板3，一体化环形电极4，第二级微通道板5，输出电极6，绝缘环7，阳极8，绝缘支撑结构9，当然，在绝缘环7和阳极8之间也有收集电极，阳极后有信号引出线，这些是本领域 技术人员所熟知，在此没有画出，也没有必要做出详细说明。上述各部件依次同轴、平行排列，必要的电连接和机械固定也是本领域的常识，在此不做过多描述。
图3a和图3b为本发明所设计出一体化环形电极4从两个不同视角(主视图和后视图) 下的结构示意图，针对不同尺寸的微通道板，根据实际情况设计出的基体(环形垫片4-1、 引出条4-2-1和4-2-2)材料种类、几何尺寸、金属薄膜电极(4-3、4-3-1、4-3-2)的覆盖面积和厚度、蒸镀电极的具体工艺等优选指标，其主要参数如下表所示。
*材料代号：F-氟金云母、C-陶瓷、G-玻璃、P1-聚四氟乙烯、P2-聚醚醚酮
上述实施例中的第一级微通道板3和第二级微通道板5外形尺寸相同，一般为同种规格 尺寸的微通道板，标准型微通道板的有效直径、外径等指标，国内外都有相应的标准，部分 均列于上表之中。微通道板的两个端面上均镀有金属电极，分别在其两个端面上，图1和图 2中的输入电极2和本一体化环形电极4的紧贴第一级微通道板3引出条4-2-1(靠近微通道 板3一侧镀有电极)可以单独对第一级微通道板3施加电压，本一体化环形电极4的紧贴第 二级微通道板5引出条4-2-2(靠近微通道板5一侧镀有电极)通过输出电极6的引脚，来实 施对第二级微通道板5的两端面提供电压，这两个引出条之间，也可以独立施加电压，进而 改变两微通道板之间的间隙电场。
图4为我们使用50mm微通道板，采用本发明的一体化环形电极4，按照图2的部件组装成图1所示的双MCP组件，获得的峰谷比、输出电荷谱的分辨率和反向偏压时的多光电子谱。相关技术参数是：微通道板的外径为49.90mm，有效直径为45.0mm，孔径为12μm，我 们选择厚度为100μm的氟金云母做环形垫片4-1和两个引出条4-2-1和4-2-2，其中垫片4-1 的外径和内径分别为：49.6mm和46.5mm，两个引出条4-2-1和4-2-2的宽度均为3.8mm，蒸 镀Ni-Cr电极4-3、4-3-1、4-3-2，电极厚度为70nm，电极离边缘距离为0.45mm，通过磁控 溅射来蒸镀该电极。其它参数为本领域一般技术人员所熟知，在此不做过多描述。

Claims (10)

1.一种微通道板组件，包括绝缘盖板(1)、输入电极(2)、第一级微通道板(3)、一体化环形电极(4)、第二级微通道板(5)、输出电极(6)、绝缘环(7)、阳极(8)和绝缘支撑结构(9)，阳极(8)、绝缘环(7)、输出电极(6)、第二级微通道板(5)、一体化环形电极(4)、第一级微通道板(3)、输入电极(2)构成微通道板组件的部件，依次装入绝缘支撑结构(9)内，并通过螺钉将绝缘盖板(1)与上述微通道板组件的部件固定于绝缘支撑架(9)内，其特征是：所述一体化环形电极(4)是由绝缘材料制作的环形垫片(4-1)和同体引出两错位引出条(4-2-1和4-2-2)构成，并在环形垫片(4-1)的两个端面和引出条(4-2-1和4-2-2)的一个端面分别蒸镀金属薄膜电极(4-3、4-3-1、4-3-2、)，环形垫片(4-1)上的电极(4-3)与引出条(4-2-1和4-2-2)上对应的金属薄膜电极(4-3-1、4-3-2))无缝隙电学连接。
2.根据权利要求1所述的微通道板组件，其特征是：所述环形垫片(4-1)及其引出条(4-2-1和4-2-2)所采用的绝缘材料为氟金云母、陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯或聚醚醚酮。
3.根据权利要求1或2所述的微通道板组件，其特征是：所述环形垫片(4-1)及其引出条(4-2-1和4-2-2)的厚度在20μm～280μm之间。
4.根据权利要求1所述的微通道板组件，其特征是：所述金属薄膜电极(4-3、4-3-1、4-3-2)的材料为Ni-Cr合金或铜。
5.根据权利要求4所述的微通道板组件，其特征是：所述金属薄膜电极(4-3、4-3-1、4-3-2)的厚度为10nm～100nm之间。
6.根据权利要求4或5所述的微通道板组件，其特征是：所述金属薄膜电极(4-3、4-3-1、4-3-2)均分布于所在端面离边缘0.2～0.5mm的区域内部。
7.根据权利要求6所述的微通道板组件，其特征是：所述金属薄膜电极(4-3、4-3-1、4-3-2)采用同种材料同种工艺来蒸镀。
8.根据权利要求1所述的微通道板组件，其特征是：所述环形垫片(4-1)的内径比微通道板有效直径大1～2mm，环形垫片(4-1)的外径与微通道板外径相等或小于0.5mm之内。
9.根据权利要求1所述的微通道板组件，其特征是：所述两引出条(4-2-1、4-2-2)在90°圆周内错开，最小错开角度为5°。
10.根据权利要求3或9所述的微通道板组件，其特征是：所述两引出条(4-2-1、4-2-2)的宽度在2.0～4.0mm之内。
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