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(jiǎn)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(jiǎn)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：

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°。

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

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)。縱橫比指微通道的長(zhǎng)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：

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(zhǎng)。

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：

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(zhǎng)，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(zhǎng)。

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(zhǎng)度有關(guān)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(zhǎng)。

由于MCP的增益不單取決于微通道的長(zhǎng)度，而是取決于縱橫比（等于微通道的長(zhǎng)度/直徑），所以提升響應(yīng)速度的條策略是讓MCP微通道的長(zhǎng)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(zhǎng)度和直徑

除了MCP微通道長(zhǎng)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：

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(zhǎng)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(zhǎng)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)：

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?jī)?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。