CN111521889B - 一种微通道板噪声因子测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微通道板噪声因子测量方法，实现该测量方法的测量装置由紫外光源、可变孔径光栏、中性滤光片、石英窗、无氧铜片、MCP、荧光屏、光纤面板、第一针孔、透镜、第二针孔、三维移动装置、光电倍增管、信号分析器、MCP安装座、绝缘柱、真空引线柱、密封圈、真空室以及电流表组成；所述测量方法是在高电流密度条件下准确测量MCP的输入电流，然后通过滤光片衰减到低电流密度，再通过计算得出MCP的输入信噪比，这样就解决了低电流密度条件下，MCP输入信噪比不能准确测量的问题；通过荧光屏进行转换，之后再通过光电倍增管进行放大，从而也解决弱电流信噪比的测量问题。

Description

一种微通道板噪声因子测量方法
技术领域
本发明属于真空光电器件领域，具体涉及一种微通道板噪声因子测量方法。
背景技术
微通道板(Microchannel Plate，MCP)是一种面阵电子倍增器，在各种电真空器件，特别是微光像增强器中有广泛应用。
MCP最重要的参数之一就是噪声因子。噪声因子是指MCP输入电流的信噪比平方与输出电流信噪比平方之比。而这里所谓的信号是指电流的平均值，噪声又是指电流与平均值偏差的均方根值。无论MCP是在像增强器或是在光电倍增管中，其作用就是对微弱信号进行放大。因此如果MCP自身的噪声较大，即噪声因子较高，那么输入信号经过放大以后，输出信号的信噪比相对于输入信号的信噪比就会降低很多。而如果输出信号的信噪比降低到小于1，那么输出信号就会淹没在噪声中，使输出信号不能被识别，从而使MCP的放大作用失去意义。
目前MCP已大批量生产，但在MCP的测量参数中还不包含噪声因子这一最重要的参数，而仅仅包括增益、电阻、孔径等。生产厂家不能测量噪声因子的原因是没有可行的测量方法或手段。
在专利CN102175933B中，介绍了MCP噪声因子的测量方法，但目前这种方法不具备可操作性。因为在这种测试方法中，以电子枪所发射的电流作为MCP的输入电流，而这一电流如果超过10-12A/cm2，那么MCP的倍增就会出现饱和。一旦MCP的倍增出现饱和，那么所测量输出电流信噪比就失真了，所以在测量MCP的输出信噪比时，MCP必须工作在线性区域。而要保证MCP能够工作在线性区域，MCP的输入电流密度不能超过10-12A/cm2。这样一来，如果为了保证MCP工作在线性区域，那么MCP的输入电流密度应该在10-13A/cm2数量级，同时对应的噪声电流密度更小，约为10-15A/cm2数量级。对于如此微弱的MCP输入电流及其噪声电流，目前无准确测量方法。
发明内容
本发明的目的在于解决MCP噪声因子无法准确测量的问题。
本发明的测量方法的核心是在高电流密度条件下准确测量MCP的输入电流，然后通过滤光片衰减到低电流密度，再通过计算得出MCP的输入信噪比，这样就解决了低电流密度条件下，MCP输入信噪比不能准确测量的问题。另外通过荧光屏进行转换，之后再通过光电倍增管进行放大，从而也解决弱电流信噪比的测量问题。
实现本发明的测量的测量装置包括紫外光源、可变孔径光栏、中性滤光片、石英窗、无氧铜片、MCP、荧光屏、光纤面板、第一针孔、透镜、第二针孔、三维移动装置、光电倍增管、信号分析器、MCP安装座、绝缘柱、真空引线柱、密封圈、真空室以及电流表。所述MCP位于无氧铜片与荧光屏之间；所述无氧铜片、MCP、荧光屏、MCP安装座及绝缘柱均处于真空室内，所述真空室还开设有供石英窗和真空引线柱密封安装的开口；所述第一针孔位于光纤面板上，所述透镜位于第一针孔与第二针孔之间，第二针孔后依次设置有光电倍增管及信号分析器，所述光电倍增管置于三维移动装置上；所述第一针孔、透镜及第二针孔同光轴；
紫外光源发射紫外光穿过可变孔径光栏、中性滤光片以及石英窗照射到无氧铜片上。紫外光源应包括300nm波长以下的紫外光。无氧铜片的直径不大于所测量MCP的直径。所发射的光电流Ic大小应使得在MCP输入端上的电流密度为10-13A/cm2数量级。光电流在阴极电压V1的作用下进入MCP，经过MCP电子倍增，输出阳极电流Ia，阳极电流在阳极电压V3的作用下轰击荧光屏使荧光屏发光，经光纤面板和第一针孔输出，再经过透镜投射到第二针孔以及光电倍增管上，光电倍增管的输出电流输入到信号分析器上，经过信号分析器处理，得出光电倍增管输出电流的信噪比。
进一步地，第一针孔的半径为0.1mm，厚度为50μm；第二针孔的半径为0.15mm，厚度为50μm。
进一步地，为了准确测量MCP输出电流的信噪比，需要通过荧光屏进行转换，然后再通过光电倍增管进行放大。第二针孔的作用是为了消除杂光，其半径只要大于0.1mm，小于0.2mm即可。因为荧光屏以及光电倍增管的噪声相对于MCP的噪声而言较小，因此光电倍增管输出信号的信噪比(S/N)可以认为是MCP的输出信噪比(S/N)o；另外由于MCP的输入电流就是光电流Ic，因此MCP的输入信噪比(S/N)i就是光电阴极(无氧铜片)的输出信噪比(S/N)c，而光电阴极的输出信噪比可由下式进行计算：
Figure GDA0003424321610000031
式中，Ic为光电流，e为电子电量，Δf为噪声功率谱的频率范围(带宽)。
根据噪声因子的定义，并考虑到光电阴极的输出信噪比等于MCP的输入信噪比，因此MCP的噪声因子Nf可以由下式进行计算：
Figure GDA0003424321610000032
由式(2)可知，只要测量出光电倍增管的输出信噪比(S/N)以及光电阴极的光电流Ic，就可以测量出MCP的噪声因子Nf。
本发明所述的测量方法是在高电流密度条件下准确测量MCP的输入电流，然后通过滤光片衰减到低电流密度，再通过计算得出MCP的输入信噪比，这样就解决了低电流密度条件下，MCP输入信噪比不能准确测量的问题；通过荧光屏进行转换，之后再通过光电倍增管进行放大，从而也解决弱电流信噪比的测量问题，其技术效果是显著的。本发明的方法同时还具有测量准确、方法简单、易于操作等特点，适宜在本领域推广应用。
附图说明
图1是本发明的MCP噪声因子测量装置的组成及结构示意图。
其中：1、紫外光源；2、可变孔径光栏；3、紫外中性滤光片；4、石英窗；5、紫外光；6、无氧铜片；7、MCP；8、荧光屏；9、光纤面板；10、第一针孔；11、透镜；12、第二针孔；13、三维移动装置；14、光电倍增管；15、信号分析器；16、MCP安装座；17、绝缘柱；18、真空引线柱；19、O型橡胶密封圈；20、真空室；21、电流表；Ic、光电流；Ia、阳极电流；V1、阴极电压；V2、MCP电压；V3、阳极电压。
具体实施方法
实现本发明的测量的测量装置如图1所示，包括紫外光源1、可变孔径光栏2、中性滤光片3、石英窗4、无氧铜片6、MCP7、荧光屏8、光纤面板9、第一针孔10、透镜11、第二针孔12、三维移动装置13、光电倍增管14、信号分析器15、MCP安装座16、绝缘柱17、真空引线柱18、O型橡胶密封圈19、真空室20以及电流表21。
所述紫外光源1发射紫外光5穿过可变孔径光栏2、中性滤光片3以及石英窗4照射到无氧铜片6上。紫外光源1应包括300nm波长以下的紫外光。无氧铜片的直径不大于所测量MCP的直径。所发射的光电流Ic大小应使得在MCP输入端上的电流密度为10-13A/cm2数量级。光电流在阴极电压V1的作用下进入MCP，经过MCP电子倍增，输出阳极电流Ia；阳极电流在阳极电压V3的作用下轰击荧光屏8使荧光屏发光，经光纤面板9和第一针孔10输出，再经过透镜11投射到第二针孔12以及光电倍增管14上，光电倍增管14的输出电流输入到信号分析器15上，经过信号分析器15处理，得出光电倍增管14输出电流的信噪比。第一针孔10的半径为0.1mm，厚度为50μm；第二针孔的半径为0.15mm，厚度为50μm。第一针孔10的半径之所以为0.1mm，是因为MCP信噪比测试标准的规定。由于信噪比测量的半径较小，因此MCP7的输出电流也非常小。为了准确测量MCP7输出电流的信噪比，需要通过荧光屏8进行转换，然后再通过光电倍增管14进行放大。第二针孔12的作用是为了消除杂光，其半径只要大于0.1mm，小于0.2mm即可。因为荧光屏以及光电倍增管的噪声相对于MCP7的噪声而言较小，因此光电倍增管14输出信号的信噪比(S/N)可以认为是MCP7的输出信噪比(S/N)o；另外由于MCP7的输入电流就是光电流Ic，因此MCP7的输入信噪比(S/N)i就是光电阴极(无氧铜片)的输出信噪比(S/N)c，而光电阴极的输出信噪比可由下式进行计算：
Figure GDA0003424321610000041
式中，Ic为光电流，e为电子电量，Δf为噪声功率谱的频率范围(带宽)。
根据噪声因子的定义，并考虑到光电阴极的输出信噪比等于MCP的输入信噪比，因此MCP的噪声因子Nf可以由下式进行计算：
Figure GDA0003424321610000051
由式(2)可知，只要测量出光电倍增管的输出信噪比(S/N)以及光电阴极的光电流Ic，就可以测量出MCP的噪声因子。
在本方法中，测量必须在暗室中进行。紫外光源1采用激光泵浦的气体放电灯。测量的MCP直径为25mm。铜片(光电阴极)的直径为17.5mm。
测量的步骤包括：
S1打开紫外光源1(气体放电灯)，从光路中移除紫外中性滤光片3，利用可变孔径光栏2调节入射光束5的直径，使入射光束5的光斑全部包含在铜片6的表面，即使光斑内切于铜片6。测量出光斑的面积S。
S2将MCP装入MCP安装座16中，然后再安装好带有P43荧光屏8的光纤面板9。MCP的型号为Φ25/6，孔径为6μm，厚度为0.3mm。光纤面板通过O型橡胶密封圈19与真空室20真空密封并连接在一起。
S3对真空室20抽真空，当真空室20的真空度优于5×10-3Pa时，调节阴极电压V1为200V，MCP电压V2和阳极电压V3的电压设置为0。利用电流表21(皮安表)测量出阴极电流I p。为了保证测量精度，阴极电流Ip的数量级必须大于100pA，如果阴极电流Ip的数量级低于100pA，那么需要增加入射光束5的强度。
S4保持阴极电压V1不变，调节MCP电压V2为800V、阳极电压V3为6000V。打开光电倍增管4以及信号分析器15，同时观察信号分析器的信号显示值。利用三维移动转置13同时移动第二针孔以及光电倍增管14，分别在x、y以及z方向反复移动，使信号分析器的信号显示值为最大。
S5将紫外中性滤光片3移入光路中。滤光片的透过率τ的选择应使MCP输入电流密度保持在10-13A/cm2数量级。当将紫外中性滤光片3移入光路中以后，此时的光电流Ic可以由下式计算：
Ic＝Ipτ (3)
式中，τ为滤光片3的透过率。
当将紫外中性滤光片3移入光路中以后，信号分析器15的信号显示值会降低，这是因为MCP输入电流密度较弱了。为了弥补这一降低，需要增加光电倍增管的增益，使信号分析器15的信号显示值得以恢复。
S6将信号分析器15的低通滤波器带宽Δf设定为某一特定值f1(可以根据相关的测试标准设定)，然后测量出光电倍增管输出信号的信噪比(S/N)。
S7将光电流Ic、信噪比(S/N)以及相关参数Δf以及e的取值代入式(2)，即可测量出MCP的噪声因子Nf。

Claims (5)

1.一种微通道板噪声因子测量方法，其特征在于包括以下步骤：
S0搭建测量装置，包括：
(1)准备测量装置的部件，包括紫外光源、可变孔径光栏、中性滤光片、石英窗、无氧铜片、MCP、荧光屏、光纤面板、第一针孔、透镜、第二针孔、三维移动装置、光电倍增管、信号分析器、MCP安装座、绝缘柱、真空引线柱、密封圈、真空室以及电流表；所述MCP位于无氧铜片与荧光屏之间；所述无氧铜片、MCP、荧光屏、MCP安装座及绝缘柱均处于真空室内，所述真空室还开设有供石英窗和真空引线柱密封安装的开口；所述第一针孔位于光纤面板上，所述透镜位于第一针孔与第二针孔之间，第二针孔后依次设置有光电倍增管及信号分析器，所述第二针孔光及光电倍增管置于三维移动装置上；所述第一针孔与透镜同光轴；
(2)设置连接所述测量装置的部件，又包括：
所述可变孔径光栏、中性滤光片、石英窗以及无氧铜片沿紫外光源发射的紫外光的光路方向依次设置；所述紫外光源发射的紫外光穿过可变孔径光栏、中性滤光片以及石英窗照射到无氧铜片上；
所述三维移动转置可同时移动所述的第二针孔以及光电倍增管；
所述光纤面板通过密封圈与真空室真空密封并连接在一起；
所述MCP装入MCP安装座中；
S1打开作为紫外光源的气体放电灯，从光路中移除紫外中性滤光片，利用可变孔径光栏调节入射光束的直径，使入射光束的光斑全部包含在铜片的表面，即使光斑内切于铜片；测量出光斑的面积S；
S2将MCP装入MCP安装座中，然后再安装好带有荧光屏的光纤面板，光纤面板通过密封圈与真空室真空密封并连接在一起；
S3对真空室抽真空，当真空室的真空度优于5×10-3Pa时，调节阴极电压V1为200V，MCP电压V2和阳极电压V3的电压设置为0；利用电流表测量出阴极电流Ip；
S4保持阴极电压V1不变，调节MCP电压V2为800V、阳极电压V3为6000V；打开光电倍增管以及信号分析器，同时观察信号分析器的信号显示值；利用三维移动转置同时移动第二针孔以及光电倍增管，分别在x、y以及z方向反复移动，使信号分析器的信号显示值为最大；
S5将紫外中性滤光片移入光路中，滤光片的透过率τ的选择应使MCP输入电流密度保持在10-13A/cm2数量级，当将紫外中性滤光片移入光路中以后，此时的光电流Ic可以由下式计算：
Ic＝Ipτ
式中，τ为滤光片的透过率；
当将紫外中性滤光片移入光路中以后，信号分析器的信号显示值会降低，为了弥补这一降低，需要增加光电倍增管的增益，使信号分析器的信号显示值得以恢复；
S6将信号分析器的低通滤波器带宽Δf设定为某一特定值f1，然后测量出光电倍增管输出信号的信噪比(S/N)；
S7将光电流Ic、信噪比(S/N)以及相关参数Δf以及e的取值代入公式
Figure FDA0003424321600000021
即可测量出MCP的噪声因子Nf，其中e为电子电量。
2.根据权利要求1所述的微通道板噪声因子测量方法，其特征在于：
所述无氧铜片的直径不大于所测量MCP的直径。
3.根据权利要求1所述的微通道板噪声因子测量方法，其特征在于：
所述第一针孔的半径为0.1mm，厚度为50μm；所述第二针孔的半径为0.1～0.2mm，厚度为50μm。
4.根据权利要求1至3任一项所述的微通道板噪声因子测量方法，其特征在于：
所述密封圈为O型橡胶密封圈。
5.根据权利要求1至3任一项所述的微通道板噪声因子测量方法，其特征在于：
所述荧光屏采用P43牌号荧光粉制作。
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GR01 Patent grant
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