CN1717770A - 具有带深漏斗和/或阶梯状漏斗开口的微通道的微通道板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于图像增强管的微通道板，其中该板具有沿纵向尺寸在微通道板的横向表面之间延伸的多个微通道。每一微通道包括形成邻近该微通道板的表面的第一开口的第一部分。该第一部分包括一壁，该壁从该表面开始纵向延伸并终止于一位于远端处的基本相同的第一开口。该微通道还包括第二部分，其包括从位于远端处的第一开口开始纵向延伸并朝着一位于更远端处的第二开口逐渐缩窄的壁。位于近端处的第一开口的直径与位于远端处的第一开口的直径基本相同。第一开口比第二开口宽。

Description

具有带深漏斗和/或阶梯状漏斗开口的微通道的微通道板 及其制造方法
技术领域
本发明总体上涉及一种用于图像增强管中的微通道板，特别是涉及一种具有微通道的微通道板，该微通道带有深漏斗状开口和/或阶梯漏斗状开口。
背景技术
图像增强管用于夜晚/低光照场合中用以将环境光放大成有用的图像。典型的图像增强管是一真空装置，它大致呈圆筒形，并且通常包括主体、光电阴极和面板、微通道板(MCP)和输出光学仪器以及荧光屏。输入的光子通过外部光学仪器被聚焦在玻璃面板上，并且撞击在结合于面板的内表面上的光电阴极上。光电阴极将光子转化成电子，该电子在电场的作用下向着MCP加速。MCP具有许多微通道，每一微通道作为一独立的电子放大器，并且基本上与CRT的象素对应。从MCP发射的电子流激发该荧光屏并且由此产生的可视图像穿过输出光学仪器到达任何附加外部光学仪器。该主体使这些元件保持精确对准，并提供电连接，同时还形成真空封装。
微通道板由大量玻璃纤维熔合而成，每一微通道板具有可被酸腐蚀的芯体和耐酸覆层。该熔合形成一实心棒或台基。通过将台基进行横向切片形成单独的板，然后这些板被抛光并进行光学蚀刻。首先将MCP进行盐酸浴，将可被酸腐蚀的芯棒去除(去芯)，接着通过对其进行热氢氧化钠浸浴，以将可动碱性金属离子从覆层上去除。然后，用还原气体将该MCP活化并且准备将其插入到图像管中。
微通道板包括许多微通道，这些微通道通常呈圆柱形并与垂直于MCP表面的平面成0-20度。组合在一起的通道面积与MCP的整个活性面积之比被称作开口面积比(OAR)。芯棒面积与酸腐蚀之前的整个面积之比大约为45％。MCP的酸腐蚀将芯棒去除(去芯)并实现了45％的OAR。氢氧化钠沥滤步骤进一步将OAR增大到大约60％。
传统的MCP具有降质的输出图像。即，输出图像不是输入图像的精确复制。输出图像效果的下降是由很多因素造成的。例如，图像增强管具有由MCP内的微通道的间距和图像增强管的各部件之间的分隔距离确定的最大分辨率。实际结果(净效应)是造成了轻微焦点失调的情况，而这种情况降低了观察者区分图像细节的能力。
来自除阴极之外的各种来源并不与输入图像对应的杂散电子也可进入到微通道板中并被放大。这些乱真/虚假电子的放大系数与图像电子的放大系数相同，从而导致了表现为图像中的忽隐忽现的点的图像噪声。
此外，入射的图像电子可能会在两个MCP通道之间撞击并且朝着阴极被反射回去。这种电子可能最终进入到MCP通道中从其原点开始的一定距离处。这种电子可能会被放大，但是屏幕上的生成点不会与输入图像对应。当输入图像包括亮点时，这种结果会被观察到，并且在输出图像中显示为晕圈。该晕圈受到阴极与MCP之间的间距以及MCP的通道几何尺寸影响。
一种改进MCP特性的方案是增加开口面积比。较高的开口面积比是理想的，但是不利的是，具有平行表面的MCP被限制为开口面积比大约为65％，因此需要足够的玻璃来保持结构的一体性。
2001年10月30日授予Rosine(本发明的发明者之一)的美国专利No.6,311,001披露了一种方法，这种方法在增加MCP的开口面积比的同时，通过采用漏斗形通道来保持其结构的整体性。这里以整体引用的方式将该美国专利No.6,311,001引入。
如前述专利所述，采用将大量玻璃纤维熔合成实心棒来形成改进的MCP，其中每一纤维具有可被酸腐蚀的芯体和耐酸覆层。然后将该棒横向切片成单块板并对此板进行抛光。然后采用碱性材料对MCP进行部分化学蚀刻。接下来对MCP进行酸浴，以将芯体去除，然后通过热的强碱浴将玻璃上的额外耐酸覆层去掉。由此便在MCP中形成了具有漏斗形开口端的微通道。
参考图1，该图与前述专利的图1类似，其示出了MCP 10的剖视图。如图所示，MCP 10包括输入侧12、输出侧14和多个带有漏斗形开口18的微通道16，该微通道在MCP的输入侧12和输出侧14之间延伸。微通道开口可以仅在MCP 10的输入侧12处呈漏斗状，或者仅在MCP 10的输出侧14处呈漏斗状，或者在MCP 10的输入侧和输出侧均呈漏斗状(如图所示)。通道壁19具有管状结构并形成每一微通道。通道壁19也将一微通道与另一微通道分隔。
如图2所示，通道壁19包括一个部分或区域，该部分或区域在输入侧12处从每一微通道16的纵向中心向外发散，以形成漏斗状开口(输出侧14未示出)。这样，如图所示，位于输入侧处的漏斗状开口18的直径大于更深地进入到MCP 10内的微通道16的另一部分的直径。该呈漏斗状的壁发散通常发生在从MCP的表面开始的一个通道直径的范围内。
然而，发明人已经注意到，漏斗状开口18的区域涂覆有用于通道电连接的金属22。涂覆的金属22倾向于吸收入射电子而不产生二次电子。由于金属涂层的产生，漏斗状通道的电子收集效率被有效压制。输入电子收集效率的降低也通过降低了其信噪比而使得图像加强管的性能降低。
因此，仍然需要一种改进的MCP，该MCP能够克服由于漏斗状开口的金属化所带来的缺点。本发明旨在满足这种需要。
发明内容
为了满足这些或其它需要并考虑到其目的，本发明提供一种用于图像增强管的改进微通道板。该微通道板包括沿纵向尺寸在微通道板的横向表面之间延伸的多个微通道。每一微通道包括第一部分，其形成邻近该微通道板的表面的第一开口。该第一部分包括一壁，该壁从该表面开始纵向延伸并终止于位于一远端处的基本相同的第一开口。该微通道还包括该壁的第二部分，其从位于该远端处的第一开口开始纵向延伸并朝着位于一更远端处的第二开口逐渐缩窄。位于近端处的第一开口的直径与位于远端处的第一开口的直径基本相同。第一开口比第二开口更宽。
该壁的第一部分基本上呈圆柱形并包括位于该板的表面处的第一开口以及位于远端处的第一开口。该壁的第二部分呈圆锥形，其从该第一开口向着该第二开口逐渐缩窄。
该壁的第一部分包括在位于该板的表面处的第一开口和位于远端处的第一开口之间的一段长度，该长度为第一开口的直径的1-10倍。该壁的第二部分包括在位于远端的第一开口和第二开口之间的一段长度，该长度为第一开口的直径的1/4-1/3倍。
在另一实施例中，该微通道包括该壁的第三部分，它从该第二开口朝着位于更远端的第三开口纵向延伸。第二开口和第三开口具有基本相同的横截面直径。
在又一实施例中，该微通道包括该壁的第四部分，其从该第三开口开始纵向延伸并朝着位于更远端处的第四开口逐渐缩窄。第四开口具有比第三开口小的横截面直径。
本发明还包括用于制造图像增强管的微通道板的方法。
应当理解，前面的概略说明和下面的详细说明均是示范性的，而不是对本发明的限制。
附图说明
从下面结合附图所作的详细说明中可以更好地理解本发明。这些附图包括：
图1A为传统微通道板的剖视图；
图1B为本发明的一实施例的微通道板的剖视图；
图2为图1A的微通道板的一部分的剖视图，示出了位于形成微通道的壁的漏斗形区域上的金属化覆盖层；
图3A-3C为本发明的两个实施例与一呈基本漏斗状的传统微通道的剖视图，为便于比较，其分别示出了并排布置的一部分微通道；
图4为电子显微图，其示出了根据本发明的一实施例在每一微通道内采用深漏斗的一部分微通道板的剖面；以及
图5为电子显微图，其示出了根据本发明的另一实施例在每一微通道内采用阶梯状漏斗的一部分微通道板的剖面。
具体实施方式
根据本发明，具有深漏斗状开口和/或阶梯漏斗状开口的微通道板(MCP)克服了由于位于输入侧或输出侧的暴露微通道的金属化所带来的缺陷。通过将漏斗更深入地移到MCP微通道内(或更远离输入/输出侧)，MCP的性能被提高，并且不会由于任何金属化过程造成性能下降。由于可能位于相同直径的完全笔直的通道内，入射电子不易于碰到位于深漏斗通道内的金属涂层。
另外，虽然深漏斗状通道具有比非漏斗状通道或基本漏斗状通道(在美国专利US 6,311,001中披露的基本漏斗)更宽的直径，该深漏斗状通道沿着其长度的大部分(例如其长度的90％)均保持有充足的壁厚，并且为MCP提供了足够的强度和刚度。
参照图1B，它示出了根据本发明的一实施例的MCP 20的剖视图。图1B示出了在输入侧12(电子接收侧)和输出侧14(电子释放侧)之间延伸的微通道14。每一微通道壁26呈管状结构并形成每个微通道24。该微通道壁还将微通道彼此分隔。
如图所示，通道壁26基本上呈圆筒形，从输入侧到输出侧形成连续的开口。正如将要进行说明的，微通道24可以包括仅仅位于输入侧、输出侧或者同时位于输入和输出侧(正如图示那样)的多个部分或区域22。如图1B所示的多个部分或区域并没有按照比例示出，而是为了便于讨论而被放大。正如所述的那样，这些区域与图1A中的传统漏斗状开口相比提供了很大的进步。根据本发明的实施例，这些区域形成深漏斗和/或阶梯状漏斗。
现在参照图3A-3C，示出了形成于MCP内的不同微通道。特别是，MCP 30包括微通道37(图3A)，MCP 31包括微通道38(图3B)，并且MCP 32包括微通道39(图3C)。应当理解，这里仅仅示出了微通道37、38和39的输入侧。类似形状的微通道也可位于每一MCP的输出侧。
图3C示出了微通道39，它包括直管状壁36(非漏斗)，其有效直径为D微米。图中还示出了金属化覆盖层33，它可邻近MCP 32的输入侧被沉积。虚线表示撞击在管状壁36的内表面上的金属化沉积物形成的路径。
图3B示出了微通道38，它包括具有漏斗形区域40(基本漏斗)的直管状壁35。微通道38具有比微通道39的有效直径宽的有效直径(例如为1.1048D)。还示出了沉积在漏斗状区域40上的金属化覆盖层33(虚线表示)。
图3A示出了MCP 30，它包括根据本发明的一实施例的深漏斗。如图所示，MCP 30包括具有管状壁34的微通道37。在MCP 30的输入侧处，壁34包括上部直壁区域或部分42(第一部分)、漏斗状区域或部分41(第二部分)以及下部直壁区域或部分45(第三部分)。微通道37具有比基本漏斗的有效直径宽的有效直径(例如为1.2092D)。可以看到，深漏斗状通道的有效直径比相同物理通道开口尺寸的基本漏斗宽。还示出了沉积在上部直壁区域42上的金属化覆盖层33。
现在参照图4，示出了MCP 30，它包括深漏斗状微通道37(在输入侧处)。深漏斗状微通道包括上部(近端)直壁部分42(第一部分)、漏斗状部分41(第二部分)和下部(远端)直壁部分45(第三部分)。上部(近端)直壁部分具有最大的直径，下部(远端)直壁部分具有较窄的直径。应当理解，这些部分颠倒地位于MCP 30的输出侧处(未示出)。
上部直壁部分以通道直径的1-10倍的长度延伸至微通道内。该部分具有沉积于其上的金属化部分(如33所示)。该部分的深度可以根据加工时间进行选择。
漏斗状部分的长度为通道直径的1/4-1/3倍，并且形成从较大直径到较小直径的过渡。如果该部分位于电子撞击区域中，则它还有利于以较小倾斜冲击角发射二次电子。
漏斗状部分之外的远端是标准的微通道部分。该部分包括直的管状壁并且提供了微通道收集的电子的倍增能力。该远端部分的长度为微通道直径的40-70倍，其为该板提供了结构强度。这些部分可以相反的顺序位于微通道的输出端。
如图4所示(例如)，上部直壁部分的长度为9.18微米，并且漏斗部分的长度为2.23微米。
现在参照图5，它示出了根据本发明的另一实施例形成为阶梯状漏斗几何形状的微通道。如图所示，MCP 50在输入侧包括微通道52。除了壁54包括多个漏斗状部分之外，每一微通道的壁54与图4中所示的壁34的深漏斗几何形状相似。
如图所示，壁54包括第一近端直壁部分55、第二直壁部分57和第三(远端)直壁部分59。漏斗状部分56形成第一直壁部分和第二直壁部分之间的过渡区。在远端处，另一漏斗状区域58形成第二直壁部分和第三直壁部分之间的过渡区。漏斗状通道之间的间隔可根据加工时间选择。
如美国专利No.6,311,001中所讨论的，应当理解，图2-5中所示的微通道相对于从MCP的输入侧投影的垂直轴成3°到20°(典型地为10°)的角度。
在美国专利No.6,311,001中描述的加工MCP的方法在这里被引入以供参考。正如其中所描述的，MCP由两种不同的玻璃组分、即耐酸基质玻璃(覆层)和可被酸腐蚀的芯体玻璃(芯棒)制成。芯棒占据着将变成微通道的空间。该芯棒在化学处理开始时部分地溶解于酸性溶液中。由于此区域内的高化学或机械应力，使得一氢氧化钠沥滤步骤(leachstep)将暴露的芯体/覆层界面浸蚀。对于非漏斗状MCP，氢氧化钠在微通道的整个长度上与接触区域接触并导致通道直径的总体变化。对于基本漏斗状MCP，该接触区域仅仅暴露在通道的端部(由于芯棒仍然就位)，同时锥形漏斗出现在通道的两个终端处。
芯棒开始缓慢地在一端(或两端)溶解。MCP可以在任何时候从此溶液中移去并被冲洗，以停止蚀刻反应，同时保留任何所需量的芯棒。在进行这种部分去芯过程后，氢氧化钠在芯棒已经被去除的每个地方将界面材料从通道中去除，同时以与基本漏斗相同的方式轻微地沿着芯棒对其进行蚀刻。壁的去除量取决于NaOH暴露的时间及其浓度、温度和流速。在将所有剩余的芯棒去除后，便形成了深漏斗状的几何形状。
部分去芯以及沥滤步骤可以被反复执行任何次。每一循环在通道壁内产生一小的中断部分，其深度与去芯时间对应，直径与NaOH的沥滤时间对应。这种多重循环的加工形成了阶梯状漏斗。
MCP加工领域中的普通技术人员可以对这些参数中的一个或多个进行调整，以使该漏斗化过程加工出具有所需特征的MCP。
与加工基本漏斗类似，深漏斗的加工自然地在通道的输入和输出端对称地进行。非对称通道端部(例如，需要在输出端进行电子聚焦)可能是有利的。其可以在进行漏斗加工的过程中将MCP的每一面掩蔽并采用不同的漏斗加工时间来获得。掩蔽可采用O形密封环、光致抗蚀剂、电镀带、蜡等进行。
虽然已经参照特定的实施例进行了图示和说明，但是这并不意味着将本发明限制于这些细节中。相反，在权利要求的等同范围内并在不偏离本发明的精神的情况下可对这些细节进行各种变型。例如，如果玻璃系统在芯体/覆层界面处具有应力场，则任何微通道板均可以形成有深漏斗和/或阶梯状漏斗。

Claims (20)

1.一种用于图像增强管的微通道板，其中该板包括沿纵向尺寸在该板的横向表面之间延伸的多个微通道，该微通道包括：
第一部分，其形成邻近该微通道板的表面的第一开口，该第一部分包括一壁，该壁从该表面开始纵向延伸并终止于一位于远端处的基本相同的第一开口，以及
第二部分，其包括从位于远端处的第一开口开始纵向延伸并朝着一位于更远端处的第二开口逐渐缩窄的壁，
其中该第一开口比该第二开口宽。
2.如权利要求1所述的微通道板，其特征在于，该第一开口比该第二开口宽。
3.如权利要求1所述的微通道板，其特征在于，该第一部分基本上呈圆柱形，并包括位于该板的表面处的第一开口以及位于该远端处并具有基本相同直径的第一开口，以及
该第二部分呈圆锥形，并从该第一开口向着该第二开口逐渐缩窄。
4.如权利要求1所述的微通道板，其特征在于，该板的表面包括用于通过该微通道接收和排出电子的输入表面和输出表面，以及
该第一部分形成于该输入表面和该输出表面中的至少一个的附近。
5.如权利要求1所述的微通道板，其特征在于，该壁由玻璃纤维覆层形成，以及
该第一开口和该第二开口通过将该覆层部分地去除而形成。
6.如权利要求1所述的微通道板，其特征在于，在位于该板的表面处的第一开口和位于该远端处的第一开口之间的该第一部分的长度为该第一开口的直径的1-10倍，以及
位于该第一开口和该第二开口之间的该第二部分的长度为该第一开口的直径的1/4-1/3倍。
7.如权利要求1所述的微通道板，其特征在于，该微通道包括：
第三部分，其包括从该第二开口开始朝着一位于更远端的第三开口纵向延伸的壁，该第二开口和该第三开口具有基本相同的横截面尺寸。
8.如权利要求7所述的微通道板，其特征在于，该微通道包括：
第四部分，其包括从该第三开口开始纵向延伸并朝着位于一更远端处的第四开口逐渐缩窄的壁，该第四开口具有比该第三开口小的横截面尺寸。
9.一种用于图像增强管的微通道板，其中该板包括沿纵向尺寸在该板的横向表面之间延伸的多个微通道，该微通道包括：
管状壁，该管状壁纵向延伸，以在该板的横向表面之间形成一连续的开口，该管状壁包括：
邻近该板的表面设置的第一横截面开口、远离该第一横截面设置的第二横截面开口以及远离该第一和第二横截面设置的第三横截面开口，以及
该第一横截面开口和该第二横截面开口具有基本相同的直径，该第三横截面开口的直径小于该第一或第二横截面开口的直径。
10.如权利要求9所述的微通道板，其特征在于，该管状壁包括一漏斗状部分，其在该第二和第三横截面开口之间纵向延伸，以及
该漏斗状部分具有起始于该第二横截面开口处并终止于该第三横截面开口处的连续变窄的横截面开口。
11.如权利要求9所述的微通道板，其特征在于，该管状壁在该第一和第二横截面开口之间基本上呈圆柱形，以及
该管状壁在该第二和第三横截面开口之间基本上呈圆锥形。
12.如权利要求9所述的微通道板，其特征在于，该管状壁包括一远离该第一和第三横截面开口设置的第四横截面开口，以及
该第四横截面开口的直径与该第三横截面开口的直径基本相同。
13.如权利要求12所述的微通道板，其特征在于，该管状壁在该第一和第二横截面开口之间基本上呈圆柱形，
该管状壁在该第二和第三横截面开口之间基本上呈圆锥形，以及
该管状壁在该第三和第四横截面开口之间基本上呈圆柱形。
14.如权利要求9所述的微通道板，其特征在于，该管状壁由玻璃纤维覆层形成，以及
该第一、第二和第三横截面开口通过将该覆层部分去除而形成。
15.一种制造微通道板的方法，该微通道板具有用于接收和释放电子的多个微通道，该方法包括以下步骤：
(a)提供多个玻璃纤维，每一玻璃纤维具有可被酸腐蚀的芯体和耐酸覆层；
(b)将该玻璃纤维形成为一薄板；
(c)以第一预定时间在酸性溶液中溶解该薄板的可被酸腐蚀的芯体的一部分；
(d)以第二预定时间在碱性溶液中沥滤该薄板的耐酸覆层的一部分；以及
(e)改变该第一预定时间和该第二预定时间，以在微通道中形成深漏斗。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(f)在酸性溶液中溶解所述部分后将该薄板移去；
(g)在步骤(f)中将该薄板移去后，立即冲洗该薄板，以停止溶解该可被酸腐蚀的芯体的另一部分。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(h)重复步骤(c)至(f)，以在该微通道内形成阶梯状漏斗。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该溶解步骤包括将该薄板浸浴在一溶液中，该溶液包含从由盐酸、氢氟酸、硝酸、硫酸和其它无机酸构成的组中选择的化合物。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该沥滤步骤包括将该薄板浸浴在一溶液中，该溶液包含从由氢氧化铵、氢氧化钾、氢氧化钠和其它碱金属氢氧化物构成的组中选择的化合物。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该溶解和沥滤步骤包括采用化学稳定带或薄膜将电子接收侧和电子释放侧中的一个掩蔽，以及
溶解和沥滤该薄板的另一侧。
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