【干貨】詳解TOF-MS探測(cè)器MCP的5個(gè)重要參數(shù)
mcp（微通道板）是一種平面二維探測(cè)器，可以在真空條件中探測(cè)電子、離子、真空紫外線、x射線和伽瑪射線，并能放大探測(cè)的信號(hào)。重要的特點(diǎn)是快速達(dá)到低于納秒的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于飛行時(shí)間質(zhì)譜（tof-ms）來說是非常理想的探測(cè)器。
濱松mcp產(chǎn)品
在質(zhì)譜應(yīng)用中，樣品經(jīng)過電離源生成離子，經(jīng)過質(zhì)量分析器后，不同荷質(zhì)比（m/z，即電荷/分子量）的離子被區(qū)分開來并在真空中飛向mcp，最終被mcp所探測(cè)。
mcp在tof-ms中的使用示意圖
本文將就mcp的基本原理，重要參數(shù)和簡單選型問題，進(jìn)行解讀。以幫助儀器開發(fā)中，對(duì)mcp產(chǎn)品更好的理解、選擇和使用。
什么是mcp？
微通道板（microchannel plate，一般簡稱 mcp）可以被用于檢測(cè)電子、離子、高能粒子、中子、紫外線、x射線等各種粒子和能量較高的電磁波。是由大量中空的毛細(xì)管（微通道）二維排列而成的片狀結(jié)構(gòu)（見圖1-a，b）。
微通道的內(nèi)壁經(jīng)過處理，使得粒子轟擊時(shí)能夠產(chǎn)生二次電子。使用中mcp兩端被加上電壓，在微通道內(nèi)部形成電場(chǎng)，粒子轟擊產(chǎn)生的二次電子會(huì)被電場(chǎng)加速，再次轟擊微通道內(nèi)部產(chǎn)生更多的二次電子（如圖1-c）。這個(gè)過程在同一微通道中重復(fù)多次，最終在出口端輸出大量的電子（稱為倍增電子）。
mcp最終輸出的倍增電子和入射粒子的數(shù)量之比稱為mcp的增益，一般單片mcp的增益在103左右。
圖1. mcp結(jié)構(gòu)與基本原理
mcp的尺寸一般在10-100mm量級(jí)，厚度在0.5-1mm量級(jí)，微通道直徑在10um左右
mcp輸出的倍增電子一般有三種讀出方式：單陽極讀出、多陽極讀出與熒光屏讀出。濱松不僅能夠提供mcp裸片，還可以提供模塊產(chǎn)品對(duì)應(yīng)各種信號(hào)讀出方式與要求。
· 單陽極讀出模塊：所有mcp輸出的倍增電子被同一個(gè)陽極接收轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。此類模塊相當(dāng)于一個(gè)點(diǎn)探測(cè)器，常被用做質(zhì)譜探測(cè)器；
· 多陽極讀出模塊：mcp不同位置所輸出的倍增電子對(duì)應(yīng)著不同的陽極，讓此類模塊具有了位置區(qū)分的能力，可被用于化學(xué)分析用電子能譜（esca）等應(yīng)用中。多陽極可以呈線性排列，也可以成二維排列（如圖2）。陽極間距（anode pitch）可以為3mm或以上；
· 熒光屏讀出模塊：熒光屏可以將mcp輸出的電子轉(zhuǎn)化為可見光。與單片mcp聯(lián)用時(shí)分辨率能達(dá)到40-50um；與兩片mcp聯(lián)用時(shí)分辨率能夠做到80-100um。根據(jù)需求不同（如輸出的可見光顏色、熒光衰減時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間等），可以選擇不同的熒光屏。
圖2. mcp讀出模塊示意：（a）單陽極讀出；（b）多陽極讀出；（c）熒光屏讀出
5個(gè)重要參數(shù)解析
作為一類探測(cè)器，mcp的探測(cè)下限、探測(cè)上限與線性范圍、響應(yīng)速度、壽命及使用環(huán)境都是經(jīng)常被關(guān)注的特征。另外，對(duì)于熒光屏輸出的mcp模塊，空間分辨率也非常重要。接下來，我們就將從這些特征入手，進(jìn)行解析。
探測(cè)下限
探測(cè)下限的核心是整個(gè)探測(cè)體系的信噪比。
圖4. mcp信噪比的相關(guān)參數(shù)
為了擁有更好的探測(cè)下限，可以從以下三個(gè)方面入手：
提高探測(cè)效率；
降低噪聲，尤其是能被增益放大的噪聲；
提升增益。
1、探測(cè)效率
在mcp對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，越大比例的待測(cè)信號(hào)能被接收并轟擊出二次電子（即探測(cè)效率越高），也就意味著能更好地“利用”待測(cè)信號(hào)，探測(cè)下限也就越低。
不同的粒子/電磁波在mcp中的探測(cè)效率并不一樣（如表1），所以提升mcp探測(cè)效率的個(gè)策略是先將探測(cè)效率低的粒子/電磁波轉(zhuǎn)換為探測(cè)效率高的粒子（如電子）。
例如，（a）mcp對(duì)vuv的探測(cè)效率較低，在vuv探測(cè)中，可在mcp入口端鍍上csi等光電轉(zhuǎn)換材料將vuv轉(zhuǎn)換為電子；（b）mcp對(duì)可見光幾乎無響應(yīng)，在極弱可見光探測(cè)的像增強(qiáng)器中，可通過gaas等光電材料將可見光轉(zhuǎn)化為電子。
表1. mcp對(duì)各種粒子/電磁波的探測(cè)效率
第二個(gè)提升探測(cè)效率的策略，是讓更大比例的入射粒子成功轟擊出二次電子。具體辦法有二：
# 增加開口率（open area ratio，oar）
開口率指“mcp表面微通道開口面積 / 整個(gè)mcp有效面積”。開口率越高，mcp的探測(cè)效率也越高。一般普通mcp的開口率為60%，而濱松研發(fā)的漏斗形（funnel type）開口的mcp，開口率可達(dá)90%（如圖5，實(shí)際對(duì)比如圖6）。
圖5. mcp的開口率與偏角
圖6. 不同oar的mcp在探測(cè)效率上的對(duì)比
樣品為小分子蛋白質(zhì)，探測(cè)體系為maldi-tof
# 選擇合適的偏角（bias angle）
偏角指微通道與mcp表面的法線之間所成的角度，為的是讓粒子有更大的概率轟擊到微通道的內(nèi)壁上（如圖5）。
但偏角并非越大越好，以電子為例，在打入微通道內(nèi)壁后產(chǎn)生二次電子，產(chǎn)生二次電子的位置和偏角相關(guān)。如果偏角太大，使得電子入射后產(chǎn)生二次電子的位置較深，容易造成二次電子的逸出減少；如果偏角太小，又會(huì)導(dǎo)致沒有足夠的二次電子激發(fā)。mcp的偏角一般為8°~ 12°。
2、噪聲
在mcp所涉及的探測(cè)系統(tǒng)中，噪聲可以分成mcp本身的噪聲，以及讀出端的噪聲。
mcp本身的噪聲是比較低的，在電壓1000v時(shí)，單片mcp的暗電流低于0.5pa/cm2。作為對(duì)比，光電倍增管（pmt）是以信噪比高而著稱的探測(cè)器，濱松r928側(cè)窗光電倍增管的感光面積為8mm x 24mm = 1.92 cm2，其暗噪聲的典型值為3na，折合約1500pa/cm2。
mcp在使用中主要需要考慮的噪聲來源是離子反饋（ion feedback，具體機(jī)理見圖7）。雖然mcp工作在真空中，但總是不可避免的有殘余氣體分子。當(dāng)mcp輸出的倍增電子和殘余氣體分子碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生正離子。這些正離子在電場(chǎng)中會(huì)與倍增電子呈反向運(yùn)動(dòng)，再次轟擊微通道內(nèi)壁產(chǎn)生電子，這個(gè)過程就稱為離子反饋。由于正離子反向運(yùn)動(dòng)是需要時(shí)間的，所以離子反饋所產(chǎn)生的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)本身并不會(huì)疊加，反而成為了噪聲/雜峰的重要來源。
所以真空度不夠時(shí)，殘余氣體分子過多會(huì)在實(shí)際使用中帶來額外的噪聲，這是特別需要注意的。就濱松的mcp產(chǎn)品而言，建議工作在1.3x10-4pa以下。不過，濱松也將在近期發(fā)布能夠工作在低真空度（至1pa）下的mcp模塊，敬請(qǐng)關(guān)注。
圖7. 離子反饋示意圖
3、增益
由于mcp本身的噪聲很低，所以讀出端引入的噪聲（主要是不能被mcp增益放大的噪聲，參考圖4中公式）會(huì)影響較大。具體說來，無論是單陽極輸出方式中的讀出電路，還是熒光屏輸出方式中的熒光屏+相機(jī)，都會(huì)引入額外的噪聲。
所以在檢測(cè)弱信號(hào)的時(shí)候，mcp采用更高的增益不僅是放大了信號(hào)，產(chǎn)生了更多的倍增電子，還能讓整個(gè)系統(tǒng)得到更好的信噪比。
mcp的增益主要與縱橫比（α，aspect ratio）和電壓相關(guān)?？v橫比指微通道的長度與直徑的比值（如圖8）；電壓特指加在mcp兩端的電壓（如圖1-c中所示的電壓）。如圖8所示，縱橫比越大，mcp所能提供的增益越大；同一片mcp上所加的電壓越大，增益越大。
圖8. mcp的增益與電壓、縱橫比之間的關(guān)系
對(duì)于單片的mcp，當(dāng)增益大于104的時(shí)候，mcp射出的倍增電子量變大，離子反饋所產(chǎn)生的噪聲就很大了；所以一般不會(huì)用太高的縱橫比（一般40-60，這樣給1kv電壓的時(shí)候就能做到104的增益）。
如果應(yīng)用中需要更高的增益，通常會(huì)把2-3片mcp疊在一起，并讓前后mcp的偏角反過來（如圖9），這樣的反角設(shè)計(jì)，可讓反饋離子難以進(jìn)入級(jí)mcp，有效減弱離子反饋，提升信噪比。如圖9所示，2-3片mcp疊在一起的增益會(huì)比較高。實(shí)際使用中，見的是將兩片mcp疊在一起獲得約106以上的增益。
圖9. 2-3片mcp疊在一起的使用方案及效果
綜上所述，只要在要求的高真空環(huán)境下，mcp本身的噪音是非常低的。如果特別關(guān)注弱信號(hào)的檢測(cè)，在選型和使用時(shí)主要可以考慮：
1）選用大開口率（oar）的型號(hào)，保障高探測(cè)效率；
2）適當(dāng)采用較高的電壓，以及選擇2-3片mcp疊起來使用以獲得更高的增益,間接壓制讀出端的噪音，降低信號(hào)讀出的難度。
線性范圍與探測(cè)上限
線性范圍取決于探測(cè)上限與探測(cè)下限的差值。如果一個(gè)手段（例如降低增益）既提升了探測(cè)上限，也提升了探測(cè)下限，其往往不能提升動(dòng)態(tài)范圍。由于mcp的探測(cè)下限與增益息息相關(guān)（參見上節(jié)），所以當(dāng)希望mcp具有較大線性范圍的時(shí)候，一般主要考慮如何在不影響增益的情況下提升探測(cè)上限。
圖10. mcp探測(cè)上限與探測(cè)下限的參數(shù)解析
mcp探測(cè)上限相關(guān)的主要參數(shù)稱為線性輸出電流（maximumlinear current），其數(shù)值一般為3-5ua。
當(dāng)mcp的輸出電子變多時(shí)，mcp內(nèi)壁會(huì)因?yàn)榇罅康亩坞娮影l(fā)射而帶電，這會(huì)影響電場(chǎng)分布削弱接下來的倍增過程。mcp內(nèi)壁所帶的電荷會(huì)被帶電流（strip current，參考圖1-c）所中和。但是由于mcp較高的等效內(nèi)阻（一般在100-1000mω），帶電流通常會(huì)比較小，這就導(dǎo)致倍增電子過多時(shí)，在微通道壁上殘余的電荷不能及時(shí)被中和，影響mcp內(nèi)的電場(chǎng)分布并最終導(dǎo)致增益下降——此時(shí)mcp對(duì)于信號(hào)離子的響應(yīng)也就不再是線性的了。
由于mcp的線性輸出電流與帶電流的大小相關(guān)，所以線性輸出電流有時(shí)會(huì)標(biāo)注為帶電流的百分比，如“7% of strip current”。
以上述原理為基礎(chǔ)，為了增加線性輸出電流，得到更大的線性范圍，個(gè)策略是采用較低等效內(nèi)阻（如濱松f6584所采用的2-30mω）的mcp；同樣的電壓下，更低的電阻可以得到更大的帶電流（strip current），從而提升線性輸出以及線性范圍（如圖11）。
圖11. 低電阻mcp所具有的大線性范圍和高線性輸出
此外，濱松還提供了第二條策略，將一片mcp和一片雪崩二極管（avalanche diode）聯(lián)用（“mcp+ad”模塊），從而得到較高的線性范圍和線性輸出。
在這種組合下，整個(gè)模塊的增益依然有106左右，與兩片mcp聯(lián)用的增益類似——即探測(cè)下限不差。但是在mcp部分的增益只有1000-10000，相比兩片mcp聯(lián)用的106是小了2-3個(gè)數(shù)量級(jí)的，這意味著倍增電子也很少，在達(dá)到mcp的線性輸出電流前能夠接受更多的待測(cè)粒子——即探測(cè)上限很高。所以“mcp+ad”模塊能夠得到遠(yuǎn)超傳統(tǒng)mcp模塊的線性范圍和探測(cè)上限。
從參數(shù)上看，mcp+ad模塊的線性輸出電流高達(dá)230ua，遠(yuǎn)高于mcp的3-5ua。同時(shí)，由于mcp+ad模塊中mcp部分的倍增電子會(huì)少于兩片mcp聯(lián)用的情況，整個(gè)模塊的壽命也得到了延長。
圖12. 濱松mcp+ad模塊示意
綜上所述，如果希望mcp的探測(cè)系統(tǒng)具有較大的線性范圍，主要可以考慮：
1）選用電阻較低的型號(hào)，如濱松f6584；
2）選用mcp+ad模塊產(chǎn)品。
響應(yīng)速度
當(dāng)一個(gè)待測(cè)粒子轟擊出二次電子，并反復(fù)倍增的過程中，每一個(gè)倍增電子的飛行路徑是不相同的，所以電子到達(dá)陽極的時(shí)間（以單陽極讀出的mcp模塊為例）有先有后，這使信號(hào)具有一定的峰寬。隨著總飛行距離的增長，各倍增電子間的飛行距離也會(huì)差別越來越大，如采用單陽極讀出的mcp模塊時(shí)，就能很明顯地看到信號(hào)峰變寬，信號(hào)的上升時(shí)間變長。
但總的來說，mcp的響應(yīng)速度是很快的，上升時(shí)間通常在0.3-1.5ns。而另一類粒子探測(cè)器——電子倍增器的上升時(shí)間通常為1-5ns。
mcp的響應(yīng)速度主要與微通道的長度有關(guān)，長度越長，電子在其中的飛行距離越遠(yuǎn)，信號(hào)的上升時(shí)間就越長。
由于mcp的增益不單取決于微通道的長度，而是取決于縱橫比（等于微通道的長度/直徑），所以提升響應(yīng)速度的條策略是讓mcp微通道的長度和直徑等比例縮小，這樣既可以增加響應(yīng)速度，同時(shí)也不減弱增益（如濱松f4655-13）。
圖13. 增加mcp響應(yīng)速度的策略
等比例縮小mcp微通道的長度和直徑
除了mcp微通道長度，倍增電子從mcp出口飛向陽極或熒光屏也是分布在一定角度之內(nèi)的。垂直飛向陽極的電子和以一定角度飛向陽極的電子，其到達(dá)陽極的時(shí)間也不一樣，所以提升響應(yīng)速度的第二條策略是在mcp出口和陽極之間加入額外的網(wǎng)狀電極，對(duì)倍增電子的飛行路徑進(jìn)行校正，使其飛行距離更為相近。
圖14. 增加mcp響應(yīng)速度的策略
校正倍增電子的飛行路徑
空間分辨率
當(dāng)mcp和熒光屏聯(lián)用的時(shí)候，空間分辨率也是一個(gè)非常重要的參數(shù)。單片mcp與熒光屏聯(lián)用時(shí)分辨率能達(dá)到40-50um；兩片mcp疊用時(shí)分辨率一般能夠做到80-100um。
用兩級(jí)mcp會(huì)比用一級(jí)mcp的分辨率下降，因?yàn)椋海?）從級(jí)mcp中的一個(gè)微通道出來的電子可能會(huì)進(jìn)入第二級(jí)mcp的幾個(gè)通道中；（2）兩級(jí)mcp輸出的倍增電子會(huì)更多，電子之間互斥會(huì)導(dǎo)致出射角度變大，降低分辨率（如圖15）。
為了增加空間分辨率，可以考慮：
1）縮短mcp和熒光屏之間的距離，雖然電子之間互斥會(huì)導(dǎo)致微通道中的電子出射角度變大，但縮短距離可以削弱其對(duì)于空間分辨率的影響；
2）增加mcp和熒光屏間的加速電壓。
圖15. mcp與熒光屏聯(lián)用時(shí)的空間分辨率影響因素
壽命和使用環(huán)境
mcp的壽命和從mcp中總的出射的電子數(shù)量是相關(guān)的，所以mcp的壽命用電量表示。一般mcp的壽命在10c（庫倫）或以上。作為對(duì)比，同為粒子探測(cè)器的電子倍增器其壽命僅為0.3c（總電荷數(shù)量）。
此外，在同一電壓下，mcp的增益會(huì)隨著使用而下降，所以在信號(hào)不太弱的時(shí)候，濱松建議對(duì)于一片新的mcp可以將電壓調(diào)得比參數(shù)表上的電壓更低一些，這樣從mcp出射的倍增電子不會(huì)那么多，有利于延長mcp的壽命。而且隨著使用，可以通過逐漸增加mcp上的電壓，以維持穩(wěn)定的增益。
在mcp的使用環(huán)境上，一般需要關(guān)注以下兩個(gè)參數(shù)：
# 磁場(chǎng)
mcp對(duì)磁場(chǎng)的敏感程度不及pmt和電子倍增器。但磁場(chǎng)對(duì)mcp也是有影響的，尤其是與微通道垂直的磁場(chǎng)。如果mcp一定要在磁場(chǎng)環(huán)境中使用，盡量讓磁場(chǎng)與微通道的長軸平行。選擇合適的mcp以及合適的方位，能讓mcp在2t的磁場(chǎng)下正常工作。
# 真空度
普通的mcp對(duì)真空度有著較高的要求，需要工作在1.3x10-4pa以下。在低真空度（即氣壓較高時(shí)）下，較多的氣體分子會(huì)被轟擊成正離子，不僅會(huì)以離子反饋的原理導(dǎo)致高噪聲（如圖7），這些額外的倍增電子（實(shí)際上是噪聲）也將降低mcp的壽命。
但對(duì)于一些特別的應(yīng)用，真空度無法維持在很高的狀態(tài)。針對(duì)這種情況，濱松也特別開發(fā)了能夠工作在1pa真空度下的mcp模塊（gen3 三級(jí)結(jié)構(gòu)mcp），新品即將推出。
mcp的選型參考
包括mcp在內(nèi)，濱松有多種粒子探測(cè)器。相對(duì)而言，mcp具有以下優(yōu)勢(shì)：
1）mcp的探測(cè)面積較大，一般從10mm到100mm不等，其中包含了數(shù)以百萬計(jì)的微通道；
2）一個(gè)微通道的壽命中止并不影響整體的使用，所以mcp的壽命大大優(yōu)于em和cem（反映為積累電荷壽命較大）；
3）由于mcp中微通道的長度比較短，電子在其中的飛行距離較短，所以mcp的時(shí)間響應(yīng)比em和cem要更快一些。（反映為上升時(shí)間較短）。
不過，mcp也有自己的短板，如較窄的動(dòng)態(tài)范圍（反應(yīng)為輸出電流）。這可以理解為mcp中打拿級(jí)之間的電勢(shì)差較小，到增益的最后，已經(jīng)無力驅(qū)動(dòng)太多電子，導(dǎo)致輸出電流具有較低的天花板。為了解決這個(gè)問題，濱松研發(fā)了mcp+ad模塊（可以參見上文的介紹）。
此外，針對(duì)真空度要求較高的特征，濱松即將推出的gen3 三級(jí)結(jié)構(gòu)mcp也將很大程度解決這個(gè)問題。
表2.各類粒子探測(cè)器的對(duì)比
以上就是我們關(guān)于mcp介紹的全部內(nèi)容了，如果還想了解更多關(guān)于mcp的產(chǎn)品、技術(shù)、使用等信息，敬請(qǐng)聯(lián)系濱松工程師。接下來，濱松將陸續(xù)推出多款mcp新品（上文有提到過），也請(qǐng)大家繼續(xù)關(guān)注。
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本文將就mcp的基本原理，重要參數(shù)和簡單選型問題，進(jìn)行解讀。以幫助儀器開發(fā)中，對(duì)mcp產(chǎn)品更好的理解、選擇和使用。
什么是mcp？
微通道板（microchannel plate，一般簡稱 mcp）可以被用于檢測(cè)電子、離子、高能粒子、中子、紫外線、x射線等各種粒子和能量較高的電磁波。是由大量中空的毛細(xì)管（微通道）二維排列而成的片狀結(jié)構(gòu)（見圖1-a，b）。
微通道的內(nèi)壁經(jīng)過處理，使得粒子轟擊時(shí)能夠產(chǎn)生二次電子。使用中mcp兩端被加上電壓，在微通道內(nèi)部形成電場(chǎng)，粒子轟擊產(chǎn)生的二次電子會(huì)被電場(chǎng)加速，再次轟擊微通道內(nèi)部產(chǎn)生更多的二次電子（如圖1-c）。這個(gè)過程在同一微通道中重復(fù)多次，最終在出口端輸出大量的電子（稱為倍增電子）。
mcp最終輸出的倍增電子和入射粒子的數(shù)量之比稱為mcp的增益，一般單片mcp的增益在103左右。
圖1. mcp結(jié)構(gòu)與基本原理
mcp的尺寸一般在10-100mm量級(jí)，厚度在0.5-1mm量級(jí)，微通道直徑在10um左右
mcp輸出的倍增電子一般有三種讀出方式：單陽極讀出、多陽極讀出與熒光屏讀出。濱松不僅能夠提供mcp裸片，還可以提供模塊產(chǎn)品對(duì)應(yīng)各種信號(hào)讀出方式與要求。
· 單陽極讀出模塊：所有mcp輸出的倍增電子被同一個(gè)陽極接收轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。此類模塊相當(dāng)于一個(gè)點(diǎn)探測(cè)器，常被用做質(zhì)譜探測(cè)器；
· 多陽極讀出模塊：mcp不同位置所輸出的倍增電子對(duì)應(yīng)著不同的陽極，讓此類模塊具有了位置區(qū)分的能力，可被用于化學(xué)分析用電子能譜（esca）等應(yīng)用中。多陽極可以呈線性排列，也可以成二維排列（如圖2）。陽極間距（anode pitch）可以為3mm或以上；
· 熒光屏讀出模塊：熒光屏可以將mcp輸出的電子轉(zhuǎn)化為可見光。與單片mcp聯(lián)用時(shí)分辨率能達(dá)到40-50um；與兩片mcp聯(lián)用時(shí)分辨率能夠做到80-100um。根據(jù)需求不同（如輸出的可見光顏色、熒光衰減時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間等），可以選擇不同的熒光屏。
圖2. mcp讀出模塊示意：（a）單陽極讀出；（b）多陽極讀出；（c）熒光屏讀出
5個(gè)重要參數(shù)解析
作為一類探測(cè)器，mcp的探測(cè)下限、探測(cè)上限與線性范圍、響應(yīng)速度、壽命及使用環(huán)境都是經(jīng)常被關(guān)注的特征。另外，對(duì)于熒光屏輸出的mcp模塊，空間分辨率也非常重要。接下來，我們就將從這些特征入手，進(jìn)行解析。
探測(cè)下限
探測(cè)下限的核心是整個(gè)探測(cè)體系的信噪比。
圖4. mcp信噪比的相關(guān)參數(shù)
為了擁有更好的探測(cè)下限，可以從以下三個(gè)方面入手：
提高探測(cè)效率；
降低噪聲，尤其是能被增益放大的噪聲；
提升增益。
1、探測(cè)效率
在mcp對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，越大比例的待測(cè)信號(hào)能被接收并轟擊出二次電子（即探測(cè)效率越高），也就意味著能更好地“利用”待測(cè)信號(hào)，探測(cè)下限也就越低。
不同的粒子/電磁波在mcp中的探測(cè)效率并不一樣（如表1），所以提升mcp探測(cè)效率的個(gè)策略是先將探測(cè)效率低的粒子/電磁波轉(zhuǎn)換為探測(cè)效率高的粒子（如電子）。
例如，（a）mcp對(duì)vuv的探測(cè)效率較低，在vuv探測(cè)中，可在mcp入口端鍍上csi等光電轉(zhuǎn)換材料將vuv轉(zhuǎn)換為電子；（b）mcp對(duì)可見光幾乎無響應(yīng)，在極弱可見光探測(cè)的像增強(qiáng)器中，可通過gaas等光電材料將可見光轉(zhuǎn)化為電子。
表1. mcp對(duì)各種粒子/電磁波的探測(cè)效率
第二個(gè)提升探測(cè)效率的策略，是讓更大比例的入射粒子成功轟擊出二次電子。具體辦法有二：
# 增加開口率（open area ratio，oar）
開口率指“mcp表面微通道開口面積 / 整個(gè)mcp有效面積”。開口率越高，mcp的探測(cè)效率也越高。一般普通mcp的開口率為60%，而濱松研發(fā)的漏斗形（funnel type）開口的mcp，開口率可達(dá)90%（如圖5，實(shí)際對(duì)比如圖6）。
圖5. mcp的開口率與偏角
圖6. 不同oar的mcp在探測(cè)效率上的對(duì)比
樣品為小分子蛋白質(zhì)，探測(cè)體系為maldi-tof
# 選擇合適的偏角（bias angle）
偏角指微通道與mcp表面的法線之間所成的角度，為的是讓粒子有更大的概率轟擊到微通道的內(nèi)壁上（如圖5）。
但偏角并非越大越好，以電子為例，在打入微通道內(nèi)壁后產(chǎn)生二次電子，產(chǎn)生二次電子的位置和偏角相關(guān)。如果偏角太大，使得電子入射后產(chǎn)生二次電子的位置較深，容易造成二次電子的逸出減少；如果偏角太小，又會(huì)導(dǎo)致沒有足夠的二次電子激發(fā)。mcp的偏角一般為8°~ 12°。
2、噪聲
在mcp所涉及的探測(cè)系統(tǒng)中，噪聲可以分成mcp本身的噪聲，以及讀出端的噪聲。
mcp本身的噪聲是比較低的，在電壓1000v時(shí)，單片mcp的暗電流低于0.5pa/cm2。作為對(duì)比，光電倍增管（pmt）是以信噪比高而著稱的探測(cè)器，濱松r928側(cè)窗光電倍增管的感光面積為8mm x 24mm = 1.92 cm2，其暗噪聲的典型值為3na，折合約1500pa/cm2。
mcp在使用中主要需要考慮的噪聲來源是離子反饋（ion feedback，具體機(jī)理見圖7）。雖然mcp工作在真空中，但總是不可避免的有殘余氣體分子。當(dāng)mcp輸出的倍增電子和殘余氣體分子碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生正離子。這些正離子在電場(chǎng)中會(huì)與倍增電子呈反向運(yùn)動(dòng)，再次轟擊微通道內(nèi)壁產(chǎn)生電子，這個(gè)過程就稱為離子反饋。由于正離子反向運(yùn)動(dòng)是需要時(shí)間的，所以離子反饋所產(chǎn)生的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)本身并不會(huì)疊加，反而成為了噪聲/雜峰的重要來源。
所以真空度不夠時(shí)，殘余氣體分子過多會(huì)在實(shí)際使用中帶來額外的噪聲，這是特別需要注意的。就濱松的mcp產(chǎn)品而言，建議工作在1.3x10-4pa以下。不過，濱松也將在近期發(fā)布能夠工作在低真空度（至1pa）下的mcp模塊，敬請(qǐng)關(guān)注。
圖7. 離子反饋示意圖
3、增益
由于mcp本身的噪聲很低，所以讀出端引入的噪聲（主要是不能被mcp增益放大的噪聲，參考圖4中公式）會(huì)影響較大。具體說來，無論是單陽極輸出方式中的讀出電路，還是熒光屏輸出方式中的熒光屏+相機(jī)，都會(huì)引入額外的噪聲。
所以在檢測(cè)弱信號(hào)的時(shí)候，mcp采用更高的增益不僅是放大了信號(hào)，產(chǎn)生了更多的倍增電子，還能讓整個(gè)系統(tǒng)得到更好的信噪比。
mcp的增益主要與縱橫比（α，aspect ratio）和電壓相關(guān)?？v橫比指微通道的長度與直徑的比值（如圖8）；電壓特指加在mcp兩端的電壓（如圖1-c中所示的電壓）。如圖8所示，縱橫比越大，mcp所能提供的增益越大；同一片mcp上所加的電壓越大，增益越大。
圖8. mcp的增益與電壓、縱橫比之間的關(guān)系
對(duì)于單片的mcp，當(dāng)增益大于104的時(shí)候，mcp射出的倍增電子量變大，離子反饋所產(chǎn)生的噪聲就很大了；所以一般不會(huì)用太高的縱橫比（一般40-60，這樣給1kv電壓的時(shí)候就能做到104的增益）。
如果應(yīng)用中需要更高的增益，通常會(huì)把2-3片mcp疊在一起，并讓前后mcp的偏角反過來（如圖9），這樣的反角設(shè)計(jì)，可讓反饋離子難以進(jìn)入級(jí)mcp，有效減弱離子反饋，提升信噪比。如圖9所示，2-3片mcp疊在一起的增益會(huì)比較高。實(shí)際使用中，見的是將兩片mcp疊在一起獲得約106以上的增益。
圖9. 2-3片mcp疊在一起的使用方案及效果
綜上所述，只要在要求的高真空環(huán)境下，mcp本身的噪音是非常低的。如果特別關(guān)注弱信號(hào)的檢測(cè)，在選型和使用時(shí)主要可以考慮：
1）選用大開口率（oar）的型號(hào)，保障高探測(cè)效率；
2）適當(dāng)采用較高的電壓，以及選擇2-3片mcp疊起來使用以獲得更高的增益,間接壓制讀出端的噪音，降低信號(hào)讀出的難度。
線性范圍與探測(cè)上限
線性范圍取決于探測(cè)上限與探測(cè)下限的差值。如果一個(gè)手段（例如降低增益）既提升了探測(cè)上限，也提升了探測(cè)下限，其往往不能提升動(dòng)態(tài)范圍。由于mcp的探測(cè)下限與增益息息相關(guān)（參見上節(jié)），所以當(dāng)希望mcp具有較大線性范圍的時(shí)候，一般主要考慮如何在不影響增益的情況下提升探測(cè)上限。
圖10. mcp探測(cè)上限與探測(cè)下限的參數(shù)解析
mcp探測(cè)上限相關(guān)的主要參數(shù)稱為線性輸出電流（maximumlinear current），其數(shù)值一般為3-5ua。
當(dāng)mcp的輸出電子變多時(shí)，mcp內(nèi)壁會(huì)因?yàn)榇罅康亩坞娮影l(fā)射而帶電，這會(huì)影響電場(chǎng)分布削弱接下來的倍增過程。mcp內(nèi)壁所帶的電荷會(huì)被帶電流（strip current，參考圖1-c）所中和。但是由于mcp較高的等效內(nèi)阻（一般在100-1000mω），帶電流通常會(huì)比較小，這就導(dǎo)致倍增電子過多時(shí)，在微通道壁上殘余的電荷不能及時(shí)被中和，影響mcp內(nèi)的電場(chǎng)分布并最終導(dǎo)致增益下降——此時(shí)mcp對(duì)于信號(hào)離子的響應(yīng)也就不再是線性的了。
由于mcp的線性輸出電流與帶電流的大小相關(guān)，所以線性輸出電流有時(shí)會(huì)標(biāo)注為帶電流的百分比，如“7% of strip current”。
以上述原理為基礎(chǔ)，為了增加線性輸出電流，得到更大的線性范圍，個(gè)策略是采用較低等效內(nèi)阻（如濱松f6584所采用的2-30mω）的mcp；同樣的電壓下，更低的電阻可以得到更大的帶電流（strip current），從而提升線性輸出以及線性范圍（如圖11）。
圖11. 低電阻mcp所具有的大線性范圍和高線性輸出
此外，濱松還提供了第二條策略，將一片mcp和一片雪崩二極管（avalanche diode）聯(lián)用（“mcp+ad”模塊），從而得到較高的線性范圍和線性輸出。
在這種組合下，整個(gè)模塊的增益依然有106左右，與兩片mcp聯(lián)用的增益類似——即探測(cè)下限不差。但是在mcp部分的增益只有1000-10000，相比兩片mcp聯(lián)用的106是小了2-3個(gè)數(shù)量級(jí)的，這意味著倍增電子也很少，在達(dá)到mcp的線性輸出電流前能夠接受更多的待測(cè)粒子——即探測(cè)上限很高。所以“mcp+ad”模塊能夠得到遠(yuǎn)超傳統(tǒng)mcp模塊的線性范圍和探測(cè)上限。
從參數(shù)上看，mcp+ad模塊的線性輸出電流高達(dá)230ua，遠(yuǎn)高于mcp的3-5ua。同時(shí)，由于mcp+ad模塊中mcp部分的倍增電子會(huì)少于兩片mcp聯(lián)用的情況，整個(gè)模塊的壽命也得到了延長。
圖12. 濱松mcp+ad模塊示意
綜上所述，如果希望mcp的探測(cè)系統(tǒng)具有較大的線性范圍，主要可以考慮：
1）選用電阻較低的型號(hào)，如濱松f6584；
2）選用mcp+ad模塊產(chǎn)品。
響應(yīng)速度
當(dāng)一個(gè)待測(cè)粒子轟擊出二次電子，并反復(fù)倍增的過程中，每一個(gè)倍增電子的飛行路徑是不相同的，所以電子到達(dá)陽極的時(shí)間（以單陽極讀出的mcp模塊為例）有先有后，這使信號(hào)具有一定的峰寬。隨著總飛行距離的增長，各倍增電子間的飛行距離也會(huì)差別越來越大，如采用單陽極讀出的mcp模塊時(shí)，就能很明顯地看到信號(hào)峰變寬，信號(hào)的上升時(shí)間變長。
但總的來說，mcp的響應(yīng)速度是很快的，上升時(shí)間通常在0.3-1.5ns。而另一類粒子探測(cè)器——電子倍增器的上升時(shí)間通常為1-5ns。
mcp的響應(yīng)速度主要與微通道的長度有關(guān)，長度越長，電子在其中的飛行距離越遠(yuǎn)，信號(hào)的上升時(shí)間就越長。
由于mcp的增益不單取決于微通道的長度，而是取決于縱橫比（等于微通道的長度/直徑），所以提升響應(yīng)速度的條策略是讓mcp微通道的長度和直徑等比例縮小，這樣既可以增加響應(yīng)速度，同時(shí)也不減弱增益（如濱松f4655-13）。
圖13. 增加mcp響應(yīng)速度的策略
等比例縮小mcp微通道的長度和直徑
除了mcp微通道長度，倍增電子從mcp出口飛向陽極或熒光屏也是分布在一定角度之內(nèi)的。垂直飛向陽極的電子和以一定角度飛向陽極的電子，其到達(dá)陽極的時(shí)間也不一樣，所以提升響應(yīng)速度的第二條策略是在mcp出口和陽極之間加入額外的網(wǎng)狀電極，對(duì)倍增電子的飛行路徑進(jìn)行校正，使其飛行距離更為相近。
圖14. 增加mcp響應(yīng)速度的策略
校正倍增電子的飛行路徑
空間分辨率
當(dāng)mcp和熒光屏聯(lián)用的時(shí)候，空間分辨率也是一個(gè)非常重要的參數(shù)。單片mcp與熒光屏聯(lián)用時(shí)分辨率能達(dá)到40-50um；兩片mcp疊用時(shí)分辨率一般能夠做到80-100um。
用兩級(jí)mcp會(huì)比用一級(jí)mcp的分辨率下降，因?yàn)椋海?）從級(jí)mcp中的一個(gè)微通道出來的電子可能會(huì)進(jìn)入第二級(jí)mcp的幾個(gè)通道中；（2）兩級(jí)mcp輸出的倍增電子會(huì)更多，電子之間互斥會(huì)導(dǎo)致出射角度變大，降低分辨率（如圖15）。
為了增加空間分辨率，可以考慮：
1）縮短mcp和熒光屏之間的距離，雖然電子之間互斥會(huì)導(dǎo)致微通道中的電子出射角度變大，但縮短距離可以削弱其對(duì)于空間分辨率的影響；
2）增加mcp和熒光屏間的加速電壓。
圖15. mcp與熒光屏聯(lián)用時(shí)的空間分辨率影響因素
壽命和使用環(huán)境
mcp的壽命和從mcp中總的出射的電子數(shù)量是相關(guān)的，所以mcp的壽命用電量表示。一般mcp的壽命在10c（庫倫）或以上。作為對(duì)比，同為粒子探測(cè)器的電子倍增器其壽命僅為0.3c（總電荷數(shù)量）。
此外，在同一電壓下，mcp的增益會(huì)隨著使用而下降，所以在信號(hào)不太弱的時(shí)候，濱松建議對(duì)于一片新的mcp可以將電壓調(diào)得比參數(shù)表上的電壓更低一些，這樣從mcp出射的倍增電子不會(huì)那么多，有利于延長mcp的壽命。而且隨著使用，可以通過逐漸增加mcp上的電壓，以維持穩(wěn)定的增益。
在mcp的使用環(huán)境上，一般需要關(guān)注以下兩個(gè)參數(shù)：
# 磁場(chǎng)
mcp對(duì)磁場(chǎng)的敏感程度不及pmt和電子倍增器。但磁場(chǎng)對(duì)mcp也是有影響的，尤其是與微通道垂直的磁場(chǎng)。如果mcp一定要在磁場(chǎng)環(huán)境中使用，盡量讓磁場(chǎng)與微通道的長軸平行。選擇合適的mcp以及合適的方位，能讓mcp在2t的磁場(chǎng)下正常工作。
# 真空度
普通的mcp對(duì)真空度有著較高的要求，需要工作在1.3x10-4pa以下。在低真空度（即氣壓較高時(shí)）下，較多的氣體分子會(huì)被轟擊成正離子，不僅會(huì)以離子反饋的原理導(dǎo)致高噪聲（如圖7），這些額外的倍增電子（實(shí)際上是噪聲）也將降低mcp的壽命。
但對(duì)于一些特別的應(yīng)用，真空度無法維持在很高的狀態(tài)。針對(duì)這種情況，濱松也特別開發(fā)了能夠工作在1pa真空度下的mcp模塊（gen3 三級(jí)結(jié)構(gòu)mcp），新品即將推出。
mcp的選型參考
包括mcp在內(nèi)，濱松有多種粒子探測(cè)器。相對(duì)而言，mcp具有以下優(yōu)勢(shì)：
1）mcp的探測(cè)面積較大，一般從10mm到100mm不等，其中包含了數(shù)以百萬計(jì)的微通道；
2）一個(gè)微通道的壽命中止并不影響整體的使用，所以mcp的壽命大大優(yōu)于em和cem（反映為積累電荷壽命較大）；
3）由于mcp中微通道的長度比較短，電子在其中的飛行距離較短，所以mcp的時(shí)間響應(yīng)比em和cem要更快一些。（反映為上升時(shí)間較短）。
不過，mcp也有自己的短板，如較窄的動(dòng)態(tài)范圍（反應(yīng)為輸出電流）。這可以理解為mcp中打拿級(jí)之間的電勢(shì)差較小，到增益的最后，已經(jīng)無力驅(qū)動(dòng)太多電子，導(dǎo)致輸出電流具有較低的天花板。為了解決這個(gè)問題，濱松研發(fā)了mcp+ad模塊（可以參見上文的介紹）。
此外，針對(duì)真空度要求較高的特征，濱松即將推出的gen3 三級(jí)結(jié)構(gòu)mcp也將很大程度解決這個(gè)問題。
表2.各類粒子探測(cè)器的對(duì)比
以上就是我們關(guān)于mcp介紹的全部內(nèi)容了，如果還想了解更多關(guān)于mcp的產(chǎn)品、技術(shù)、使用等信息，敬請(qǐng)聯(lián)系濱松工程師。接下來，濱松將陸續(xù)推出多款mcp新品（上文有提到過），也請(qǐng)大家繼續(xù)關(guān)注。
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