CN117198839A - 一种阵列微通道板、其制作方法与用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阵列微通道板、其制作方法与用途，方法包括：1)将不含铅玻璃原料混合、研磨、冲压、成型、切割，得到玻璃薄片材料；2)将所述玻璃薄片材料，进行激光钻孔、化学腐蚀，得到具有孔通道阵列结构的基底材料；3)将所述基底材料，沉积上氧化物半导体电阻性二次电子发射层，得到阵列微通道板。本发明所述阵列微通道板是一种典型的电子倍增器，其通道孔径和孔间距可调、倍增成像鉴别率高、电子增益可调、探测量子效率高、暗电流噪声低、动态范围大，能广泛应用在微光像增强器、光电倍增管、质谱仪、光子计数器和辐射探测等领域。本发明制作方法操作简便、环境友好，工艺条件温和、能耗低，成本低廉、产量大，更有利于实际应用。

Description

一种阵列微通道板、其制作方法与用途

技术领域

本发明属于微通道板技术领域，具体涉及一种阵列微通道板、其制作方法与用途。

背景技术

微通道板(Micro-channel Plate；简称MCP)是20世纪60年代末开发成功的一种简单紧凑的大面阵微通道电子倍增器，其形状是一聚集了上百万个细微的平行空心管的玻璃薄圆片，其厚度在0.1mm至几个毫米，每一空心管通道内径6～50μm，长径比40/1～80/1，薄片端面法线相对于微通道轴心线之“斜切角”或“偏置角”为5°～10°。通道内壁被一层电阻性二次电子发射膜所覆盖。MCP两端加有一直流工作电压B₊，并在其内壁电阻性薄膜连续分压下，建立起由低到高的电子加速电场。在单个微通道内，输入电子以一个最优偏置角度入射到通道输入端。由于通道内壁的高二次发射特性(二次发射系数δ>1)，使一个输入电子轰击内壁后会产生δ个二次电子，这些电子沿各自抛物线轨迹再轰击对面的内壁，产生更多的二次电子，如果这种轰击倍增次数有n级，则在输出端会得到δⁿ个电子，从而实现了电子倍增作用。

MCP具有体积小、重量轻、增益高、噪声低、均匀性好、空间分辨率高、时间响应快等优点，广泛应用于夜视技术、空间技术、光电子学仪器、辐射探测仪器等多个领域。目前，MCP的制作，采用含有铅、铋元素的硅酸盐皮料玻璃管和酸溶芯料玻璃棒，经两次拉丝、排屏、热熔压、切片、粗磨、抛光、腐蚀、氢还原、镀膜等工艺处理后，测试检验形成合格品。一方面，依赖拉丝工艺，微通道板孔径、孔间距、开口比等各项结构参数已趋近上限，难以满足微光像增强器、光电倍增管、质谱仪、光子计数器和辐射探测仪器等性能进一步提升的要求。另一方面，含铅玻璃材料的固定选择及氢还原处理工艺，极大限制了微通道板基底材料体系扩展，而且通过氢还原铅玻璃材料一个步骤来实现微通道板黑化、电阻调节、增益调节等关键指标，过程复杂、控制难度大，产品稳定性差、良率低。此外，氢还原处理后，存在残余氢气等气体，制成真空器件电子清刷难以除尽、容易漏气。

因此，利用传统工艺提高MCP电子增益、寿命、倍增成像鉴别率、探测量子效率高、暗电流噪声、动态范围等方面的性能，限制多、难度大、效果不理想。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种阵列微通道板、其制作方法与用途。所述阵列微通道板是一种典型的电子倍增器，其通道孔径和孔间距可调、倍增成像鉴别率高、电子增益可调、探测量子效率高、暗电流噪声低、动态范围大，能广泛应用在微光像增强器、光电倍增管、质谱仪、光子计数器和辐射探测等领域。

本发明的目的之一在于提供一种阵列微通道板的制作方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将不含铅玻璃原料混合、研磨、冲压、成型、切割，得到玻璃薄片材料；

(2)将所述玻璃薄片材料，先进行激光钻孔，再对激光钻孔得到的孔进行超声化学腐蚀，得到具有孔通道阵列结构的基底材料；

(3)将所述基底材料，沉积上氧化物半导体电阻性二次电子发射层，得到阵列微通道板。

本发明通过激光诱导局域改性、化学方法选择性腐蚀及原子层沉积等技术联用，该方法的使用有利于获得孔径和孔间距可调、电子增益高而稳定的阵列微通道板，有利于提高产品成像鉴别率、探测效率、动态范围和可靠性。本发明将不含铅玻璃作为原材料，经过混合、研磨、冲压、成型、切割，制成玻璃薄片材料，继续进行激光钻孔、化学腐蚀，获得具有孔通道阵列结构基底材料，按要求筛选后，进而原子层沉积上氧化物半导体电阻性二次电子发射层，得到了阵列微通道板，其具有通道孔径和孔间距可调、倍增成像鉴别率高、电子增益可调、探测量子效率高、暗电流噪声低、动态范围大、信噪比特性好、稳定性高、寿命长以及在器件产品中具有优异探测、增强、成像性能等优点，且制作方法操作简便、环境友好，工艺条件温和、能耗低，成本低廉、产量大，有利于实际应用。

所述步骤(1)中不含铅玻璃原料为石英或普通玻璃，其中，石英中SiO₂含量接近100％，含Cl、F、S等少量杂质；普通玻璃，其主要成分为SiO₂，其它成分为BaO、ZnO、K₂O、Na₂O、Li₂O、Rb₂O、Cs₂O、MgO、CaO、SrO、Al₂O₃、Sb₂O₃、Bi₂O₃、CeO₂、ZrO₂等的一种或几种组合，不含有铅或其化合物。

所述步骤(1)中玻璃薄片厚度为0.05～20mm，其形状为圆形、三角形、菱形、正方形、矩形、五边形、六边形等多边形。

所述步骤(2)中激光钻孔使用的光源为波长在270～1600nm范围内的脉冲激光。

所述步骤(2)中化学腐蚀采用碱性溶液、酸性溶液或二者的混合溶液进行腐蚀或交替腐蚀；

所述步骤(2)中基底材料厚度为0.05～4mm，上述基底材料孔通道内径为1～50μm，上述基底材料孔通道长径比为10/1～100/1，沿上述基底材料厚度方向上的上述各孔通道中心轴之间的间距为1.2～51μm，上述基底材料端面法线相对于孔通道轴心线的“斜切角”(或称为“偏置角”)为0°～10°；

所述步骤(2)中基底材料孔通道3°～11°“斜切角”可由两种方式制作，第一，通过调整激光头入射角度制作；第二，先激光垂直钻孔厚玻璃材料，再使用垫片调整所需角度将厚玻璃材料切割成玻璃薄片基底材料制作；

所述步骤(3)中沉积的氧化物半导体电阻性二次电子发射层，其成分为MgO、ZnO、TiO₂、HfO₂、AZO、ITO、FTO等一种或几种与Al₂O₃组合。

本发明的目的之二在于提供一种阵列微通道板，所述阵列微通道板通过目的之一所述的制作方法得到。

本发明所述微通道板结构特性参数如下，板厚度为0.05～4mm，微通道内径为1～50μm，微通道长径比为10/1～100/1，微通道孔间距为1.2～51μm，微通道“斜切角”为0°～10°。

本发明所述的阵列微通道板具有通道孔径和孔间距可调、倍增成像鉴别率高、电子增益可调、探测量子效率高、暗电流噪声低、动态范围大能提升微光像增强器性能等优点。

本发明的目的之三在于提供一种如目的之二所述阵列微通道板的用途，所述微通道板应用于光电子像增强器领域、光子计数器领域、光电倍增管领域、阴极射线管领域、信号存贮管领域、电视摄像管领域以及电子、离子、X线、紫外线、高能(α、β、γ)射线等辐射探测领域中的任意一种或至少两种的组合。

本发明所述阵列微通道板是一种典型的电子倍增器，其通道孔径和孔间距可调、倍增成像鉴别率高、电子增益可调、探测量子效率高、暗电流噪声低、动态范围大，能广泛应用在微光像增强器、光电倍增管、质谱仪、光子计数器和辐射探测等领域。本发明制作方法操作简便、环境友好，工艺条件温和、能耗低，成本低廉、产量大，更有利于实际应用。

本发明采用激光钻孔和选择性腐蚀替代传统的“拉丝排屏”工艺加工微通道板所需孔通道阵列基底材料。相比于现行超快激光微加工技术，对于在本发明的厚度为0.05～20mm不含铅玻璃基底材料制作通孔，需要解决的技术问题包括：

(1)微通道板厚度超过目前超快激光微加工深度，而且超快激光微加工所得孔通道结构往往不贯通，铅玻璃基底材料制作通孔，需要优化超快激光波长、功率、聚焦位置，并耦合合适的腐蚀工艺；

(2)微通道板需增加“斜切角”的制作，本发明通过以下两种方法优化：第一，通过调整激光头入射角度制作；第二，先将激光垂直入射厚铅玻璃材料诱导局域改性，再使用垫片调整所需角度将厚铅玻璃材料切割成铅玻璃薄片制作；

(3)超快激光微加工技术受限于其加工材料体系成分简单且固定，需要把握光与物质相互作用机理、引入功率和入射角精细可控的激光加工系统、拓展超快激光微加工技术材料加工体系，达到微通道板材料成分及加工工艺要求与超快激光微加工可加工性的平衡；

(4)微通道板孔通道内壁粗糙度和表面质量要求严格，需要将超快激光微加工技术与本企业成熟的化学腐蚀技术耦合，从玻璃材料特性、溶液特性、腐蚀机理等方面做系统工作，并调整二者工艺适应性；

(5)目标微通道板(结构参数更优)孔通道内径尺寸相较于现行超快激光微加工要小一个数量级，需要从原理正向设计，优选激光光源、细化计算机设计、提高激光加工平台精度，整合并突破超快激光微加工技术达到加工指标要求。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明采用超快激光脉冲入射透明介质材料内部，并与之形成相互作用，形成局域、微细改性通道；采用化学方法选择性腐蚀，放大材料内部改性通道，即可获得玻璃通孔。玻璃通孔内径、孔间距可通过激光加工系统平台调节、更换来实现定制化，进而为提高微通道板成像鉴别率及相关器件产品性能提供物质结构基础；

(2)本发明采用的激光钻孔和选择性腐蚀技术联用，工艺流程简便，可将微通道板制作工艺从劳动力密集型、重型设备密集型的传统生产方式中解放出来，降低成本；

(3)本发明的微通道板倍增成像鉴别率高、电子增益可调、探测量子效率高、暗电流噪声低、动态范围大、能提升微光像增强器性能、用途更广泛等优点。将本发明制作的阵列微通道板应用于微光像增强器中，实现了高品质成像；

(4)本发明制作方法操作简便、环境友好，工艺条件温和、能耗低，成本低廉、产量大，更有利于实际应用。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的阵列微通道板阵列结构的SEM图。

图2为本发明实施例1制得的阵列微通道板薄片横截面的SEM图。

图3为本发明实施例1制得的阵列微通道板应用在微光像增强器中的成像质量图。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

(1)将纯石英材料混合、研磨、冲压、成型、切割、磨抛，制得0.30mm玻璃薄片；

(2)取0.30mm玻璃薄片，置于1064nm光源的超快激光局域诱导装置平台上进行激光钻孔，孔通道圆心距12μm，并调整激光头角度使激光钻孔形成的孔通道轴心线相对于玻璃薄片端面法线“斜切角”为6.5°；

(3)激光钻孔完毕后的样品，依次置于成熟生产线上的HNO₃、HF等溶液中，交替超声腐蚀，制得具有内径9.8μm孔通道结构的阵列基底材料；

(4)利用原子层沉积，在基底材料上制作AZO(铝掺杂氧化锌)电阻层，将导电性差的石英玻璃电阻调小，并继续沉积Al₂O₃二次电子发射层调节其电子增益性能；

(5)将沉积氧化物半导体电阻性二次电子发射层的样品，置于电子束热蒸镀仪中镀制镍铬输入电极、输出电极，得到阵列微通道板，其表面平整光洁、膜层牢固，阵列微通道内径9.8μm、长径比31/1、孔间距12μm、“斜切角”为6.5°。

检测显示，所得阵列微通道板，体电阻266MΩ；800V板压下，电子增益1071；1000V板压下，暗电流<1pA。

本实施例制得的阵列微通道板阵列结构的SEM图如图1所示，由图中可以看出，本实施例得到的阵列微通道板阵列结构形貌规整、圆度高、尺寸均一、排布紧密。

本实施例制得的阵列微通道板薄片横截面的SEM图如图2所示。

本实施例制得的阵列微通道板应用在微光像增强器中的成像质量图如图3所示，点亮后，视场清晰明亮，无暗区、放电、网格条纹。

实施例2

(1)将含少量Cl元素的石英材料混合、研磨、冲压、成型、切割、磨抛，制得0.30mm玻璃薄片；

(2)取0.30mm玻璃薄片，置于1064nm光源的超快激光局域诱导装置平台上进行激光钻孔，孔通道圆心距20μm，并调整激光头角度使激光钻孔形成的孔通道轴心线相对于玻璃薄片端面法线“斜切角”为6.5°；

(3)激光钻孔完毕后的样品，依次置于成熟生产线上的HNO₃、HF等溶液中，交替超声腐蚀，制得具有内径12μm孔通道结构的阵列基底材料；

(4)利用原子层沉积，在基底材料上制作MgO电阻层，将导电性差的石英玻璃电阻调小，并继续沉积Al₂O₃二次电子发射层调节其电子增益性能；

(5)将沉积氧化物半导体电阻性二次电子发射层的样品，置于电子束热蒸镀仪中镀制镍铬输入电极、输出电极，得到阵列微通道板，其表面平整光洁、膜层牢固、无灰尘微粒，阵列微通道内径12μm、长径比25/1、孔间距20μm、“斜切角”为6.5°。

检测显示，所得阵列微通道板，体电阻74MΩ；800V板压下，电子增益3764；1000V板压下，暗电流<1pA。

实施例3

(1)将主要成分SiO₂ 53.60％、ZnO 12.32％、K₂O 16.74％、BaO 6.55％、SrO0.36％、Na₂O 7.39％、Al₂O₃ 0.42％、CeO₂1.25％的耐酸性普通玻璃材料混合、研磨、冲压、成型、切割、磨抛，制得0.30mm玻璃薄片；

(2)取0.30mm玻璃薄片，置于808nm光源的超快激光局域诱导装置平台上进行激光钻孔，孔通道圆心距10μm，并调整激光头角度使激光钻孔形成的孔通道轴心线相对于玻璃薄片端面法线“斜切角”为8°；

(3)激光钻孔完毕后的样品，依次置于成熟生产线上的HNO₃、HF等溶液中，交替超声腐蚀，制得具有内径8.1μm孔通道结构的阵列基底材料；

(4)利用原子层沉积，在基底材料上制作AZO(铝掺杂氧化锌)电阻层，将导电性差的石英玻璃电阻调小，并继续沉积Al₂O₃二次电子发射层调节其电子增益性能；

(5)将沉积氧化物半导体电阻性二次电子发射层的样品，置于电子束热蒸镀仪中镀制镍铬输入电极、输出电极，得到阵列微通道板，其表面平整光洁、均匀，阵列微通道内径8.1μm、长径比37/1、孔间距10μm、“斜切角”为8°。

检测显示，所得阵列微通道板，体电阻141MΩ；800V板压下，电子增益1166；1000V板压下，暗电流<1pA。

实施例4

将实施例1制得的阵列微通道板应用在微光像增强器中，观察其成像质量，测试所制得微光像增强器性能参数。

如图3所示，实施例1制得的阵列微通道板在微光像增强器中实现了点亮成像，视场清晰明亮，无暗区、放电、网格条纹。

经测试，所制得微光像增强器试验管，主要性能参数如下，阴极灵敏度为989μA·lm^-1，分辨力为34，等效背景照度为0.14μlx，信噪比为18.15，品质因数为617。

对比例1

(1)将纯石英材料混合、研磨、冲压、成型、切割，制得0.30mm玻璃薄片；

(2)取1mm玻璃薄片，置于1064nm光源的超快激光局域诱导装置平台上进行激光钻孔，孔通道圆心距12μm，激光垂直于玻璃薄片钻孔；

(3)激光钻孔完毕后的样品，依次置于成熟生产线上的HNO₃、HF等溶液中，交替超声腐蚀，制得具有内径9.8μm孔通道结构的阵列基底材料；

(4)利用原子层沉积，在基底材料上制作AZO(铝掺杂氧化锌)电阻层，将导电性差的石英玻璃电阻调小，并继续沉积Al₂O₃二次电子发射层调节其电子增益性能；

(5)将沉积氧化物半导体电阻性二次电子发射层的样品，置于电子束热蒸镀仪中镀制镍铬输入电极、输出电极，得到阵列微通道板，其表面存在脏点和划痕、膜层破损，阵列微通道内径9.8μm、长径比31/1、孔间距12μm、“斜切角”为0°。

检测显示，所得阵列微通道板，体电阻258MΩ；800V板压下，电子增益1005；1000V板压下，暗电流<1pA。

对比例2

将对比例1制得的阵列微通道板应用在微光像增强器中，观察其成像质量，判断其能否作为成像级微通道板使用。

对比例1制得的阵列微通道板在微光像增强器中点亮后，视场明亮，但出现像星星一样闪烁的放电点，不适合作为成像级微通道板使用。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种阵列微通道板的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将不含铅玻璃原料混合、研磨、冲压、成型、切割，得到玻璃薄片材料；

(2)将所述玻璃薄片材料，先进行激光钻孔，再对激光钻孔得到的孔进行超声化学腐蚀，得到具有孔通道阵列结构的基底材料，包括：

通过激光钻孔得到端面法线相对于孔通道轴心线的斜切角为3°～11°，

所述化学腐蚀采用碱性溶液、酸性溶液或二者的混合溶液进行腐蚀或交替腐蚀；

(3)将所述基底材料沉积上氧化物半导体电阻性二次电子发射层，得到阵列微通道板。

2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(1)所述玻璃薄片厚度为0.05～20mm，其形状为圆形、三角形或多边形。

3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(1)所述玻璃薄片材质为石英玻璃。

4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(2)所述激光钻孔使用的光源为波长在270～1600nm范围内的脉冲激光。

5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，步骤(2)所述基底材料孔通道斜切角通过调整激光头入射角度制作。

6.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，步骤(2)所述基底材料孔通道斜切角通过先激光垂直钻孔厚玻璃材料，再使用垫片调整所需角度将厚玻璃材料切割成玻璃薄片基底材料制作。

7.如权利要求1-6任一项所述的制作方法，其特征在于，步骤(2)所述基底材料厚度为0.05～4mm，所述基底材料孔通道内径为1～50μm，所述基底材料孔通道长径比为10/1～100/1，沿所述基底材料厚度方向上的上述各孔通道中心轴之间的间距为1.2～51μm。

8.一种阵列微通道板，其特征在于，所述阵列微通道板通过权利要求1-6任一项所述的一种阵列微通道板的制作方法得到。

9.一种如权利要求8所述的一种微通道板的用途，其特征在于，所述微通道板应用于光电子像增强器、光子计数器、光电倍增管、质谱仪、阴极射线管、信号存贮管、电视摄像管以及辐射探测领域。

10.一种如权利要求9所述的用途，其特征在于，所述辐射探测领域包括电子、离子、X线、紫外线及高能射线探测。