紫外微通道板型光电倍增管研制及性能研究

司曙光，金 真，黄国瑞，王兴超，孙建宁，苏德坦，任 玲，徐海洋， 吴 凯，金睦淳，黄之瑶，李 珅，顾 燕，王 宁，石梦瑶，张 成， 曹宜起，王 志，张昊达，汤偲晨

（1.北方夜视技术股份有限公司，江苏 南京 211106；2.微光夜视技术重点实验室，陕西 西安 710065）

0 引言

近年来，紫外探测技术越来越受到人们的重视，是继可见光、红外辐射技术之后又发展起来的一项重要的光电探测技术[1]，紫外线辐射在很多现象中都存在，宇宙空间中太阳辐射、石油和酒精灯燃烧的火焰、气体污染物分子、闪电放电以及高压电力设备的电晕现象等都含有紫外线辐射[2]。由于大气臭氧对波长200 nm～300 nm 的紫外光具有强烈的吸收作用，此区域被称为日盲区[3]，紫外光在大气传输时损耗严重，不利于长距离通信，但对于局域通信和告警系统，紫外光却有极大的优势：紫外波段通信保密性高，紫外光不可见，且通过大气散射方式向四面八方传播信号，因而很难从传播的信号中得到紫外光源的准确信息；紫外探测环境适应性强，具有全天候性，在近地面的日盲区，紫外辐射强度十分微弱，白天和晚上干扰的暗噪声都很小；紫外探测具有全方位的特点，可以以非视距的方式传输信号；紫外探测可实施性、可靠性高，紫外光通信可采用车载式、机载式、舰载式等，故也应用于“神光III”、“紫外通信”、“小弹头”、“025 导弹驱逐舰”等重要军事工程。

紫外探测技术的关键器件为紫外光电倍增管，光电倍增管是一种将极微弱的光信号转化为电信号的真空器件。光电倍增管分为传统打拿极型和微通道板型两种。微通道板型光电倍增管（Microchannel Plate Photomultiplier Tube，MCP-PMT）是一种具有高增益、高分辨、快时间响应、低功耗的新型光电器件。它与打拿式倍增管相比，主要区别在于电子倍增采用的是多单通道列阵排列，厚度仅有0.4 mm 左右的微通道板。因此具有体积小、重量轻、引线少、耐冲击与振动等特点[4]。目前，国外光电倍增管的研制和生产厂商有日本Hamamatsu（滨松）、英国ET、俄罗斯BINP 和MELZ 公司。其中日本滨松产品有紫外微通道板型光电倍增管，代表型号分别是R5916U-53、R3809U-53，光阴极尺寸为φ10 mm，光阴极材料为Cs2Te，倍增结构为两片微通道板，阴极辐射灵敏度30 mA/W@250 nm，增益为2×105，上升时间为0.18 ns 左右。

国内主要的光电倍增管生产厂家有：北方夜视、中国电子科技集团有限公司第五十五研究所（55 所）、北京滨松、北京中核控制系统有限公司（CNCS）、华东电子管厂（741 厂）、海南展创公司和北京高新贝森公司。北京滨松为Hamamatsu 在中国的合资公司，主要生产低端的常规光电倍增管；CNCS 和741厂是生产光电倍增管历史悠久的国有企业，主要生产传统的打拿极型光电倍增管；北京高新贝森公司为一家民企，主要生产一些特种功能的光电倍增管；55 所对光电倍增管的生产，主要是对基于小型近贴聚焦型微通道板型光电倍增管的研制和生产；海南展创光电技术公司是引进法国Photonis 公司生产线的私营企业，主要生产医疗配套用的打拿极型小尺寸光电倍增增管。

国外紫外光电倍增管对中国军事禁运，而国内紫外光电倍增管起步较晚，产品技术性能薄弱，与国外差距巨大，55 所、741 厂具有研制紫外光电倍增管的能力，但目前市场上同类产品主要被日本滨松所垄断，故对紫外光电倍增管的研究迫在眉睫。

北方夜视基于目前国内外的紫外光电倍增管的大背景环境下，自主研发紫外微通道板型光电倍增管（MCP-PMT），并对其单光子特性和时间特性进行研究。

1 研制及测试方法

1.1 产品外形

自主研发的紫外MCP-PMT 如图1 所示。

其中进光方式为端窗式；光窗材料为MgF2；阴极为Cs2Te；微通道板数量为两片叠加；金属片作为阳极信号接收极。

1.2 分压器

紫外MCP-PMT 可以使用分压器对各电极进行电压加载，也可以使用高压电源对单个电极加载电压，本文采用高压电源加分压器的方式对各级进行分压，如图2 所示。

1.3 测试方法

1.3.1 阴极辐射灵敏度

硬件及连接如图3 所示，光源为标准光源，测试光源强度在10－7W～10－4W。

图2 紫外MCP-PMT 分压器原理图Fig.2 The voltage divider of UV MCP-PMT

图3 阴极辐射灵敏度测试系统Fig.3 Cathode radiation sensitivity test system

开启光阑，使用光功率计测量出射光的辐通量Φk，保持光源出射条件不变，使用待测紫外MCP-PMT接收光源辐射，在光阴极与聚焦电极之间加载合适的电压，使阴极输出电流达到饱和状态，测量待测PMT输出光电流Ik，关闭光阑，测量PMT 输出暗电流Ikd。阴极灵敏度按下式计算：

式中：Skr为阴极辐射灵敏度，mA/W；Ik是开启光阑的阴极光电流，μA；Ikd为关闭光阑测得的阴极暗电流，单位为μA；Φk为辐通量，W。

1.3.2 单光子性能

当光通量变得微弱时，在光电倍增管的时间分辨率内（脉冲宽度）几乎没有两个以上光电子存在的状态，就叫做单光电子领域。

如图4 所示，信号发生器输出两路同步矩形脉冲信号，信号频率1 kHz。一路作为电荷数字转换器（Quantity-to-Digital Convertor，QDC）的触发信号，脉冲宽度150 ns；另一路作为驱动信号驱动LD 发光。调节驱动脉冲幅度，使光源发光10 次，PMT 只探测到一次光电信号。将阳极输出信号输送到放大器，然后输送到QDC 设备上测试单光电子谱。

图4 单光子性能测试系统Fig.4 Cathode radiation sensitivity test system

典型的单光子谱如图5 所示，PMT 探测到光子的概率服从泊松分布[5]。

探测到一个光子的概率是探测到多个光子的19倍，因此在所需的增益下，当信号峰的面积除以整个单光子谱的面积为10%时，此时的电荷谱认为是单光子谱。

图5 典型单光子谱Fig.5 Typical single photon spectrum

单光电子谱有两个高斯峰，一个为电子学台阶峰，另一个为单光电子脉冲电荷分布峰，电子学台阶峰和单光电子脉冲电荷分布峰，峰位分别为Xped和Xsig，测试仪器每道电荷量为q（其中QDC 设备每道电荷量q＝25 fC），则电子增益为：

式中：e 为电子电荷量。

单光电子脉冲电荷分布峰的峰值计数为Np，两个峰之间谷位置计数为Nv，则峰谷比P/V为：

单光子谱使用高斯函数拟合，拟合宽度为峰位正负1.5σ，σ为拟合函数的标准差，则能量分辨率为：

1.3.3 暗计数

光电倍增管的暗噪声主要来源为阴极的热发射，紫外MCP-PMT 阴极尺寸较小，故具有低噪声的优势。

光电倍增管在无光入射的情况下，阳极也会产生计数，即为暗计数。将紫外MCP-PMT 安装在暗室里面，加载指定增益左右的工作电压，老炼16 h。老炼后，调节输出电压值，使PMT 增益达到规定值，将阳极输出信号输送到放大器，经过放大后的信号输送到阈值甄别器进行过阈甄别，甄别器阈值设置为1/4 PE 乘以放大器放大倍数，超过阈值的信号被整形为矩形脉冲信号，经过甄别器后的信号输送到定标器，定标器对矩形脉冲信号进行计数，关闭测试光源，测试暗噪声脉冲数量。暗计数率为暗噪声计数值除以测试时间。

图6 暗计数性能测试系统Fig.6 Performance test system of dark count

1.3.4 时间性能

如图7 所示，信号上升时间指在单光电子输入状态，在阳极输出的信号波形前沿，脉冲幅值的10%和90%的点出现的时间间隔的平均值。信号下降时间指在单光电子输入状态，在阳极输出的信号波形后沿，脉冲幅值的90%和10%的点出现的时间间隔的平均值。

图7 时间特性Fig.7 Time characteristics

按图8 连接测试系统，信号发生器输出频率为1 kHz 的两路同步矩形脉冲信号，一路接到示波器，作为其触发信号，脉冲宽度设为150 ns，；另一路作为驱动信号驱动LD 发光，调节驱动脉冲幅度，使光源发光10 次，PMT 只探测到一次光电信号。将阳极输出信号接到示波器另一通道，使用测试软件测试信号前沿从幅度值的10%上升到90%的时间和信号后沿从幅度值的90%到10%的时间，分别为单个波形的上升时间和下降时间，测试大量波形的上升、下降时间，统计上升、下降时间分布。

图8 时间特性测试系统Fig.8 Test system of time characteristics

2 测试结果及性能对比

2.1 测试结果

本次选用两只紫外MCP-PMT，编号为PMT1、PMT2，响应波长为120 nm～300 nm，最大灵敏度波长为250 nm，按上述测试方法评估其8项关键性指标：阴极辐射灵敏度、单光子性能（增益、峰谷比、能量分辨率）、暗计数、时间性能（上升时间、下降时间）等，测试数据见表1 所示。

表1 紫外MCP-PMT 测试结果Table 1 The test results of UV MCP-PMT

2.2 性能分析

2.2.1 阴极辐射灵敏度

目前滨松成熟产品R5916U-53、R3809U-53 的阴极辐射灵敏度（@250 nm）约30 mA/W，北方夜视自主研发的紫外MCP-PMT 已有试制管可以达到同等水平，但工艺还不够稳定，造成良品率低。而北方夜视所研发的紫外像管目前阴极辐射灵敏度可达 40 mA/W，后续将引进此工艺，继续提升紫外MCP-PMT的阴极辐射灵敏度。

2.2.2 单光子性能

如图9、图10 所示，PMT1 和PMT2 的增益已达106，工作电压较低（～2000 V），峰谷比较高（～5），能量分辨率较好（～20%）；滨松 R5916U-53、R3809U-53 的工作电压较高（～3400 V），增益在105数量级，故单光子性能远超滨松同类MCP-PMT 产品。

分析增益较高的原因：紫外MCP-PMT 使用目前国际最先进的原子层沉积（Atomic layer deposition 简称ALD）技术[6]，如表2 数据所示。通过在MCP 输入面沉积高二次发射电子发射层，可以使MCP 的探测效率突破开口面积比限制，大幅度提高其峰谷比和探测效率。同时通过在通道内壁表面沉积膜层，可以有效减小MCP 工作时的放气量，维持工作环境的高真空状态，减少离子反馈，极大延长PMT 的寿命。

图9 PMT1 单光电子谱Fig.9 Single photon spectrum of PMT1

后面需要从工艺上摸索，试验不同的二次电子发射层材料，来提高微通道板的增益；试验不同电阻层材料，优化微通道板电阻一致性；通过在微通道板表面蒸镀二次电子发射系数高的材料，提高入射电子收集效率；试验不同镀膜温度、蒸发循环次数对微通道板的性能影响，优化出最佳镀膜温度和摸索最佳循环蒸镀次数；优化电极膜层与发射层的蒸镀工艺，提高微通道板的能量分辨率，从而进一步提高紫外MCP-PMT 的单光子性能。

图10 PMT2 单光电子谱Fig.10 Single photon spectrum of PMT2

表2 ALD 镀膜前后增益情况Table 2 Gain before and after ALD coating

2.2.3 时间性能

阳极输出波形如图11 所示。由波形图可以看出，此管型目前上升时间约1 ns。而滨松同类产品的上升时间可达180 ps，故在快速时间响应方面还有较大差距。

图11 紫外MCP-PMT 波形图Fig.11 The waveform of UV MCP-PMT

针对时间性能的问题，拟采取以下方式进一步提升：缩短通道板到阳极距离，可提升时间性能[7]；改进阳极结构，目前为单阳极片结构，如图1 所示，由于通道板输出到阳极电容较大，影响时间性能，拟计划使用锥形阳极，如图12 所示。利用电子光学仿真软件CST Studio Suite，建立光电倍增管电子光学模型，如图13 所示，仿真计算内部电场分布，计算光电子运行轨迹，提升上升时间。

图12 锥形阳极设计图Fig.12 The design of conical anode

图13 仿真电场分布Fig.13 Simulation of electric field distribution

由于紫外MCP-PMT 研发时间较短，时间性能上还未达到滨松同类产品的水平。下一步，我们将在目前已有高增益、高分辨率产品优势的基础上，继续提升紫外MCP-PMT 的时间性能，争取未来在紫外微通道板型光电倍增管领域上赶超滨松。

3 小结

本文介绍了紫外微通道板型光电倍增管的应用领域、国内外现状，研究了微通道板型光电倍增管的阴极性能、单光子性能及时间性能，相对国际目前同类型管型，具有高增益、高分辨率[8]等的特点，为紫外微通道板型光电倍增管的实际应用提供了可靠的实验依据。