关于微通道板信号拾取及读出

关于微通道板信号拾取及读出
微通道板本身只是对电子进行倍增放大的器件，它吸收输入的带电粒子或光子，输出倍增以后的电流（电子云）。为获取实验结果，需要将输出的电子经过拾取或转换后，形成能够拍摄、记录或计数的信号。
因此，对于一个特定目的的MCP真空探测器，信号拾取和读出是非常重要的部分。通常会需要一个阳极用来拾取电子云信号，阳极与MCP输出端之间有一定间距并加有高压。一般而言有几种类型的阳极：

1. 荧光屏：受高能电子轰击后会发光，从而形成可见光的图像；
2. 金属导电阳极：直接拾取电流，用于粒子流强的分析或计数；
3. 位置敏感阳极：如阻性阳极或延迟线等，通过多通道读出，在获取信号强度的同时分析电子云的位置；
4. 多阳极：多个相互隔离的金属阳极，支持多点实时的信号采集。

1. CCD/CMOS相机：通过透镜或光纤锥，将荧光屏上的像传递到图像芯片上，并传输***脑处理；
2. 示波器、A/D转换或计数器：主要用于读出阳极电流信号。入射流强较大时，可得到连续的电流，经过A/D转换存储为数字信号或经过示波器显示，从而得到信号随时间变化的特性；信号微弱时，采用阈值鉴别的方法进行计数；
3. 位置分辨数据处理：对位置敏感阳极的信号进行高速处理，得到事件的位置、到达时间以及计数率；
4. 多通道并行处理：用于多阳极探测器。

 
2.1 荧光屏及其读出
用于成像目的的MCP探测器一般采用荧光屏作为阳极。荧光屏在数个keV的高能电子轰击下会发射可见光，经过相机拍摄后形成图像型号。

1. 光纤锥耦合与透镜耦合：光纤锥的优点是效率高，像畸变小；缺点是信号强度均匀性会受到一定的影响，另外光纤锥耦合需要后端相机芯片上已经粘好光纤面板输入，故相机的选择受到一定的局限；透镜耦合结构比较简单，放大倍率灵活可调，比较适合大缩放比的情景，透镜耦合效率低于光纤锥耦合，而分辨率、成像质量取决于透镜的质量。透镜耦合可以设计成90度转折光路，当实验系统有穿透性非常高的粒子（如中子、高能光子）时，这种设计有助于保护后续相机及电子线路免受辐射损伤。

即使探测器本身选配了光纤锥输出，仍旧可以采用透镜来作像传递。

1. CCD或CMOS相机的选择：由于MCP本身有较大的增益，一般信号探测可采用普通的科研级CCD/CMOS相机，根据所需要的分辨率及帧速选择；较为微弱的、需要长时间积分的信号，可选择制冷型CCD相机；对探测动态范围有需求时，建议使用sCMOS相机；如果工作在单光子计数模式，可以选择常规的CMOS相机。
2. 单光子计数模式：针对极微弱的信号，CCD/CMOS相机可工作在单光子计数模式，单光子计数模式需要前端采用二级连或以上（1E6增益）的MCP。在单光子计数模式时，相机持续以固定帧率或接受外触发同步采集信号，MCP探测到的单粒子事件会在图像上形成分立的斑点；软件计算每个斑点的总强度和强度重心，超过一定阈值的被认为是单个粒子事件，其重心位置对应的坐标计数值加1。经过长时间、多帧叠加后，还原图像。

采用相机进行单光子探测无法进行高速的时间分辨（时间分辨取决于相机的帧率），但其统计的方式可以实现非常低的噪声，同时因为单粒子事件的空间坐标采用统计重心的方式，其空间分辨率可以非常高，达到CCD芯片的水平。
Photek提供成像或粒子计数的成套系统，包括MCP探测器、光学耦合、相机和软件。
2.2 金属阳极输出（真空PMT）
如果在MCP输出端之后放置金属阳极，并施加高压，电子云会到达阳极并可以形成电流输出，电流强度正比于输入信号的强度。电流可通过示波器、A/D转换器采集，或者（信号极微弱，只能产生分立的单粒子峰时）经鉴别器、计数器计数。
这类探测器具备超快的时间响应（小口径探测器可达到<100ps的上升沿，100ps左右的FWPM脉冲响应），非常适合做TOF（Time Of Fly，时间飞行）谱仪的探测器，因此也常称作TOF探测器。
除了MCP本身的电子渡越时间展宽之外，电子云在MCP和阳极之间的飞行以及电流形成有时会对脉冲形状（尤其是后沿）造成影响。经过特殊设计的阳极形状（如锥形阳极）可以减轻这种效应。Photek可根据用户的需求设计不同形状的阳极板。