CN116759286A - 高位置分辨能力的微通道板、制备方法及其应用 - Google Patents

高位置分辨能力的微通道板、制备方法及其应用 Download PDF

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闵信杰
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Abstract

本发明提供一种高位置分辨能力的微通道板、制备方法及其应用，该高位置分辨能力的微通道板，包括：薄片形的微通道板阵列基底；在输入面和输出面镀制的电极膜层；在输出面进一步镀制的多孔泡沫状金属膜层，并朝向通道内部延伸。在输入面，通过扩口降低对原本撞击到通道壁的电子发生弹性、非弹性散射或者产生二次电子偏移至其他通道的比例，提升位置分辨能力。在输出面，采用具有高功函数及高孔隙率的多孔泡沫状金属膜层，吸收撞击到多孔泡沫状金属膜层区域的电子，抑制此区域二次电子的产生，通过损失出射角度大的电子来实现输出电子准直，提高微通道板位置分辨能力，从而提升微通道板应用于微光像增强器后的分辨力、传函等位置分辨性能。

Description

高位置分辨能力的微通道板、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及微通道板技术领域，具体而言涉及一种高位置分辨能力的微通道板、制备方法及其应用。
背景技术
微通道板(Microchannel Plate，MCP)是微光像增强器的核心元件，由数百万甚至千万以上的有规则排列而成的通道电子倍增器组成的二维阵列。它的每个微米级通道的内壁表层都具有优良的二次电子发射特性。当光阴极把输入光子转化为光电子图像，电子束进入微通道板的通道内部时，产生的二次电子可通过施加在MCP两端的电场加速，并沿抛物线轨迹运动并再次撞到通道内壁从而产生新的二次电子，这个倍增过程重复多次，最终在MCP输出端输出大量的电子，出射的电子在荧光屏电光转换为亮度得到上万倍增强的可见光图像。
随着高性能超二代、三代微光像增强器的发展及性能的不断提升，特别是分辨力、传函等位置分辨性能的提升，导致对其核心元件微通道板的位置分辨性能的要求也越来越高。
发明内容
随着国内外高性能超二代、三代微光像增强器的发展及性能的不断提升，特别是分辨力、传函等位置分辨性能的提升，导致对其核心元件微通道板的位置分辨性能的要求也越来越高，本发明的目的在于，从光电子与微通道板(MCP)相互作用的过程(即光电子入射至MCP输入面、MCP电子倍增、倍增光电子图像输出三个过程)来实现微通道板位置分辨性能的提升。
首先，光电子入射至MCP输入面过程，光阴极产生的光电子入射至MCP(尤其是镀制了输入增强的MCP)通道壁上时产生的二次电子，会进入到相邻通道之外的其他通道，造成光电子图像传递特性变差。因此，在本发明的实施例中，采用扩口技术提高MCP输入面开口面积比，通过扩口技术降低对原本撞击到通道壁的电子发生弹性、非弹性散射或者产生二次电子偏移至其他通道的比例，提升位置分辨能力。
其次，MCP电子倍增过程中，不同通道之间的信号不会串扰，因此微通道板的空间分辨力，取决于每个通道中的信号传递能力。
通过理论极限分辨力(即每毫米内通道阵列的阵列数)公式：
式中：R为极限分辨力；dc为孔间距。
由此可见，电子倍增过程中影响位置分辨性能的主要参数为MCP的固有结构参数孔径、孔间距，二者可通过开口面积比进行相互换算。在本发明的实施例中，考虑微通道板的空间分辨力取决于通道尺寸，即小孔径MCP，通过该设计来提升位置分辨性能。
然后，倍增光电子图像输出过程中，像增强器的位置分辨力受微通道板与荧光屏的距离影响很大，主要原因在于MCP的输出端面的电子射出时，并不会按照期望的方向射出，而是有一定的发散角度，呈现出弥散特性，并且距离荧光屏越远，弥散程度越大。因此，在本发明的实施例，通过尽量对撞击到输出端孔内电极区域的电子进行吸收，并抑制此区域二次电子的产生，通过损失出射角度大的电子来实现输出电子准直的功能，实现出射电子的准直，提高微通道板位置分辨能力。
因此，根据本发明目的高分辨能力的微通道板的设计，通过采用输入面大开口面积比小孔径微通道板基底阵列，并优化输出面电子准直功能膜层，比如在输出端通道内增大镀膜深度、镀制更高功函数及易于调控表面形貌的金属膜层，从而提升微通道板位置分辨性能。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面，提出一种高位置分辨能力的微通道板，包括：
薄片形的微通道板阵列基底，其限定了光电子的输入面和输出面；
在所述输入面和输出面镀制的电极膜层；以及
在所述输出面的电极膜层基础上进一步镀制的多孔泡沫状金属膜层，所述多孔泡沫状金属膜层覆盖输出面端部并从输出面端部朝向微通道板阵列基底的通道内部延伸。
作为可选的示例，所述多孔泡沫状金属膜层为金、铂、钴、钯、镍、硒或铱中的一种所形成的多孔泡沫状金属膜层。所述多孔泡沫状金属膜层为金属氮化物膜层经过原位分解后，利用其热还原反应中释放出的氮气充当发泡剂的作用，从而制备出高孔隙率的多孔泡沫状金属镍膜层。所述多孔泡沫状金属膜层的孔隙率控制在40％～65％。所述多孔泡沫状金属膜层的膜层厚度为30nm～300nm。由此设计，有助于减小电子出射角，达到出射电子汇聚的目的。
作为可选的示例，所述多孔泡沫状金属膜层延伸至输出端的通道内部的一定深度范围，深度范围为2.0D～6.0D,其中D为通道孔径。
作为可选的示例，所述电极膜层为NiCr电极膜层，膜层厚度30nm～100nm。
作为可选的示例，所述微通道板阵列基底为输入面大开口面积比的小孔径微通道板阵列基底，通道孔径范围4μm～7μm，板厚0.2mm～0.4mm，外径尺寸Φ16mm～Φ50mm，输入面开口面积比67％～95％。
根据本发明目的的第二方面，还提出一种高位置分辨能力的微通道板的制备方法，包括以下步骤：
在完成烧氢工序后的薄片形的微通道板阵列基底上，在输入面和输出面镀制NiCr电极膜层；
在所述输出面的电极膜层基础上进一步镀制的多孔泡沫状金属膜层，所述多孔泡沫状金属膜层覆盖输出面端部并从输出面端部朝向微通道板阵列基底的通道内部延伸；
其中，镀制的多孔泡沫状金属膜层的膜层厚度为30nm～300nm，并且其延伸至输出端的通道内部的一定深度范围，深度范围为2.0D～6.0D,其中D为通道孔径。
作为可选的示例，所述多孔泡沫状金属膜层为金、铂、钴、钯、镍、硒或铱中的一种所形成的多孔泡沫状金属膜层；
所述多孔泡沫状金属膜层为金属氮化物膜层经过原位分解后，利用其热还原反应中释放出的氮气充当发泡剂的作用，从而制备出高孔隙率的多孔泡沫状金属镍膜层。
其中，在输出面制备具有高功函数和高孔隙率的多孔泡沫状金属膜层，例如在输出面采用物理气相沉积通过调控真空度方式直接镀制化合物后，再通过高温热还原、激光热处理等分解方式沉积一层具有高功函数及高孔隙度的多孔泡沫状金属膜层，增大对通道内壁末端的表面二次电子抑制，实现输出电子准直的功能。
其中，采用镀制化合物后再做分解处理的方式，制备多孔泡沫状金属膜层。以镍金属为例，首先采用磁控溅射方式将金属镍的靶材安装到特定的靶位，真空度优于10-4Pa时，往腔体内分别通入氩气作为溅射气体，通入氮气作为反应气体，通过设置后续的气体压强、沉积温度、溅射功率等工艺条件，在基片上沉积氮化镍膜层；后续将沉积氮化镍膜层后的基片放在管式炉中的炉体内，设置氨气热还原的温度，氮化镍膜层发生高温热分解，从而制备出具有高功函数及高孔隙率的多孔泡沫镍金属膜层；最后将微通道板降温取出。
根据本发明目的的第三方面，还提出一种根据前述的高位置分辨能力的微通道板在微光像增强器中的应用，对撞击到多孔泡沫状金属膜层对应区域的电子进行吸收，抑制该区域二次电子的产生，通过吸收出射角度大的电子来实现输出电子准直，提高微通道板位置分辨能力。
由此可见，本发明提出的可应用于微光像增强器的提高位置分辨能力的微通道板及其制备方法，采用输入面大开口面积比的小孔径微通道板阵列基底，在输出面制备具有高功函数及高孔隙率的多孔泡沫状金属膜层，提高微通道板的位置分辨能力，制备出的微通道板可应用于成像领域，例如微光像增强器，从而提升微通道板应用于像增强器后的分辨力、传函等位置分辨性能。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例。
图1是发明示例性实施例制备的高位置分辨能力的微通道板的微观结构示意图。
图2是发明示例性实施例制备的高位置分辨能力的微通道板所使用的磁控溅射设备示意图。
图3是发明示例性实施例制备的提高位置分辨能力的微通道板所使用的管式炉设备示意图。
图4是发明示例性实施例制备的多孔泡沫状金属镍膜层的过程示意图。
附图标记说明：
1-抽气口；2-基板；3-正极；4-进气口；5-腔体；6-靶材；7-负极；
8-挡板；9-保温材料；10-炉体；11-炉塞；12-加热区；13-炉壳。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
根据本发明的实施例，本发明提出一种提高位置分辨能力的微通道板及其制备方法，采用输入面大开口面积比的小孔径微通道板阵列基底；在输出面制备具有高功函数及高孔隙率的多孔泡沫状金属膜层。在输入面，通过扩口降低对原本撞击到通道壁的电子发生弹性、非弹性散射或者产生二次电子偏移至其他通道的比例，提升位置分辨能力。在输出面，通过采用具有高功函数及高孔隙率的输出电子准直功能膜层，对撞击到输出端孔内电极区域的电子进行吸收，并抑制此区域二次电子的产生，通过损失出射角度大的电子来实现输出电子准直的功能，提高微通道板位置分辨能力，从而提升微通道板应用于微光像增强器后的分辨力、传函等位置分辨性能。
结合图1所示的示例的提高位置分辨能力的微通道板的微观结构示意。微通道板(MCP)的结构和制备过程主要包括：
在输入面大开口面积比的小孔径微通道板阵列基底上经过烧氢工序后，正常镀NiCr电极膜层；
在输出面利用物理气相沉积金属化合物及后续分解处理金属化合物的方式镀制具有高功函数、高孔隙率的多孔泡沫状金属膜层。
由此，制备出能够提高微光像增强器分辨力、传函等位置分辨性能的微通道板。
其中，在本发明的实施例中，孔隙率控制在40％～65％。
作为一个具体示例，微通道板制备过程如下：
(1)选用的微通道板阵列基底为输入面大开口面积比的小孔径微通道板阵列基底；
基底阵列特征为：孔径范围4μm～7μm，板厚0.2mm～0.4mm，外径尺寸Φ16mm～Φ50mm，输入面开口面积比67％～95％；
其中，输入面大开口面积比可通过湿法刻蚀或干法刻蚀扩口技术实现；
(2)前述选用的输入面大开口面积比的小孔径微通道板阵列基底的基础上，在烧氢工序后进行正常的NiCr电极膜层镀制，NiCr电极膜层厚度30nm～100nm，例如镀膜深度0.3d～1d，降低镀膜对输入面开口面积比的影响；
(3)在输出面制备具有高功函数和高孔隙率的多孔泡沫状金属膜层，并向通道内延伸。结合图1，多孔泡沫状金属膜层会延伸至输出端通道的一定深度内，深度范围为2.0D～6.0D，其中D为孔径，输出面表面膜层厚度为30nm～300nm，材料选择可包括：金、铂、钴、钯、镍、硒、铱等具有高功函数的金属膜层，有助于减小电子出射角，达到出射电子汇聚的目的。
作为一个具体的示例，在输出面制备具有高功函数和高孔隙率的多孔泡沫状金属膜层，包括：在输出面采用物理气相沉积工艺，通过调控真空度方式直接镀制化合物后，再通过高温热还原、激光热处理等分解方式沉积一层具有高功函数及高孔隙度的多孔泡沫状金属膜层，增大对通道内壁末端的表面二次电子抑制，实现输出电子准直的功能。
其中，采用镀制化合物后再做分解处理的方式形成多孔泡沫状金属膜层。以镍金属为例，具体流程为：如图3所示，首先采用磁控溅射方式将金属镍的靶材安装到特定的靶位，真空度优于10-4Pa时，往腔体内分别通入氩气作为溅射气体，通入氮气作为反应气体，通过设置后续的气体压强、沉积温度、溅射功率等工艺条件，在基片上沉积氮化镍膜层；后续将沉积氮化镍膜层后的基片放在管式炉中的炉体内，如图4所示，设置氨气热还原的温度，氮化镍膜层发生高温热分解，从而制备出具有高功函数及高孔隙率的多孔泡沫镍金属膜层。
最后将微通道板降温取出。
由此，制备出的微通道板可应用于成像领域，例如微光像增强器。通过多孔泡沫状结构，对撞击到多孔泡沫状金属膜层对应区域的电子进行吸收，抑制该区域二次电子的产生，通过吸收出射角度大的电子来实现输出电子准直，达到出射电子汇聚的目的，提高微通道板位置分辨能力。
我们结合过程，更加具体的描述本发明一个示例的高位置分辨能力的微通道板的制备工艺过程。
(1)选取输入面大开口面积比的小孔径微通道板阵列基底。基底阵列特征为：孔径6μm，板厚0.30mm，外径尺寸Φ33mm，采用干法刻蚀扩口技术后输入面开口面积比95％；
(2)将上述微通道阵列基底进行烧氢工序后，输入面表面镀制30nm电极膜层，镀膜深度0.3D，其中D为孔径；
(3)在输出面采用物理沉积方式镀制氮化镍膜层后，进行分解处理制备出具有高功函数及高孔隙率的多孔泡沫状金属镍膜层，输出面表面膜层厚度为200nm，镀膜深度5.0D，其中D为孔径；
其中，制备氮化镍膜层具体流程为：优选磁控溅射方式，图2为典型的磁控溅射设备的原理示意，将金属镍的靶材安装到特定的靶位，真空度优于10-4Pa时，往腔体内分别通入氩气作为溅射气体，通入氮气作为反应气体，通过设置后续的气体压强1.2Pa、衬底温度160℃、溅射功率80w、溅射时间50min、氩气/氮气流量比15：5一系列工艺条件，在基片上沉积氮化镍膜层；
然后，结合图4所示，进一步制备得到高功函数及高孔隙率的多孔泡沫状金属镍膜层的具体流程为：优选高温热分解方式，将沉积氮化镍膜层后的基片放在管式炉的炉体内，结合图3为典型的管式炉的结构示例，放入管式炉氨气氛围中经过600℃保温2h高温热分解，利用其还原反应释放出的氮气自身充当发泡剂的作用，从而制备出具有高功函数及高孔隙率的多孔泡沫状金属镍膜层；最后，将微通道板降温取出。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (11)

1.一种高位置分辨能力的微通道板，其特征在于，包括：
薄片形的微通道板阵列基底，其限定了光电子的输入面和输出面；
在所述输入面和输出面镀制的电极膜层；以及
在所述输出面的电极膜层基础上进一步镀制的多孔泡沫状金属膜层，所述多孔泡沫状金属膜层覆盖输出面端部并从输出面端部朝向微通道板阵列基底的通道内部延伸。
2.根据权利要求1所述的高位置分辨能力的微通道板，其特征在于，所述多孔泡沫状金属膜层为金、铂、钴、钯、镍、硒或铱中的一种所形成的多孔泡沫状金属膜层。
3.根据权利要求1所述的高位置分辨能力的微通道板，其特征在于，所述多孔泡沫状金属膜层为金属氮化物膜层经过原位分解后，利用其热还原反应中释放出的氮气充当发泡剂的作用，从而制备出高孔隙率的多孔泡沫状金属镍膜层。
4.根据权利要求1所述的高位置分辨能力的微通道板，其特征在于，所述多孔泡沫状金属膜层的孔隙率控制在40％～65％。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的高位置分辨能力的微通道板，其特征在于，所述多孔泡沫状金属膜层的膜层厚度为30nm～300nm。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述的高位置分辨能力的微通道板，其特征在于，所述多孔泡沫状金属膜层延伸至输出端的通道内部的一定深度范围，深度范围为2.0D～6.0D,其中D为通道孔径。
7.根据权利要求1所述的高位置分辨能力的微通道板，其特征在于，所述电极膜层为NiCr电极膜层，膜层厚度30nm～100nm。
8.根据权利要求1所述的高位置分辨能力的微通道板，其特征在于，所述微通道板阵列基底为输入面大开口面积比的小孔径微通道板阵列基底，通道孔径范围4μm～7μm，板厚0.2mm～0.4mm，外径尺寸Φ16mm～Φ50mm，输入面开口面积比67％～95％。
9.一种高位置分辨能力的微通道板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在完成烧氢工序后的薄片形的微通道板阵列基底上，在输入面和输出面镀制NiCr电极膜层；
在所述输出面的电极膜层基础上进一步镀制的多孔泡沫状金属膜层，所述多孔泡沫状金属膜层覆盖输出面端部并从输出面端部朝向微通道板阵列基底的通道内部延伸；
其中，镀制的多孔泡沫状金属膜层的膜层厚度为30nm～300nm，并且其延伸至输出端的通道内部的一定深度范围，深度范围为2.0D～6.0D,其中D为通道孔径。
10.根据权利要求9所述的高位置分辨能力的微通道板的制备方法，其特征在于，所述多孔泡沫状金属膜层为金、铂、钴、钯、镍、硒或铱中的一种所形成的多孔泡沫状金属膜层；
所述多孔泡沫状金属膜层为金属氮化物膜层经过原位分解后，利用其热还原反应中释放出的氮气充当发泡剂的作用，从而制备出高孔隙率的多孔泡沫状金属镍膜层。
11.一种根据权利要求1～8中任意一项所述的高位置分辨能力的微通道板在微光像增强器中的应用，对撞击到多孔泡沫状金属膜层对应区域的电子进行吸收，抑制该区域二次电子的产生，通过吸收出射角度大的电子来实现输出电子准直，提高微通道板位置分辨能力。
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