CN117423601A - 一种高增益微通道板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高增益微通道板(1)，其由多个微通道主体(2)组成，其中，每个所述微通道主体(2)包括：微通道壁(3)；微通道(4)，其由所述微通道壁(3)形成，用于提供电子倍增空间；以及微通道异形口(5)其用于收集电子，所述微通道异形口(5)的管壁相对于所述微通道(4)的管口倾斜。本发明的高增益微通道板(1)在同等外界条件下，可以获得更高的增益，并且其制备过程更简单。
Description
技术领域
本发明涉及光电领域，更具体地涉及一种高增益微通道板及其制备方法。
背景技术
微通道板(MCP)是一块通道内壁具有良好二次电子发射性能的微细空心通道玻璃纤维板，其由上百万根紧密排列的空心通道管组成的薄板，广泛用于微光像增强器、光子探测器、光电倍增管和空间粒子探测等领域。其工作原理为粒子轰击微通道板的内壁时，将产生二次电子。二次电子被微通道板两端施加的电压加速，再次轰击微通道板内壁，从而形成更多二次电子。这一过程在微通道板内重复多次，在其出口端形成大量的倍增电子。这样，每一个通道就是一个光电倍增管，可以得到上万倍的电流增益，而整个微通道板就可以将微光图像变成高亮度、高清晰度图像了。
增益，也称为放大系数，是微通道板的一个重要性能指标，增益大小以及电子倍增过程中信噪比分布特性对光子探测器的成像具有很大影响，微通道板的输出电流与输入电流之比为MPC的增益。
为了达到特别高的效果，现有技术中经常使用两个或三个微通道板的组合，这些微通道板是面对面安装的(但通常没有关于开口的对齐)，并且是串联电连接的(在板的接口处没有金属涂层)。与简单地使用具有相应较长通道的单个微通道板相比，其性能可以大大改善，这主要是因为向后移动的正离子大多在板之间的接口处被阻止。因此，人们可以在没有过多噪音的情况下获得更高的增益。但是该方法需要使用更多的微通道板。
现有技术中还提出了通过在微通道板表面镀制膜层提高增益，这种方式是在微通道板表面镀制一层氧化硅、氧化钛和氧化铝薄膜，但由于这种膜不具备导电作用，因此还需要在外层镀制镍铬膜材。在微通道板表面镀制多层膜材会造成微通道板表面砂面现象，而且膜层疏松在后续工艺处理后板面出现问题的比例大大提高。
此外，现有技术中，为了提高增益特性，也会通过提高电压值，但是过高的电压值也会带来成本以及过高电压带来的离子反馈效应引起的噪声问题。
因此，现有技术中存在如下问题：
1、综合孔径更小、噪声因子要低、高增益、长寿命、容易除气等几个方面，每一个参数小的改动，往往都会涉及到一系列的参数的改变。比如噪声因子是评价放大器放大性能的一个重要指标，这一个参数的改进就涉及到孔径、开口面积比、玻璃壁厚等多个参数的控制，而且有些参数之间还互为矛盾关系，所以特别难处理，因此难以获得高增益。
2、现有技术中的微通道板的微管道是直筒型，在相同电压的条件下，其效率低。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种高增益微通道板及其制备方法。
根据本发明的第一方面，提供一种高增益微通道板，其由多个微通道主体(2)组成，其中，每个所述微通道主体(2)包括：
微通道壁(3)；
微通道(4)，其由所述微通道壁(3)形成，用于提供电子倍增空间；以及
微通道异形口(5)，用于收集电子，所述微通道异形口(5)的管壁相对于所述微通道(4)的管口倾斜。
优选的，所述微通道异形口(5)的管壁相对于所述微通道(4)的管口的夹角为87.3°。
优选的，所述微通道异形口(5)的管壁相对于所述微通道(4)的管口的夹角为83.2°。
优选的，所述微通道异形口(5)的管壁沿径向的变化长度为13.5um。
根据本发明的第二方面，提供一种具有高增益微通道板的装置(6)，其包括：
本发明第一方面所述的高增益微通道板(1)，用于对所述微通道异形口(5)收集的电子进行倍增；
离子源(7)，用于提供离子束流；
电子输入端(8)，用于输入电子；
输入电极(9)，其与所述离子源的阴极连接；
导电层(10)，用于实现环形电场；
输出电极(11)，其与所述离子源的阳极连接；以及
电子输出端(12)，用于输出倍增后的电子。
根据本发明的第三方面，提供一种高增益微通道板的制备方法，其包括：
利用可溶性玻璃芯方法制备在轴向上直径相同的微通道板(13)；以及
利用反应离子束刻蚀系统(14)在所述微通道板(13)上制备具有微通道板异型口(5)的高增益微通道板(1)。
优选的，所述用反应离子束刻蚀系统(14)在所述微通道板(13)上制备具有微通道板异型口(5)的高增益微通道板(1)，包括：
通过传输系统将所述微通道板(13)传入所述反应离子束刻蚀系统14的刻蚀腔体(17)内，并利用载物台(15)和压环(16)固定；
将所述载物台(15)调整到与反应离子束成65度角，在离子源20的阴极施加1000V的电压提供离子束流160mA，在栅极施加200V的加速电压提供离子束能量，对中和器(19)施加120V的电压来中和影响所述反应离子束加速的电荷，将进入离子源20的氩离子束源的参数设定流量为24sccm；以及
通过所述反应离子束物理轰击旋转的所述载物台(15)，经过30min，获取包含有所述微通道板异型口(5)的高增益微通道板(1)。
本发明的高增益微通道板在同等外界条件下，可以获得更高的增益，并且其制备过程更简单。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明一实施例提供的高增益微通道板的剖面示意图；
图2为根据本发明一实施例提供的高增益微通道板的立体示意图；
图3为根据本发明一实施例提供的具有微通道异形口的单个微通道剖面示意图；
图4为根据本发明一实施例的应用高增益微通道板的装置工作原理图；以及
图5为根据本发明一实施例提供的通过利用反应离子束刻蚀系统对微通道板进行刻蚀获取高增益微通道板的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如背景技术所述，传统的微通道板的微管道是直筒型，在相同电压的条件下其效率低、参数之间的调节互为矛盾关系难以获得高增益问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种高增益微通道板1，以下结合附图详细说明本发明，请参见图1和图2，图1为根据本发明一实施例提供的高增益微通道板的剖面示意图；图2为根据本发明一实施例提供的高增益微通道板的立体示意图；该高增益微通道板1由多个微通道主体2组成。请参见图3，图3为根据本发明一实施例提供的具有微通道异形口的单个微通道剖面示意图，每个微通道主体2包括微通道壁3、微通道4、微通道异形口5，其中，微通道4由所述微通道壁3形成，用于提供电子倍增空间，微通道异形口5用于收集电子。本发明的高增益微通道板在同等外界条件下，可以获得更高的增益，并且其制备过程更简单。
在一些实施方案中，微通道异形口5是一个向外侧倾斜的开口，使整个微通道不再呈直通型，而是一个类似“漏斗”形状。发明人惊讶地发现，微通道异形口5能够显著地提高倍增电子的增益值，特别是当微通道异形口5的管壁相对于所述微通道4的管口夹角为87.3°或者83.2°时，均能使增益值达到6020。
在一些实施方案中，通过对比实验，当获得6020的高增益值时，实验效果最好。
表1为截取的部分对比实验结果：
| 板号 | RIBE工艺-刻蚀时间 | RIBE工艺-刻蚀角度 | 增益值 |
| 1 | 30min | 45° | 3540 |
| 2 | 30min | 55° | 3840 |
| 3 | 30min | 65° | 6020 |
| 4 | 30min | 75° | 4380 |
| 5 | 30min | 85° | 3500 |
表1
在一些实施方案中，参照上表，通过对比实验，当向控制反应离子束刻蚀系统14的控制装置输入的参数同时满足：Ar(氩离子)流量为24ccm、刻蚀角度为65°、离子束流为160mA、刻蚀能量为100、加速电压为200V时，此时获得的增益值是最高的6020，该微通道异形口5的管壁相对于所述微通道4的管口夹角为87.3°或83.2°。刻蚀角度为载物台15与反应离子束的角度。并且，当该微通道异形口5的管壁相对于所述微通道4的管口夹角87.3°和83.2°时，测得的微通道异形口5的管壁沿径向的变化长度为13.5um，即图3中AB之间的距离。
如图4根据本发明一实施例提供的应用高增益微通道板的装置工作原理图；该装置用于产生大量倍增的电子，其包括本发明的高增益微通道板1、离子源7、电子输入端8、输入电极9、导电层10、输出电极11、电子输出端12，其中，离子源7为电源，用于提供离子束流，待倍增的电子从电子输入端8输入，倍增后的电子从电子输出端12输出。高增益微通道板1是由数百万个微小通道电子倍增器组成的二维电子倍增列阵，是对二维空间分布的电子流进行多次倍增的元件。其工作原理为用电子轰击微通道板的内壁时，将产生二次电子。二次电子被微通道板两端施加的电压加速，再次轰击微通道板内壁，从而形成更多二次电子。这一过程在微通道板内重复多次，在其出口端形成大量倍增的输出电子。
图5为根据本发明一实施例提供的通过利用反应离子束刻蚀系统14对微通道板13进行刻蚀获取高增益微通道板1的示意图。请参见附图5，本发明的高增益微通道板1的制备方法包括：
利用可溶性玻璃芯方法制作制备在轴向上直径相同的微通道板13；以及
利用反应离子束刻蚀系统14在传统微通道板13上制备具有微通道板异型口3的本发明高增益微通道板1。
在一些实施方案中，用可溶性玻璃芯方法制作的微通道板13，芯料玻璃在加工过程中仅起支撑作用，芯料的去除即腐蚀芯料工艺是微通道板制作的关键，通常是将抛光好并洗净的微通道板半成品浸入溶解芯料玻璃的腐蚀剂内，腐蚀出芯料玻璃，留下完整无损的微通道玻璃(皮玻璃)通道阵列，即完成微通道板13的制作。
在一些实施方案中，制备本发明的包含有微通道板异型口3的高增益微通道板1的方法包括：
通过传输系统将微通道板13传入反应离子束刻蚀系统14的刻蚀腔体17内，并利用载物台15和压环16固定；
将载物台15调整到与反应离子束成65度角，在离子源20的阴极施加1000V的电压提供离子束流160mA，在栅极施加200V的加速电压提供离子束能量，对中和器19施加120V的电压来中和影响所述反应离子束加速的电荷，将进入所述离子源20的氩离子束源的参数值设定流量为24sccm；以及
通过反应离子束物理轰击旋转的所述载物台15，经过30min，获取包含有微通道板异型口5的高增益微通道板1，并且该微通道异形口5的管壁相对于所述微通道4的管口夹角87.3°和83.2°，测得的微通道异形口5的管壁沿径向的变化长度为13.5um。
在一些实施方案中，利用反应离子束刻蚀系统来制备高增益的扩口微通道板时，由于反应离子束刻蚀系统搭载传输系统，所以待被刻蚀的微通道板13自动传入刻蚀腔体17内，并且在载物台15和压环16的共同作用下固定。
在一些实施方案中，由于最初刻蚀的时候160mA的束流是不稳定的，此时需要用挡板18遮盖住微通道板，等到160mA的束流稳定的时候，再打开挡板。
需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (7)
1.一种高增益微通道板(1)，其由多个微通道主体(2)组成，其中，
每个所述微通道主体(2)包括：
微通道壁(3)；
微通道(4)，其由所述微通道壁(3)形成，用于提供电子倍增空间；以及
微通道异形口(5)，用于收集电子，所述微通道异形口(5)的管壁相对于所述微通道(4)的管口倾斜。
2.根据权利要求1所述的高增益微通道板，其中，所述微通道异形口(5)的管壁相对于所述微通道(4)的管口的夹角为87.3°。
3.根据权利要求1所述的高增益微通道板，其中，所述微通道异形口(5)的管壁相对于所述微通道(4)的管口的夹角为83.2°。
4.根据权利要求1所述的高增益微通道板，其中，所述微通道异形口(5)的管壁沿径向的变化长度为13.5um。
5.一种具有高增益微通道板的装置(6)，其包括：
如权利要求1所述的高增益微通道板(1)，用于对所述微通道异形口(5)收集的电子进行倍增；
离子源(7)，用于提供离子束流；
电子输入端(8)，用于输入电子；
输入电极(9)，其与所述离子源的阴极连接；
导电层(10)，用于实现环形电场；
输出电极(11)，其与所述离子源的阳极连接；以及
电子输出端(12)，用于输出倍增后的电子。
6.一种高增益微通道板的制备方法，其包括：
利用可溶性玻璃芯方法制备在轴向上直径相同的微通道板(13)；以及
利用反应离子束刻蚀系统(14)在所述微通道板(13)上制备具有微通道板异型口(5)的高增益微通道板(1)。
7.根据权利要求6所述的高增益微通道板的制备方法，其中，所述用反应离子束刻蚀系统(14)在所述微通道板(13)上制备具有微通道板异型口(5)的高增益微通道板(1)，包括：
通过传输系统将所述微通道板(13)传入所述反应离子束刻蚀系统14的刻蚀腔体(17)内，并利用载物台(15)和压环(16)固定；
将所述载物台(15)调整到与反应离子束成65度角，在离子源(20)的阴极施加1000V的电压提供离子束流160mA，在栅极施加200V的加速电压提供离子束能量，对中和器(19)施加120V的电压来中和影响所述反应离子束加速的电荷，将进入所述离子源(20)的氩离子束源的参数设定流量为24sccm；以及
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