王鵬飛，邱祥彪，邵愛飛，孫賽林，叢曉慶，金 戈，孫建寧，王 健，喬芳建，高 鵬，趙 勝，陳坤楊

（1. 北方夜視科技（南京）研究院有限公司，江蘇 南京 211106；2. 北方夜視技術股份有限公司，云南 昆明 650217））

引言

微通道板（microchannel plate, MCP）是一種厚度0.3 mm～1 mm 左右的薄玻璃板，分布有幾百萬個相互平行的圓形通道，每個通道是一個獨立的通道式電子倍增器。MCP 作為一種關鍵的電子倍增元件，廣泛應用于微光像增強器、微通道板型光電倍增管、電子顯微鏡及熒光光譜儀等領域[1]。開口面積比（open area ratio, OAR）是MCP 的一項關鍵性能指標，通常微通道板的開口面積比為58%～65%。在像增強器中，開口面積比越大，陰極出射電子進入通道內被放大的概率也就越大，與MCP非開口面碰撞而損失的概率降低，從而提高探測效率[2-3]。

增大開口面積比是MCP 性能提升的重要方面，劉術林等通過將皮料玻璃管的內外徑之比調整到接近微通道板的孔徑和通道中心距之比，再控制單絲直徑、復絲對邊距和復絲內單絲的根數(shù)，實現(xiàn)了開口面積比在65.7%～69.2%范圍內可控[4]；蘇德坦等人提出了一種大長徑比皮料玻璃管加工技術,提高了MCP 陣列及開口面積比的一致性，對于提升開口面積比有進一步的促進作用[5]。隨著MCP 孔徑的不斷縮小，通過減薄皮料厚度提升開口面積比導致孔壁越來越薄，很容易出現(xiàn)破損等疵病導致的發(fā)射點、黑點等問題，開口面積比的提升越來越困難。輸入面擴口技術是提升MCP 開口面積比的另一種途徑，S. Matoba 等人提出獲得一種90%開口面積比的方法，并極大提高了探測效率[6]；傅文紅等將MCP 的開口面積從58%提高到73%，電流增益由3652.6 提高到4622.8[7]，但由于工藝復雜、工藝可控性差等原因，經(jīng)多年的研究目前尚未能夠批量應用。

在新技術得到突破之前，開口面積比的提升還需要在傳統(tǒng)工藝中深入挖掘。MCP 的電極膜層通常使用NiCr 合金，其具有良好的導電性能、熱穩(wěn)定性和低電阻溫度系數(shù)[8-9]。MCP 輸入面鍍制的電極是開口面積比的重要影響因素：鍍膜過程中，膜層鍍制在表面的同時不可避免地會鍍在一定深度內的側壁上，導致鍍膜后孔徑縮小，關于此部分的影響尚未研究。針對鍍膜對開口面積比的影響，本文通過構建理論模型，定量計算了鍍膜對于MCP開口面積比的影響。在理論計算的基礎上，通過調整鍍膜工藝、改變鍍膜方式降低了電極膜層對開口面積比的不利影響。

1 輸入端電極膜層對開口面積比影響的理論分析

根據(jù)MCP 輸入面實際鍍膜狀態(tài)建立理想模型如圖1 所示。圖中：D為孔間距；d為基底孔徑；α為鍍膜角度；xd為鍍膜深度（x=tanα）；T為表面膜層厚度；t為通道內壁側壁膜層最大厚度，為方便計算，理論模型中斜切角設置為0。

圖1 電極膜層影響開口面積比模型Fig. 1 Model of OAR influenced by electrode film

未鍍膜時開口面積比計算公式為

設置鍍膜角度為90°時，表面的鍍膜速率為V，鍍膜角度為α，MCP 無自轉時，通道內壁鍍膜俯視示意圖如圖2 所示。

圖2 通道內壁鍍膜俯視圖Fig. 2 Top view of coating in channel inner wall

沿鍍膜方向直徑CD剖面，C點處表面鍍膜速率為V·sinα，側面鍍膜速率為V·cosα，C點處側壁厚度t計算為

由于MCP 正常鍍膜時存在自轉，側壁的膜厚為單個通道圓周上各位置平均的膜厚。由于遮擋，半圓ADB通道內壁無膜層，進半圓ACB能夠鍍上膜層。其中半圓ACB中，以弧長ef為例，鍍制在弧ef內的鍍膜料與直徑方向虛擬的e'f'相同，根據(jù)微積分思想，鍍制在半圓ACB上的膜層總量與虛擬的臺階直徑AB上相同，計算出準確的t：

將(4)式帶入(2)式，得到考慮電極膜層影響之后的開口面積比的計算公式（5）以及鍍膜所導致的開口面積比損失量：

從公式中可以看出，影響因素主要有：鍍制電極的膜層厚度、鍍膜深度以及基底的孔徑、孔間距。當MCP 基底不變時，膜層厚度越厚，鍍膜深度越淺，則開口面積比的損失量越大；當膜層厚度與鍍膜深度不變時，基底孔徑越小，則開口面積比的損失量越大。MCP 實際參數(shù)為：孔徑6.7 μm、孔間距7.9 μm、鍍膜深度3.35 μm、膜層厚度300 nm，以此為基礎進行模擬計算，結果如圖3 所示。

圖3 膜層厚度、孔徑對于MCP 開口面積比的影響Fig. 3 Effect of film thickness and aperture on opening arearatio of MCP

從模擬的結果來看：基底不變，開口面積比損失量與膜層厚度基本呈現(xiàn)線性關系；鍍膜工藝不動，膜層厚度一致，MCP 孔徑越小，所受到的影響越大。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗條件和方法

本試驗電極膜層的鍍制采用物理真空蒸發(fā)法，加熱方式為電子束加熱，分別采用2 種方式來有限減少電極膜層厚度，一是使用Ni80Cr20 為膜料，改變工藝參數(shù)，控制Ni、Cr 比例改善面電阻；二是使用Ni、Cr 金屬單質，利用疊加膜層的鍍制方式來控制Ni、Cr 比例，改善面電阻。本試驗所用的MCP 為Φ25-6 型號的MCP，其外徑為25 mm，厚度為0.31 mm，孔徑為6.7 μm，斜切角為6°，裸板的開口比為65%。輸入和輸出電極的深度固定，其中輸入電極深度約為0.5d，輸出電極深度約為2.0d，d為MCP 的孔徑。

2.1.1 鍍膜工藝調整法

合金在氣化過程中，由于各成分的飽和蒸氣壓不同，使得其蒸發(fā)速率也不同，會發(fā)生分解和分餾，因而合金中各元素原子的蒸發(fā)過程實際上可以被看做是相互獨立的過程。根據(jù)相平衡理論，溫度高蒸氣壓就高，固態(tài)金屬的蒸發(fā)量就大。同理，蒸氣壓越高的金屬也越容易受熱蒸發(fā)，所以，合金蒸發(fā)出來的蒸氣可能具有完全不同于其固態(tài)或液態(tài)的成分，后果是沉積后的薄膜成分偏離其固態(tài)的化學組成[10-11]。

MCP 鍍膜通常使用的是Ni80Cr20 合金，原有的鍍膜工藝，鍍制出的電極膜層Cr∶Ni 通常為1∶1～1∶1.5 左右。根據(jù)合金中各組分蒸發(fā)速率的公式[12]:

說明鎳鉻合金中鉻的初始蒸發(fā)速率為鎳的2.8 倍，正是由于這種分餾現(xiàn)象，使得MCP 電極膜層的Cr、Ni 比例與鍍膜料自身的比例存在差異。

一般情況下，采用真空蒸鍍方法來制備合金薄膜，可以使用閃蒸法、多源共蒸法來控制成分[13]。本文在原工藝基礎上進行相關設備工藝參數(shù)的調整，提高鍍膜料的加熱速度，以較大的功率密度實現(xiàn)快速蒸發(fā),使之接近閃蒸法的效果，減少初始階段合金分餾和蒸發(fā)速率的差異，使鍍制的薄膜成分更加接近蒸發(fā)物材料成分，最終實現(xiàn)MCP 上鎳鉻電極中Ni、Cr 元素比例的控制。

2.1.2 鍍制疊層法

疊層顧名思義就是將2 種或2 種以上材料，根據(jù)設計需要一層層疊加起來，如圖4 所示。為保證膜層在MCP 上的牢固度，疊層鍍制必須先鍍與玻璃附著比較牢固的Cr[14]。疊層材料能夠基于各組元材料的本征性能，充分發(fā)揮各組元間的復合、協(xié)同及多性能響應機制，是透明導電薄膜領域常用的技術手段，通過疊層元素的改變，可以實現(xiàn)低方塊電阻、高透過率的雙重要求[15]。

圖4 NiCr 疊層結構示意圖Fig. 4 Schematic diagram of NiCr laminated structure

疊層電極的具體工藝過程如下：1） 將經(jīng)氫氣還原過的MCP 裝在鍍膜夾具上，放進鍍膜機腔室內，抽高真空；2） 在高真空下，旋轉夾具，高溫下對MCP 進行烘烤；3) 烘烤結束，電子束先加熱Cr，打開擋板蒸鍍一定膜厚，關閉擋板；4） 坩堝切換到Ni，電子束加熱，打開擋板蒸鍍一定膜厚的Ni，關閉擋板；5） 根據(jù)設計比例重復一定次數(shù)的3）和4）；6） 完成鍍膜，關閉電子束加熱裝置，自然冷卻至室溫，停止抽真空，充氣至大氣壓，取出。經(jīng)過上述過程，可以在MCP 的端面鍍制任意Cr、Ni 比例的電極膜層。

為了比較 MCP 端面電極膜層Cr、Ni 比例改變帶來的增益變化，將其裝入像增強器管殼中，在MCP 綜合測試儀上進行測試。

2.2 試驗結果與討論

2.2.1 鍍膜工藝調整法

2.2.1.1 工藝參數(shù)與電阻率關系

通過改變電子槍的設置參數(shù)，調整鍍膜料的蒸鍍溫度。我們試驗發(fā)現(xiàn)隨著蒸鍍溫度的升高，電阻率呈減小趨勢，這就可以在滿足面電阻要求（20 Ω/□～30 Ω/□）的前提下，減薄電極膜層厚度，表1為蒸鍍工藝調整與電阻率的對應關系。

表1 蒸鍍工藝與電阻率的關系表Table 1 Relationship between evaporation process and resistivity

通過分析，我們認為蒸鍍溫度的升高，使合金快速蒸發(fā)，有利于減弱Ni、Cr 之間蒸氣壓的差異帶來的影響，使蒸發(fā)過程接近“閃蒸法”的鍍膜效果。

2.2.1.2 工藝參數(shù)對開口面積比影響

使用同批次MCP，未鍍膜MCP 半成品孔徑為6.7 μm，孔間距為7.9 μm，開口面積比為65%。按照20 Ω/□的面電阻要求，我們使用工藝二與原工藝進行鍍膜后開口面積比的對比，通過測量鍍膜后的實際開口面積比，結果如表2 所示，工藝二可減少開口面積比的損失約2 個點。

表2 蒸鍍工藝與方塊電阻的關系表Table 2 Relationship between evaporation process and square resistance

2.2.2 鍍制疊層法

2.2.2.1 鍍制疊層與電阻率關系

通過增加Ni 膜層的厚度，可以提高Ni 的比例。在膜層厚度一致的前提下，隨著Ni 的比例升高，電極膜層的電阻率呈減小趨勢，如表3 所示，較小的電阻率對減小膜層厚度，提高開口面積比是十分有利的。通過使用膠帶剝離法測試，疊層的最底層為Cr 膜層時，疊層的牢固度與鎳鉻合金膜層相比沒有差異，鍍制疊層的MCP 完全符合使用要求。

表3 疊層工藝與方塊電阻的關系表Table 3 Relationship between lamination process and square resistance

2.2.2.2 鍍制疊層對開口面積比影響

使用同批次MCP，未鍍膜MCP 半成品孔徑為6.7 μm，孔間距為7.9 μm，開口面積比為65%。按照20 Ω/□的面電阻要求，選擇1∶5 比例與正常工藝鍍膜制作MCP 進行對比。

疊層鍍制1∶5 膜層厚度僅為86 nm，鍍膜后孔徑為6.6 μm，開口面積比為63%，如圖5 所示。

圖5 MCP 輸入端NiCr 疊層實物圖與孔徑測量實物圖Fig. 5 Physical drawing of NiCr laminated film and aperture measurement at MCP input terminal

對輸入端膜層進行了EDS 能譜測試，Cr∶Ni=1∶4.98，比例符合設計值，測試結果如圖6 所示。

圖6 輸入端膜層Cr∶Ni=1∶5 的EDS 能譜圖Fig. 6 EDS energy spectrum of input terminal film when Cr∶Ni = 1∶5

原鍍膜工藝膜層厚度273 nm，鍍膜后孔徑為6.4 μm，開口面積比為59.5%，如圖7 所示。圖8為EDS 能譜測試圖，結果顯示Cr∶Ni=1∶1.1。

圖7 原鍍膜工藝膜層實物圖與孔徑測量實物圖Fig. 7 Physical drawing of film layer and aperture measurement of original coating process

圖8 原鍍膜工藝制出輸入端膜層EDS 能譜圖Fig. 8 EDS energy spectrum of input terminal film prepared by original coating process

相較于原鍍膜工藝，使用疊層鍍膜工藝，控制Cr∶Ni=1∶5 時，在達到相同的面電阻要求下，開口面積比從60%提升到63%。與未鍍膜的毛坯板相比，開口面積比僅損失3 個百分點。

2.2.2.3 鍍制疊層對增益的影響

將上述2 種對比試驗的MCP 裝在MCP 測試儀上進行增益測試，Cr、Ni 膜層的MCP 增益高約6%，MCP 電壓在800 V 下的增益測試結果如表4所示。

表4 原鍍膜工藝與Cr∶Ni=1∶5 時，800V 電壓下MCP 增益對比表Table 4 Comparison of MCP gain under 800 V voltage between original coating process and Cr∶Ni = 1∶5

3 結論

本文建立了電極膜層對MCP 開口面積比影響的理論模型，通過理論分析，量化了電極膜層對MCP 開口面積比的影響程度。為了改善電極膜層對開口面積比的影響，提出了鍍膜工藝調整與鍍制疊層2 種工藝方法，通過控制MCP 端面電極膜層Cr、Ni 比例，可控制MCP 端面電極的電阻率。通過提高電極膜層Ni 含量，在滿足面電阻要求的前提下，實現(xiàn)了將輸入端電極膜層減小到86 nm的水平，減少膜厚對開口面積比的損失，使開口面積比提高3%～4%，通過實際測試，增益可提高6%左右。