微通道板及其成像探测应用的研究

论文摘要

微通道板（Microchannel Plate, MCP）作为一种通道式电子倍增器阵列,具有维空间和时间分辨能力,以及对多种辐射物直接探测的能力,是集信号放大与成像探测等为一体的多功能探测器,因此具有广阔的应用前景和研究价值。本论文针对MCP玻璃材料设计和制作工艺以及基于MCP的成像探测器等方面进行了深入的研究,主要研究内容以及所完成的工作分为以下四个部分：1.针对应用于三代像增强器的MCP的玻璃成份优化以及制作工艺改进的研究,旨在提高MCP耐受真空烘烤和电子清刷能力,并增大MCP的开口面积比,以确保三代像增强器可靠性要求同时改善信噪比。研制了一种优化玻璃设计的25mm直径6μm孔径MCP,开口面积比达到68%,确保了三代像增强器5000小时以上的可靠性要求,同时MCP噪声因子降低到1.8,使三代像增强器的信噪比达到25：1。针对研制过程中该MCP制作的像增强器出现的“记忆”现象,分析得出MCP通道内壁的导电层和发射层间存在的富硅层过厚而具有远较导电层要大的电阻,是导致像增强器出现“记忆”现象的原因,并通过严格控制MCP的制作过程,消除了“记忆”现象的出现。2.无膜或薄膜MCP三代像增强器的可行性及技术途径探究。完全除去离子阻挡膜可以最大化三代像增强器的光阴极效率的有效利用率,但增加了可靠性的风险,减小膜层厚度是一种更为灵活的途径。从理论上讲,将微通道阵列结构移植到体导电基体可使MCP免受离子反馈难题的困绕。研制了一种磷酸钒铁铅系统的体导电玻璃,完成了25mm直径10μm孔径60：1长径比体导电玻璃MCP样品的制作,但这种体导电玻璃MCP的增益较低,并且在机械强度上存在严重不足。通过MCP玻璃成份的再优化,减少MCP基体中形成离子反馈的有害物种总量,减薄离子阻挡膜,可在维持甚至提高三代像增强器可靠性的同时,进一步改善三代像增强器的信噪比。研制了一种玻璃成份和微结构再优化的25mm直径6μm孔径MCP,在三代像增强器上的试验证明其噪声因子降低到1.7,同时三代像增强器的工作寿命还得到了进一步的提高。3.应用于条纹相机和分幅相机的大面积低阻抗小孔径MCP研制,以及应用于瞬态光学成像的MCP的时间增益和动态特性的研究。研制了一种低阻抗MCP玻璃,将还原铅硅酸盐玻璃的最小表面电阻率调整到1012～1013Ω/□范围,满足了制作多种规格的低阻抗MCP的要求。同时,对MCP的饱和效应对条纹相机的动态范围的影响,以及X射线分幅相机超高速脉冲电压选通MCP增益的时间和动态特性的限定因素进行了分析和研究。4.采用在MCP玻璃中引入中子灵敏核素,如10B或155,157Gd,使MCP具备对中子探测能力,将MCP的应用拓展到以中子为探针的成像探测。完成了掺10mol%natB2O3、掺3mole%natGd2O3和3mole%natGd2O3+10mol%natB2O3的50mm直径10μm孔径的MCP制作,实验得出3mole%natGd2O3玻璃的MCP能够达到对热中子成像的35%的探测效率,通过理论模型预示掺3mole%natGd2O3的MCP对热中子的探测效率相当于甚至优于掺20mole%的10B203的MCP,并且通过MCP几何结构的优化,掺3mole%natGd2O3的MCP的探测效率还具有相当程度提高的潜力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 MCP及其成像探测应用
• 1.1 前言
• 1.2 MCP原理及功能特性
• 1.2.1 MCP工作原理
• 1.2.2 MCP的功能特性
• 1.3 微光夜视及像增强器技术
• 1.3.1 夜天空的辐射照度及光谱分布
• 1.3.2 人眼的视觉特性
• 1.3.3 像增强器的技术概况及发展历程
• 1.4 瞬态光学成像
• 1.4.1 X射线条纹相机
• 1.4.2 X射线分幅相机
• 1.5 将MCP拓展到以中子为探针的成像探测的中子敏感MCP
• 1.6 课题的主要研究内容
• 1.6.1 应用于三代像增强器的MCP性能改进
• 1.6.2 应用于条纹相机和分幅相机的MCP的增益时间特性和动态特性
• 1.6.3 中子敏感MCP和基于MCP的中子成像探测
• 参考文献
• 第二章 应用于三代像增强器的MCP的研究
• 2.1 引言
• 2.2 三代像增强器及其MCP的特性
• 2.2.1 像增强器的性能及评价方法
• 2.2.2 三代像增强器的特性及其对MCP的要求
• 2.3 MCP玻璃及MCP制作工艺研究
• 2.3.1 MCP玻璃特性
• 2.3.2 MCP的主要结构参数
• 2.3.3 MCP制作的工艺流程及测试方法
• 2.3.4 MCP的制作工艺及其对玻璃的特性要求
• 2.4 一种玻璃成份较好的MCP的研制
• 2.4.1 MCP玻璃的成份优化及制备
• 2.4.2 高性能玻璃MCP的制作
• 2.4.3 MCP自再生离子反馈和“记忆”现象形成机理分析和消除方法
• 2.4.4 高性能玻璃MCP在像增强器上的试验
• 小结
• 参考文献
• 第三章 三代像增强器及其MCP的性能拓展研究
• 3.1 引言
• 3.2 像增强器光阴极的有效利用率与MCP的离子反馈
• 3.2.1 像增强器光阴极效率的有效利用率与MCP的噪声因子
• 2.2.2 MCP的离子反馈及其有效抑制方法
• 3.3 体导电玻璃MCP研究
• 3.3.1 体导电玻璃MCP的概念和研究现状
• 3.3.2 一种钒铁铅磷酸盐半导体玻璃的成份及制备
• 3.3.3 磷酸盐半导体玻璃的体导电MCP的制作实验结果与评价
• 3.4 低离子反馈低噪声因子MCP的研究
• 3.4.1 还原铅硅酸盐MCP玻璃组份和结构
• 3.4.2 玻璃成份和结构再优化的MCP的研究
• 3.4.3 实现无膜MCP三代像增强器的技术途径探究
• 小结
• 参考文献
• 第四章 应用于条纹相机和分幅相机的MCP特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 低阻抗MCP玻璃与大面积小孔径低阻抗MCP的研制
• 4.2.1 MCP的动态范围与低阻抗MCP玻璃
• 4.2.2 大面积小孔径低阻抗MCP的制作
• 4.3 应用于条纹相机的MCP特性研究
• 4.3.1 条纹相机的构造及工作原理
• 4.3.2 条纹相机的主要特性
• 4.3.3 MCP的饱和效应对条纹相机动态范围的影响分析
• 4.4 应用于X射线分幅相机的MCP特性研究
• 4.4.1 X射线分幅相机及微带MCP
• 4.4.2 脉冲电压高速选通MCP的时间增益的动态特性
• 小结
• 参考文献
• 第五章 中子敏感MCP和基于MCP的中子成像探测的研究
• 5.1 引言
• 5.2 中子敏感MCP及基于MCP的事件计数探测器
• 5.2.1 中子灵敏MCP的实现
• 5.2.2 基于MCP和位置灵敏阳极的计数成像探测器
• 5.3 中子敏感MCP的探测效率
• 5.3.1 中子探测效率的预估
• 2O₃玻璃MCP的中子吸收概率的实验评估'>5.3.2 掺B₂O₃玻璃MCP的中子吸收概率的实验评估
• 2O₃玻璃MCP的中子成像和中子探测效率的实验评估'>5.3.3 掺Gd₂O₃玻璃MCP的中子成像和中子探测效率的实验评估
• 小结
• 参考文献
• 结论
• 致谢
• 在攻读博士学位期间发表的学术论文和参与的科研项目