MCP噪声因子特性研究

李 丹，朱宇峰，赵慧民，张 妮，张太民，李相鑫，郝子恒，黄武军，陈 畅



MCP噪声因子特性研究

李 丹1,2，朱宇峰1,2，赵慧民3，张 妮1,2，张太民1,2，李相鑫1,2，郝子恒1,2，黄武军1,2，陈 畅1,2

（1. 微光夜视技术重点实验室，陕西 西安 710065；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；3. 北方夜视技术股份有限公司南京分 公司，江苏 南京 210006）

微通道板（简称MCP）是决定像增强器信噪比的关重件，MCP的噪声因子是对MCP噪声特性进行评价研究的主要参数。通过对不同材料、不同腐蚀工艺、不同烧氢工艺制备的MCP以及不同工作条件下MCP的噪声因子进行测试分析，研究不同制备工艺、不同工作条件下MCP的噪声特性，最终得出了最优噪声性能的MCP制备工艺和工作条件，结果表明采用B材料，采用混合类腐蚀液腐蚀工艺，尽可能长的烧氢时间，可获得较低噪声因子的MCP，同时适当增加入射电子能量和微通道板工作电压以改善通道板噪声特性，提高像管成像质量，这些研究成果为进一步降低MCP噪声因子提供了理论和工艺指导。

微通道板；噪声因子；MCP；MCP工作条件

0 引言

像增强器的噪声主要取决于MCP的引入而产生的噪声，MCP噪声的影响可以用信噪比来衡量，信噪比为信号与均方根噪声之比[1-3]。在实际应用中，输入通道的电子数也是随机量，它的涨落所产生的噪声为输入噪声。输入信号与输入均方根噪声之比称为输入信噪比。此外，MCP噪声还来自于自身的不完善性和二次电子倍增过程的随机性质，从而形成MCP的输出信噪比。

MCP的输出信噪比可以评价MCP的噪声特性，但该参数既受MCP本身噪声特性的影响，同时又取决于MCP输入信号的信噪比。而MCP的噪声因子可以较科学地评价MCP的噪声特性，MCP的噪声因子为输入信噪比和输出信噪比之比：

式中：F为噪声因子；为信号；为噪声；(/)in为输入信噪比；(/)out为输出信噪比。由于去除了输入信噪比的影响，噪声因子反映了由MCP本身引起的信噪比的降低。

影响MCP噪声因子的因素很多，MCP材料、拉丝、熔压、化学腐蚀、氢还原等制造工艺，以及MCP的工作条件都会影响MCP噪声因子，其中MCP材料、化学腐蚀、氢还原工艺、MCP工作条件是影响MCP噪声因子的关键因素，也是本文着重研究的重点内容。利用MCP噪声因子测试系统对不同材料、不同制备工艺制备的MCP以及不同输入电子能量、不同MCP工作电压条件下MCP噪声因子进行测试与分析，以此分析MCP噪声因子的影响因素，进行微通道板的噪声研究，为低噪声因子、高信噪比的高性能MCP技术提供理论和工艺支撑。

1 不同制备工艺的MCP噪声性能分析

要科学合理地评价MCP的噪声特性，需要有准确稳定的测试条件。试验中MCP噪声因子测试条件为：输入电子束的电流密度为5×10－11A/cm2、电子束输入直径16cm、噪声带宽0～10Hz、电子能量400eV，MCP工作电压800V。具体的测试测试原理和方法如图1所示[4-6]，图1(a)为MCP输出信号测试示意图，通过探测MCP与荧光屏之间的电子信号探测MCP输出信号，图1(b)为MCP输入信号测试示意图，通过探测阴极与MCP之间的电子信号探测MCP输入信号。

图1 MCP输入、输出信号测试示意图

MCP输入信噪比为：

输出信噪比为：

1.1 不同材料MCP噪声因子特性

目前MCP材料有A、B两类，理论认为，不同材料制备的MCP其电子发射层发射离子的扩散程度不同，对MCP离子反馈诱导噪声影响不同，因此需要对不同材料制备的MCP噪声因子进行测试并分析材料对MCP噪声因子影响的具体原因。

本文对不同材料制备的MCP的噪声因子进行测试，测试的通道板类型有BB（A材料，6mm丝径）、BF（B材料，6mm丝径）和BC（A材料，5mm丝径），表1为测试的MCP样品统计表。

表1 不同材料MCP噪声因子测试

由表1测试结果可以看出，B材料制备的MCP其平均噪声因子更小，这是因为B相对A材料，将皮料中的钾、钠等碱金属完全替换为更大离子半径的铷铯碱金属，从理论上讲，更换更大离子半径的铷铯碱金属离子，其自由扩散活化能增大，自由扩散系数减小，尤其是在微通道板的热加工过程中，芯皮料之间的扩散程度减小，腐蚀后通道内壁更平整。另外，更换拥有更大离子半径的铷铯碱金属后，在微通道板使用过程中，由于自由扩散系数降低，碱金属逸出表面的几率变小，进而进一步减小了MCP噪声因子，因此采用B材料代替A材料，可有效降低MCP噪声因子。

1.2 不同腐蚀工艺MCP噪声因子特性

MCP制作过程中，需要用腐蚀剂腐蚀掉芯玻璃，留下完整无缺的微通道板（皮玻璃）通道列阵。经过不同腐蚀工艺后，通道内壁表面形成以Si-O为骨架的多孔沟壑状形貌，这将大大增加了微通道板的比表面积，导致MCP通道内表面、亚表面和体内以物理、化学甚至更为复杂的方式吸附大量的H2O、N2、H2、O2、CO2等气体，在电子撞击时极易分解而形成放气和离子反馈，产生噪声。不同腐蚀工艺对通道内壁沟壑形貌有不同影响，对气体吸附能力也会不同，对MCP噪声产生不同的影响，因此需对不同腐蚀工艺制备的MCP噪声因子进行测试分析，以确定最佳的腐蚀工艺，降低MCP噪声因子。我们对三种不同腐蚀工艺的MCP噪声因子进行了测试，具体结果如表2。

从表2可以看出混合类腐蚀液腐蚀工艺后，MCP噪声因子更小些，分析认为相对酸类腐蚀液和碱类腐蚀液腐蚀工艺处理，混合类腐蚀液腐蚀工艺能够与二氧化硅作用，能够腐蚀内壁二氧化硅，降低MCP通道内壁粗糙度，最终降低了MCP噪声因子。

1.3 不同烧氢工艺MCP噪声因子特性

为了使通道壁上形成具有合适面电阻率的二次电子发射表面，须将腐蚀掉芯的MCP装在还原炉中，通入氢气进行还原。经过在氢气中还原处理，能得到合适的电阻。通道内壁形貌会随着还原状态和还原后的处理不同而不同。通道内壁的形貌，对MCP的离子反馈诱导噪声特性的影响至关重要。离子反馈诱导噪声主要是通道内壁纳米级粗糙起伏的沟壑形貌，它对气体构成强烈的吸附能力，在电子撞击时极易分解而形成放气和离子反馈，为了降低MCP的噪声因子，必须改善粗糙起伏的沟壑形貌。氢还原工艺不同，MCP内壁表面层和还原层形成的各种成分也各异。因此，可通过改变氢还原工艺，既要得到合适的电阻，同时也要使通道壁光滑，降低MCP噪声因子。在烧氢温度一定的情况下，我们通过测试分析不同烧氢时间MCP噪声因子的变化，找到既可以满足电阻的要求又可以得到光滑的通道内壁的氢还原工艺，达到降低MCP噪声因子的目的。

表2 不同腐蚀工艺BF-MCP（B材料）噪声因子测试

表3烧氢试验中1＜2＜3＜4，可以看出烧氢时间越长，噪声因子越小。分析认为造成这种现象的原因主要是，腐蚀后的MCP通道表面有凹凸不平的沟壑形貌，氢还原是在此形貌上进行的，此过程中，还原出的铅原子填充沟壑，烧氢时间越长，铅的浓度深度剖面的最大值接近于表面，就会有更多的铅原子填充沟壑，表面粗糙度降低，噪声因子相应变小。但烧氢时间不能无限延长，为获得低噪声的微通道板，应使通道壁尽量光滑，即要求烧氢时间应尽可能长，同时要兼顾实际情况，控制MCP电阻值在有效范围内，因此MCP制备工艺中烧氢时间需严格控制。

2 不同工作条件下MCP的噪声性能分析

MCP制备工艺对MCP本身的噪声性能有重要影响，但MCP工作状态，工作条件对MCP实际应用中的噪声性能亦有极其重要的影响，其中MCP输入电子能量和MCP工作电压是主要的工作参数，因此接下来实验从这两方面研究不同工作条件下MCP的噪声性能。本实验选定BC微通道板作为本实验待测微通道板，通过改变电子枪灯丝电压改变输入电子能量，通道板工作电压则可以通过高压电源直接改变。

表3 采用不同烧氢时间的BF-MCP（B材料）噪声因子测试结果

2.1 输入电子能量对MCP噪声特性的影响

微通道板电压800V，荧光屏电压1000V，调整改变灯丝电压，在输入电子能量分别100eV、200eV、300eV、400eV、500eV、600eV、700eV时，对MCP的输出噪声特性进行了测试，所得结果如下：图2为不同输入电子能量下的输出信噪比变化曲线，图3为不同输入电子能量下的输出信号、噪声和信噪比变化率曲线。

图2 不同输入电子能量下的输出信噪比变化曲线

根据实验数据，随着入射电子能量增加，输出信噪比逐渐增大，但是从变化的速率上看，随着入射电子能量增加，信号增加速率要大于噪声信号增加速率，因此使得信噪比稳步上升。这是由于电子枪与微通道板之间电压增加，使得信号输入电子能量增加，进入微通道板输入端后，会有更多的电子有足够的能量产生二次电子发射效应，使得信号倍增速率大幅度提高；同时微通道板引入的噪声信号中，只有电子散射噪声随着该电压增大而增加，使撞击通道间隙而散射的电子也同样加速获得更大的能量和倍增效应，因此噪声信号也有一定幅度的提高。当电子枪电压增加到一定程度后，信号和噪声的增加速度都趋近于饱和，多数的电子都会具有足够的能量在第一次撞击通道壁时就能够激发二次电子[7]。

图3 不同输入电子能量下的信号、噪声和信噪比变化率曲线

2.2 MCP工作电压对MCP噪声特性的影响

选取电子枪灯丝电压为400V，改变MCP工作电压，MCP输出端与荧光屏之间保持固定电压差值，所得数据如下：图4为不同微通道板工作电压下的输出信噪比变化曲线，图5为不同微通道板工作电压下的输出噪声、信号及信噪比的变化率曲线。

图4 不同微通道板工作电压下的信噪比变化曲线

随着微通道板工作电压增大，输出信噪比也有相对较小幅度的提高，分析可知，由于微通道板电压增大，电子进入通道后能量增加较快，产生的二次电子在电场作用下加速也更快，信号倍增效率提高，但同时引入的电子散射噪声和光子散射噪声，暗背景噪声等噪声信号在通道内也同样倍增。离子反馈噪声在板压增加的情况下会增大，由于微通道板经过了电子清刷处理和烘烤除气，管壁内残余气体产生的离子反馈对信号影响相对较小，提高通道板电压可使信号的探测效率提高，从而小幅度地提高微通道板的输出信噪比。

3 结论

1）不同材料、不同腐蚀工艺和不同烧氢工艺对MCP噪声因子有很大影响，B相对A材料噪声因子降低；腐蚀工艺中相对II类腐蚀液和III类腐蚀液腐蚀工艺，经过能够与二氧化硅作用的的I类腐蚀后，MCP通道内壁粗糙度有效降低，同时MCP噪声因子降低；在保证MCP体电阻合适的前提下，增加烧氢时间可降低MCP噪声因子。

图5 不同微通道板工作电压下的输出噪声、信号及信噪比的变化率曲线

2）随着入射电子能量增加，微通道板输出信噪比逐渐增加；随着微通道板工作电压增加，微通道板输出信噪比也略有增大。输出信噪比增大可以改善通道板噪声特性，提高像管成像质量，但是过高的提高通道板工作电压会降低通道板使用寿命，随着入射电子能量增加，反馈离子的能量会增强，对阴极铯氧层的破坏会更加严重，直接影响阴极工作寿命。因此在提高像增强器的整体性能过程中，需要综合考虑各方面因素，选择MCP合适的工作条件以保证像管性能最佳。

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Research on Noise Factor Characteristic of Micro-channel Plate

LI Dan1,2，ZHU Yufeng1,2，ZHAO Huimin3，ZHANG Ni1,2，ZHANG Taimin1,2，LI Xiangxin1,2，HAO Ziheng1,2，HUANG Wujun1,2，CHEN Chang1,2

(1.2.650223,3.210006,

Micro-channel plate (MCP) is one of the key components of low light level image intensifier, for which the noise mainly includes ion-feedback induced noise, fixed figure noise, background noise, electron scattering noise and random noise. The main parameter which evaluates the noise characteristic of MCP is the noise factor. This study measured the noise factor of MCP for different materials, preparation processes, incident electrons and MCP voltages. The results provided a comprehensive know ledge of MCP noise under different preparation processes and working conditions, which can provide theoretical and technical guidance for noise factor reduction and noise characteristic improvement.

micro-channel plate (MCP)，noise factor，preparation process of MCP，working conditions of MCP

TN223

A

1001-8891(2017)11-1066-05

2016-09-13；

2017-07-17.

李丹（1986-），女，工程师，现主要从事电子真空成像器件方面的研究，E-mail：woshihaolidan@163.com。