一、MCP真空探測器的信號拾取及讀出
微通道板本身只是對電子進行倍增放大的器件,，它吸收輸入的帶電粒子或光子,，輸出倍增以后的電流（電子云）。為獲取實驗結果,，需要將輸出的電子經過拾取或轉換后,，形成能夠拍攝,、記錄或計數(shù)的信號。
因此,，對于一個特定目的的MCP真空探測器,，信號拾取和讀出是非常重要的部分。通常會需要一個陽用來拾取電子云信號,，陽與MCP輸出端之間有一定間距并加有高壓,。一般而言有幾種類型的陽：
l 熒光屏：受高能電子轟擊后會發(fā)光，從而形成可見光的圖像,；
l 金屬導電陽：直接拾取電流,，用于粒子流強的分析或計數(shù)；
l 位置敏感陽：如阻性陽或延遲線等,，通過多通道讀出,，在獲取信號強度的同時分析電子云的位置；
l 多陽：多個相互隔離的金屬陽,，支持多點實時的信號采集,。
圖4采用熒光屏成像的MCP探測器結構示意
MCP放大輸出的電子云經過陽轉換或拾取之后，尚需要讀出和信號處理,、記錄,，常用的有幾類部件：
l CCD/CMOS相機：通過透鏡或光纖錐，將熒光屏上的像傳遞到圖像芯片上,，并傳輸至電腦處理,；
l 示波器、A/D轉換或計數(shù)器：主要用于讀出陽電流信號,。入射流強較大時,，可得到連續(xù)的電流，經過A/D轉換存儲為數(shù)字信號或經過示波器顯示,，從而得到信號隨時間變化的特性,；信號微弱時，采用閾值鑒別的方法進行計數(shù),；
l 位置分辨數(shù)據(jù)處理：對位置敏感陽的信號進行高速處理,，得到事件的位置、到達時間以及計數(shù)率,；
l 多通道并行處理：用于多陽探測器,。
MCP真空探測器的信號拾取及讀出
2.1 熒光屏及其讀出
用于成像目的的MCP探測器一般采用熒光屏作為陽。熒光屏在數(shù)個keV的高能電子轟擊下會發(fā)射可見光,，經過相機拍攝后形成圖像型號,。
圖5成像型MCP真空探測器的輸入（左圖）與輸出（熒光屏，右圖）
熒光屏所使用的材料,，有P20,、P43,、P46、P47等多種,。通常主要依據(jù)信號的重復頻率來選擇,。P43具備較好的發(fā)光效率，其發(fā)光波長（550nm）正位于一般CCD相機感光效率zui高的區(qū)域,，因此是zui常用的熒光屏；但P43的熒光衰減時間約1.2ms,，故不適合幀率>500fps的成像,；快速熒光屏中zui常用的是P46，其發(fā)光效率月為P43的1/4,，但余輝時間僅為300ns,。
一般熒光屏相對于MCP輸出的高壓會高達5kV以上。
熒光屏可以鍍在玻璃窗片上,，該窗片同時起到真空密封的作用,。也可以鍍在光纖錐面板窗片上，這樣像可以傳遞到窗片外側,，以便后續(xù)再通過光纖錐與成像傳感器連接,。
Photek 公司可根據(jù)用戶的需求提供各種材質的熒光屏鍍膜，并提供透鏡耦合/光纖錐耦合方式,。
根據(jù)具體的應用,，光學耦合及CCD/CMOS相機的選擇可以有多種方式：
l 光纖錐耦合與透鏡耦合：光纖錐的優(yōu)點是效率高，像畸變??；缺點是信號強度均勻性會受到一定的影響，另外光纖錐耦合需要后端相機芯片上已經粘好光纖面板輸入,，故相機的選擇受到一定的局限,；透鏡耦合結構比較簡單，放大倍率靈活可調,，比較適合大縮放比的情景,，透鏡耦合效率低于光纖錐耦合，而分辨率,、成像質量取決于透鏡的質量,。透鏡耦合可以設計成90度轉折光路，當實驗系統(tǒng)有穿透性非常高的粒子（如中子,、高能光子）時,，這種設計有助于保護后續(xù)相機及電子線路免受輻射損傷。
即使探測器本身選配了光纖錐輸出,，仍舊可以采用透鏡來作像傳遞,。
l CCD或CMOS相機的選擇：由于MCP本身有較大的增益,，一般信號探測可采用普通的科研級CCD/CMOS相機，根據(jù)所需要的分辨率及幀速選擇,；較為微弱的,、需要長時間積分的信號，可選擇制冷型CCD相機,；對探測動態(tài)范圍有需求時,，建議使用sCMOS相機；如果工作在單光子計數(shù)模式,，可以選擇常規(guī)的CMOS相機,。
l 單光子計數(shù)模式：針對微弱的信號，CCD/CMOS相機可工作在單光子計數(shù)模式,，單光子計數(shù)模式需要前端采用二級連或以上（>1E6增益）的MCP,。在單光子計數(shù)模式時，相機持續(xù)以固定幀率或接受外觸發(fā)同步采集信號,，MCP探測到的單粒子事件會在圖像上形成分立的斑點,；軟件計算每個斑點的總強度和強度重心，超過一定閾值的被認為是單個粒子事件,，其重心位置對應的坐標計數(shù)值加1,。經過長時間、多幀疊加后,，還原圖像,。
采用相機進行單光子探測無法進行高速的時間分辨（時間分辨取決于相機的幀率），但其統(tǒng)計的方式可以實現(xiàn)非常低的噪聲,，同時因為單粒子事件的空間坐標采用統(tǒng)計重心的方式,，其空間分辨率可以非常高，達到CCD芯片的水平,。
Photek提供成像或粒子計數(shù)的成套系統(tǒng),，包括MCP探測器、光學耦合,、相機和軟件,。
2.2 金屬陽輸出（真空PMT）
如果在MCP輸出端之后放置金屬陽，并施加高壓,，電子云會到達陽并可以形成電流輸出,，電流強度正比于輸入信號的強度。電流可通過示波器,、A/D轉換器采集,，或者（信號微弱，只能產生分立的單粒子峰時）經鑒別器、計數(shù)器計數(shù),。
這類探測器具備超快的時間響應（小口徑探測器可達到<100ps的上升沿,，100ps左右的FWPM脈沖響應），非常適合做TOF（Time Of Fly,，時間飛行）譜儀的探測器,，因此也常稱作TOF探測器。
除了MCP本身的電子渡越時間展寬之外,，電子云在MCP和陽之間的飛行以及電流形成有時會對脈沖形狀（尤其是后沿）造成影響,。經過特殊設計的陽形狀（如錐形陽）可以減輕這種效應。Photek可根據(jù)用戶的需求設計不同形狀的陽板,。
圖6采用錐形陽的MCP探測器
如果對輸入面的電位無要求（例如,，光子探測），陽直接接地有助于方便的拾取電流信號,。但在很多場合下MCP輸入面需要零電位，這樣陽相對于地就有數(shù)千伏的高壓,，后續(xù)信號拾取時需要采用隔直電容：隔直電容需要耐高壓,、容量和取樣電阻需要精心設計以確保對快速信號的通過帶寬，而且一旦電容失效就會立刻擊穿后續(xù)電路,。Photek可配置隔離陽,，將電流取樣和陽板絕緣，確保響應速度,，同時免去用戶設計隔直電路的煩惱和風險,。
2.3 空間分辨陽
MCP本身是二維（成像）器件，采用熒光屏+相機讀出可以獲得圖像,，但是其時間分辨由相機決定,；而采用導電陽可以獲得超快的信號（<100ps響應），卻喪失了空間分辨能力,。通過采用特殊的陽結構,，如阻性陽(resistive sea anode) 或者延遲線(delay line)，可以同時實現(xiàn)高速度的時間,、空間分辨,。
圖7 阻性陽的空間分辨原理
阻性陽為具備特定形狀及非零電阻的陽板，如圖7所示,。通過四個端角上取樣的電流脈沖的比率來計算信號在MCP板上的位置,，同時具備實時響應的特征。
圖8 延遲線（Delay Line)示意圖
而延遲線則通過兩組密切排布的,、排布方向互相垂直的導線作為陽,；兩組導線的四個端點拾取的信號的時間可以獲知事件發(fā)生的位置和時間。
需要注意的是這類探測器（阻性陽與延遲線）通常工作在單粒子計數(shù)模式，如果在短時間（如<5ns）內有兩個信號同時抵達MCP的不同位置,，則位置反演會給出錯誤的結果,。當然，對于點源的跟蹤,，這類探測器也可工作在模擬,、連續(xù)輸出的模式。
Photek提供阻性陽和延遲線探測器,，以及探測系統(tǒng)（包括探測器,、快電子線路、計數(shù)軟件）,，可以實現(xiàn)<5ns的時間分辨率和512×512水平的空間分辨率,。
2.4 多陽探測器
采用多個相互絕緣的金屬陽，這樣可以輸出每個金屬陽探測到的電子信號,，實現(xiàn)位置分辨,、超快時間分辨的探測。其結構如圖8所示,。
圖9 多陽探測器的結構示意
陽個數(shù)可以達到64×64甚至更多,，陽之間的間距可達亞毫米水平，每個陽的響應時間可快至百微秒,。這類探測器能夠實現(xiàn)亞納秒信號的二維多通道同時采集,。
每個通道需要一路單獨的讀出電路，因此這類探測器成本較高,。電路可通過MEMS方式集成在探測器上,，也可以外置,。
針對某些特殊應用,，探測器可以做成方形的,，方便擴展探測面積和通道數(shù)目,。
Photek 公司提供多陽MCP探測器以及包括電子線路的探測系統(tǒng),。
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