滨松光子学商贸（中国）有限公司

分析测试百科网 > 行业资讯 > 微信文章

想选好用好微通道板（MCP），这5个参数得了解一下！

滨松

2018.7.12

全篇约5500字，阅读大概需要15 mins

原汁原味儿滨松技术干货，建议收藏阅览

什么是MCP？

点开文章来阅读的小伙伴，肯定多少都了解MCP，不过我们还是先来综合聊一聊它的一些基础原理。

滨松MCP产品

微通道板（Microchannel Plate，一般简称 MCP）可以被用于检测电子、离子、高能粒子、中子、紫外线、X射线等各种粒子和能量较高的电磁波。是由大量中空的毛细管（微通道）二维排列而成的片状结构（见图1-A，B）。

微通道的内壁经过处理，使得粒子轰击时能够产生二次电子。使用中MCP两端被加上电压，在微通道内部形成电场，粒子轰击产生的二次电子会被电场加速，再次轰击微通道内部产生更多的二次电子（如图1-C）。这个过程在同一微通道中重复多次，最终在出口端输出大量的电子（称为倍增电子）。

MCP最终输出的倍增电子和入射粒子的数量之比称为MCP的增益，一般单片MCP的增益在10³左右。

图1. MCP结构与基本原理

MCP的尺寸一般在10-100mm量级，厚度在0.5-1mm量级，微通道直径在10um左右

MCP输出的倍增电子一般有三种读出方式：单阳极读出、多阳极读出与荧光屏读出。滨松不仅能够提供MCP裸片，还可以提供模块产品对应各种信号读出方式与要求。

· 单阳极读出模块：所有MCP输出的倍增电子被同一个阳极接收转化为电信号。此类模块相当于一个点探测器，常被用做质谱探测器；

· 多阳极读出模块：MCP不同位置所输出的倍增电子对应着不同的阳极，让此类模块具有了位置区分的能力，可被用于化学分析用电子能谱（ESCA）等应用中。多阳极可以呈线性排列，也可以成二维排列（如图2）。阳极间距（Anode Pitch）可以为3mm或以上；

· 荧光屏读出模块：荧光屏可以将MCP输出的电子转化为可见光。与单片MCP联用时分辨率能达到40-50um；与两片MCP联用时分辨率能够做到80-100um。根据需求不同（如输出的可见光颜色、荧光衰减时间、响应时间等），可以选择不同的荧光屏。

图2. MCP读出模块示意：（A）单阳极读出；（B）多阳极读出；（C）荧光屏读出

MCP已经被广泛用于质谱、电镜、表面分析等领域。如在质谱应用中，样品经过电离源生成离子，经过质量分析器后，不同质荷比（m/z，即电荷/分子量）的离子被区分开来并在真空中飞向MCP，最终被MCP所探测。

图3. MCP在质谱中的使用示意图

5个重要参数解析

作为一类探测器，MCP的探测下限、探测上限与线性范围、响应速度、寿命及使用环境都是经常被关注的特征。另外，对于荧光屏输出的MCP模块，空间分辨率也非常重要。接下来，我们就将从这些特征入手，进行解析。

探测下限

◆ ◆ ◆

探测下限的核心是整个探测体系的信噪比。

图4. MCP信噪比的相关参数

为了拥有更好的探测下限，可以从以下三个方面入手：

提高探测效率；

降低噪声，尤其是能被增益放大的噪声；

提升增益。

1探测效率

在MCP对弱信号进行探测时，越大比例的待测信号能被接收并轰击出二次电子（即探测效率越高），也就意味着能更好地“利用”待测信号，探测下限也就越低。

不同的粒子/电磁波在MCP中的探测效率并不一样（如表1），所以提升MCP探测效率的第一个策略是先将探测效率低的粒子/电磁波转换为探测效率高的粒子（如电子）。

例如，（a）MCP对VUV的探测效率较低，在VUV探测中，可在MCP入口端镀上CsI等光电转换材料将VUV转换为电子；（b）MCP对可见光几乎无响应，在极弱可见光探测的像增强器中，可通过GaAs等光电材料将可见光转化为电子。

表1. MCP对各种粒子/电磁波的探测效率

第二个提升探测效率的策略，是让更大比例的入射粒子成功轰击出二次电子。具体办法有二：

# 增加开口率（Open Area Ratio，OAR）

开口率指“MCP表面微通道开口面积 / 整个MCP有效面积”。开口率越高，MCP的探测效率也越高。一般普通MCP的开口率为60%，而滨松研发的漏斗形（funnel type）开口的MCP，开口率可达90%（如图5，实际对比如图6）。

图5. MCP的开口率与偏角

图6. 不同OAR的MCP在探测效率上的对比

样品为小分子蛋白质，探测体系为MALDI-TOF

# 选择合适的偏角（Bias Angle）

偏角指微通道与MCP表面的法线之间所成的角度，为的是让粒子有更大的概率轰击到微通道的内壁上（如图5）。

但偏角并非越大越好，以电子为例，在打入微通道内壁后产生二次电子，产生二次电子的位置和偏角相关。如果偏角太大，使得电子入射后产生二次电子的位置较深，容易造成二次电子的逸出减少；如果偏角太小，又会导致没有足够的二次电子激发。MCP的偏角一般为8°~ 12°。

2噪声

在MCP所涉及的探测系统中，噪声可以分成MCP本身的噪声，以及读出端的噪声。

MCP本身的噪声是比较低的，在电压1000V时，单片MCP的暗电流低于0.5pA/cm²。作为对比，光电倍增管（PMT）是以信噪比高而著称的探测器，滨松R928侧窗光电倍增管的感光面积为8mm x 24mm = 1.92 cm²，其暗噪声的典型值为3nA，折合约1500pA/cm²。

MCP在使用中主要需要考虑的噪声来源是离子反馈（Ion Feedback，具体机理见图7）。虽然MCP工作在真空中，但总是不可避免的有残余气体分子。当MCP输出的倍增电子和残余气体分子碰撞时，会产生正离子。这些正离子在电场中会与倍增电子呈反向运动，再次轰击微通道内壁产生电子，这个过程就称为离子反馈。由于正离子反向运动是需要时间的，所以离子反馈所产生的信号与真实信号本身并不会叠加，反而成为了噪声/杂峰的重要来源。

所以真空度不够时，残余气体分子过多会在实际使用中带来额外的噪声，这是特别需要注意的。就滨松的MCP产品而言，建议工作在1.3x10^-4Pa以下。不过，滨松也将在近期发布能够工作在低真空度（至1Pa）下的MCP模块，敬请关注。

图7. 离子反馈示意图

3增益

由于MCP本身的噪声很低，所以读出端引入的噪声（主要是不能被MCP增益放大的噪声，参考图4中公式）会影响较大。具体说来，无论是单阳极输出方式中的读出电路，还是荧光屏输出方式中的荧光屏+相机，都会引入额外的噪声。

所以在检测弱信号的时候，MCP采用更高的增益不仅是放大了信号，产生了更多的倍增电子，还能让整个系统得到更好的信噪比。

MCP的增益主要与纵横比（α，Aspect Ratio）和电压相关。纵横比指微通道的长度与直径的比值（如图8）；电压特指加在MCP两端的电压（如图1-C中所示的电压）。如图8所示，纵横比越大，MCP所能提供的增益越大；同一片MCP上所加的电压越大，增益越大。

图8. MCP的增益与电压、纵横比之间的关系

对于单片的MCP，当增益大于10⁴的时候，MCP射出的倍增电子量变大，离子反馈所产生的噪声就很大了；所以一般不会用太高的纵横比（一般40-60，这样给1kV电压的时候就能做到10⁴的增益）。

如果应用中需要更高的增益，通常会把2-3片MCP叠在一起，并让前后MCP的偏角反过来（如图9），这样的反角设计，可让反馈离子难以进入第一级MCP，有效减弱离子反馈，提升信噪比。如图9所示，2-3片MCP叠在一起的增益会比较高。实际使用中，最常见的是将两片MCP叠在一起获得约10⁶以上的增益。

图9. 2-3片MCP叠在一起的使用方案及效果

综上所述，只要在要求的高真空环境下，MCP本身的噪音是非常低的。如果特别关注弱信号的检测，在选型和使用时主要可以考虑：

1）选用大开口率（OAR）的型号，保障高探测效率；

2）适当采用较高的电压，以及选择2-3片MCP叠起来使用以获得更高的增益,间接压制读出端的噪音，降低信号读出的难度。

线性范围与探测上限

◆ ◆ ◆

线性范围取决于探测上限与探测下限的差值。如果一个手段（例如降低增益）既提升了探测上限，也提升了探测下限，其往往不能提升动态范围。由于MCP的探测下限与增益息息相关（参见上节），所以当希望MCP具有较大线性范围的时候，一般主要考虑如何在不影响增益的情况下提升探测上限。

图10. MCP探测上限与探测下限的参数解析

MCP探测上限相关的主要参数称为最大线性输出电流（MaximumLinear Current），其绝对数值一般为3-5uA。

当MCP的输出电子变多时，MCP内壁会因为大量的二次电子发射而带电，这会影响电场分布削弱接下来的倍增过程。MCP内壁所带的电荷会被带电流（strip current，参考图1-C）所中和。但是由于MCP较高的等效内阻（一般在100-1000MΩ），带电流通常会比较小，这就导致倍增电子过多时，在微通道壁上残余的电荷不能及时被中和，影响MCP内的电场分布并最终导致增益下降——此时MCP对于信号离子的响应也就不再是线性的了。

由于MCP的最大线性输出电流与带电流的大小相关，所以最大线性输出电流有时会标注为带电流的百分比，如“7% of strip current”。

以上述原理为基础，为了增加最大线性输出电流，得到更大的线性范围，第一个策略是采用较低等效内阻（如滨松F6584所采用的2-30MΩ）的MCP；同样的电压下，更低的电阻可以得到更大的带电流（strip current），从而提升最大线性输出以及线性范围（如图11）。