技術摘記

1999-07-28 The Microchannel Image Intensifier

 

一.前言

      Microchannel影像放大器是一可將非常微弱之影像訊號放大的裝置，此一裝置的主要部份為Microchannel
Plate(MCP)。MCP是由electron multiplier組成之陣列（如圖一所示），典型的channel 之直徑約10-100μm的範圍且長度與直徑的比例約40-100，channel的主軸可能與MCP之入射表面垂直或傾斜一小角度（~8°）¹，Channel之主要構造為玻璃真空管。

 

      MCP除了可以作為影像放大器之外，尚有許多應用範圍，例如當MCP與電子及光學系統結合時，可以將二維之近紅外區或是紫外區的訊號轉換成可見的影像²；或是作為X-ray、離子或電子等之偵測器，因此MCP也可以應用於電子顯微鏡或是應用於量測材料的化學組成成分分析等等。所以MCP可以應用於天文、e-beam fusion¹或甚至核子方面的研究。

 

圖一 MCP構造簡圖

 

 

 

二.工作原理

 

 

      MCP所應用工作原理為光電效應：此影像放大器是兩端為電極之真空管，此兩個電極與外加電源相連接（如圖二所示），影像將聚焦於光電極上，此光子可以激發電子，因此每單位面積所放出之電子數將由影像之強度決定。此兩個電極之間施以幾千伏特之偏壓，由光電極所激發出之電子受到此偏壓的影響而被加速，此加速電子最後到達陽極。由於此真空管之陽極由螢光材料組成，當電子撞擊陽極時，可以激發或是離化螢光材料上的原子，如此影像可以經由螢光板上顯現。

 

圖二 channel electron multiplier

 

      由於光電極與陽極間之距離極短，所以影像之空間解析度得已被保留。又因為此一外加電場加速電子，使得電子之動能增加，最後顯示之影像的總能量增加，因此最後顯現之訊號可以被放大好幾倍，而達到放大影像訊號的作用。

 

      MCP的效應並不是百分之百，大約每十個光子撞擊陰極，只能產生一個電子，所以光子激發成電子的有效度（efficiency）只有10﹪，在陰極大約只有30﹪的能量經由加速電子傳遞，由此視之，MCP的效度（efficiency）很低。雖然如此，但影像訊號仍然可以被放大，因為由陰極激發出的電子被加速，使能量得以增加，所以仍然有淨增益（net gain）。

 

      當增益增加，則在channel輸出端的高電荷密度區域製造正離子的機率也增加，這些離子是在壓力大於10^-6torr時電子與氣體分子碰撞產生，這些離子可以再漂回channel的輸入端，在脈衝後又可以再製造離子，此為離子回饋（ion feedback）

 

三.材料性質

 

 

      MCP 是由連續的隧道電子放大器（continuous-channel electron multiplier）所組成，此電子放大器是由玻璃管構成，此玻璃管置於真空中，且在其兩端連接約1000伏特之外加偏壓。此玻璃管之材料需符合兩項要求：（1）此管之管壁所吸收之電子的量必須少於其所放出之電子的量，如此才能有足夠的電子到達陽極，以進行訊號放大之工作；（2）此材料之導電率必須可控制，如此才能補充管壁上移動之電荷。

 

      由於此玻璃材料的電流是由自由電子或是離子所造成的，若欲控制其導電率，則必須使得離子的導電率最小。欲達到此目的，最適合之玻璃管材料為氧化鉛約50﹪、氧化矽佔約40﹪及少量的鹼性之氧化物等的混合材料²。其成分詳列於表一。含此成分之玻璃材料可以得到較高之導電率，因為鉛的穩定狀態通常為鉛原子或是被氧化合之氧化鉛，若將氧化鉛中之氧移除，則導電率將增加，電阻將減小。

 

      經由在氫氣下加熱玻璃可以使得氧化鉛的含量減少，加熱溫度約在250℃-450℃¹，加熱一段時間後，氧化鉛滲透透至離玻璃表面幾微米的深度，留下的鉛將在表面處聚集成團，而原本形成氧化鉛的離子鍵之電子將可自由移動，而玻璃表面形成半導體，其電阻約為每單位面積10⁸-10¹⁴Ω。

 

表一 MCP 玻璃之組成成分

 

 

四.製作方法

 

 

      目前有幾種不同方法製作MCP ，製作MCP時，我們希望單位面積的真空管密度越高越好，如此影像的解析度較好，目前的技術已經可以達到在離中心點約15mm的六角形面積內可以堆疊出約5000條真空管²。影響影像訊號的品質之因素，除了真空管的解析度之外，真空管之排列堆疊是否緊密及均勻也是重要因素之一。

 

      目前有不同方法製作MCP，其中一種方法為metal-core process²（示於圖三），先將一條電線鍍上一層channel-multiplier glass，然後將這些線盡量緊密而均勻地捆成一捲，然後將此捲筒切下一段，再漿此段之緊密堆疊之光纖切成薄片。

 

      但是此種方法有某些缺點，其中之一即是在捆玻璃光纖時，雖然已盡量的堆疊均勻，但仍免不了還是會造成空間的不均勻性，沒辦法將這些光纖完全均勻的堆疊一起。

 

圖三 Metal-core process 製作MCP

 

      為了彌補上述之缺點，因此又有另一種MCP製作方法²，此方法（示於圖四）即是將一片玻璃平板利用蝕刻刻成許多平行的凹槽，再漿這些刻成凹槽（研究顯示欲達到較好之效果凹槽形狀最好為鋸尺狀³）的玻璃板堆此一疊成一塊塊，最後再切成薄片，就形成了MCP。此一方法除了可以解決空間上的均勻性之外，利用蝕刻之方法也比堆疊法簡單方便。

 

圖四 蝕刻法製作MCP

 

      此外有研究群研究出另一種製作MCP的方法，其過程如圖五所示，先在可以溶解於化學蝕刻液體的核心玻璃外面包一層不會溶解於此液體的玻璃，形成一條光纖，再將這些光纖堆疊成六角形，再予玻璃熔合成boule，最後再將此boule切成薄片，通常是與channel axis成8°-15°切成薄片，形成了一個六角形的multiplier，最後再以蝕刻液體將中心玻璃容於蝕刻化學液體中，圖六為製作完成之MCP的SEM圖形。

 

圖五 Etchable core MCP manufacturing process

 

圖六 製作完成之MCP 的SEM圖

 

      前面已介紹過MCP的單一channel有離子回饋的現象，抑制此離子回饋的方法可以將channel彎曲或是蝕刻成鋸尺狀²，但是單一channel太薄（~5㎜），所以彎曲法比較困難，還有另一種方法如圖七所示¹，此裝置稱Chevron，此種裝將每一片MCP傾斜，典型大約是8°/8°或0°/15°，提供單向電荷以抑制離子回饋，圖八為此方法與單一MCP之增益相對於電壓的比較圖；此兩MCP大約相距50-150μm。單獨操作時，增益可以達到10⁴範圍。

 

圖七 Chevron 裝置

 

圖八 Chavron與單一MCP之增益相對於電壓的比較圖

 

 

五.結論

MCP是一種可以將訊號放大的裝置，可以作為影像放大器，或是作為Uv或X-ray（Soft及Hard）的偵測器，也可以偵測離子。由於它利用電子被加速使能量增加，而使訊號之能量增加放大，所以可以偵測到極微弱之光線，因而對於觀測天文現象極有幫助，未來觀測閃電現象也可藉助MCP。

 

 

六.參考文獻

 

1. Joseph Ladislas Wiza, Nucl.Instrument and Method, Vol.182, p587(1997)
2. Michael Lampton, “The Microchannel Image Intensifier”
3. J. Kawarabayashi, D. Fukuda, H. Takhashi, T.Iguchi, M. Nakazawa, A. Takahashi, R. Tokue, Y. Hirata, and T. Numazawa, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol.45, No.3, p568(1998)