【干貨】詳解TOF-MS探測器MCP的5個重要參數

MCP（微通道板）是一種平面二維探測器，可以在真空條件中探測電子、離子、真空紫外線、X射線和伽瑪射線，并能放大探測的信號。重要的特點是快速達到低于納秒的響應時間，對于飛行時間質譜（TOF-MS）來說是非常理想的探測器。

濱松MCP產品

在質譜應用中，樣品經過電離源生成離子，經過質量分析器后，不同荷質比（m/z，即電荷/分子量）的離子被區分開來并在真空中飛向MCP，最終被MCP所探測。

MCP在TOF-MS中的使用示意圖

本文將就MCP的基本原理，重要參數和簡單選型問題，進行解讀。以幫助儀器開發中，對MCP產品更好的理解、選擇和使用。

什么是MCP？

微通道板（Microchannel Plate，一般簡稱 MCP）可以被用于檢測電子、離子、高能粒子、中子、紫外線、X射線等各種粒子和能量較高的電磁波。是由大量中空的毛細管（微通道）二維排列而成的片狀結構（見圖1-A，B）。

微通道的內壁經過處理，使得粒子轟擊時能夠產生二次電子。使用中MCP兩端被加上電壓，在微通道內部形成電場，粒子轟擊產生的二次電子會被電場加速，再次轟擊微通道內部產生更多的二次電子（如圖1-C）。這個過程在同一微通道中重復多次，最終在出口端輸出大量的電子（稱為倍增電子）。

MCP最終輸出的倍增電子和入射粒子的數量之比稱為MCP的增益，一般單片MCP的增益在10³左右。

圖1. MCP結構與基本原理

MCP的尺寸一般在10-100mm量級，厚度在0.5-1mm量級，微通道直徑在10um左右

MCP輸出的倍增電子一般有三種讀出方式：單陽極讀出、多陽極讀出與熒光屏讀出。濱松不僅能夠提供MCP裸片，還可以提供模塊產品對應各種信號讀出方式與要求。

· 單陽極讀出模塊：所有MCP輸出的倍增電子被同一個陽極接收轉化為電信號。此類模塊相當于一個點探測器，常被用做質譜探測器；

· 多陽極讀出模塊：MCP不同位置所輸出的倍增電子對應著不同的陽極，讓此類模塊具有了位置區分的能力，可被用于化學分析用電子能譜（ESCA）等應用中。多陽極可以呈線性排列，也可以成二維排列（如圖2）。陽極間距（Anode Pitch）可以為3mm或以上；

· 熒光屏讀出模塊：熒光屏可以將MCP輸出的電子轉化為可見光。與單片MCP聯用時分辨率能達到40-50um；與兩片MCP聯用時分辨率能夠做到80-100um。根據需求不同（如輸出的可見光顏色、熒光衰減時間、響應時間等），可以選擇不同的熒光屏。

圖2. MCP讀出模塊示意：（A）單陽極讀出；（B）多陽極讀出；（C）熒光屏讀出

5個重要參數解析

作為一類探測器，MCP的探測下限、探測上限與線性范圍、響應速度、壽命及使用環境都是經常被關注的特征。另外，對于熒光屏輸出的MCP模塊，空間分辨率也非常重要。接下來，我們就將從這些特征入手，進行解析。

探測下限

探測下限的核心是整個探測體系的信噪比。

圖4. MCP信噪比的相關參數

為了擁有更好的探測下限，可以從以下三個方面入手：

1、探測效率

在MCP對弱信號進行探測時，越大比例的待測信號能被接收并轟擊出二次電子（即探測效率越高），也就意味著能更好地“利用”待測信號，探測下限也就越低。

不同的粒子/電磁波在MCP中的探測效率并不一樣（如表1），所以提升MCP探測效率的第一個策略是先將探測效率低的粒子/電磁波轉換為探測效率高的粒子（如電子）。

例如，（a）MCP對VUV的探測效率較低，在VUV探測中，可在MCP入口端鍍上CsI等光電轉換材料將VUV轉換為電子；（b）MCP對可見光幾乎無響應，在極弱可見光探測的像增強器中，可通過GaAs等光電材料將可見光轉化為電子。

表1. MCP對各種粒子/電磁波的探測效率

第二個提升探測效率的策略，是讓更大比例的入射粒子成功轟擊出二次電子。具體辦法有二：

# 增加開口率（Open Area Ratio，OAR）

開口率指“MCP表面微通道開口面積 / 整個MCP有效面積”。開口率越高，MCP的探測效率也越高。一般普通MCP的開口率為60%，而濱松研發的漏斗形（funnel type）開口的MCP，開口率可達90%（如圖5，實際對比如圖6）。

圖5. MCP的開口率與偏角

圖6. 不同OAR的MCP在探測效率上的對比

樣品為小分子蛋白質，探測體系為MALDI-TOF

# 選擇合適的偏角（Bias Angle）

偏角指微通道與MCP表面的法線之間所成的角度，為的是讓粒子有更大的概率轟擊到微通道的內壁上（如圖5）。

但偏角并非越大越好，以電子為例，在打入微通道內壁后產生二次電子，產生二次電子的位置和偏角相關。如果偏角太大，使得電子入射后產生二次電子的位置較深，容易造成二次電子的逸出減少；如果偏角太小，又會導致沒有足夠的二次電子激發。MCP的偏角一般為8°~ 12°。

在MCP所涉及的探測系統中，噪聲可以分成MCP本身的噪聲，以及讀出端的噪聲。

MCP本身的噪聲是比較低的，在電壓1000V時，單片MCP的暗電流低于0.5pA/cm²。作為對比，光電倍增管（PMT）是以信噪比高而著稱的探測器，濱松R928側窗光電倍增管的感光面積為8mm x 24mm = 1.92 cm²，其暗噪聲的典型值為3nA，折合約1500pA/cm²。

MCP在使用中主要需要考慮的噪聲來源是離子反饋（Ion Feedback，具體機理見圖7）。雖然MCP工作在真空中，但總是不可避免的有殘余氣體分子。當MCP輸出的倍增電子和殘余氣體分子碰撞時，會產生正離子。這些正離子在電場中會與倍增電子呈反向運動，再次轟擊微通道內壁產生電子，這個過程就稱為離子反饋。由于正離子反向運動是需要時間的，所以離子反饋所產生的信號與真實信號本身并不會疊加，反而成為了噪聲/雜峰的重要來源。

所以真空度不夠時，殘余氣體分子過多會在實際使用中帶來額外的噪聲，這是特別需要注意的。就濱松的MCP產品而言，建議工作在1.3x10^-4Pa以下。不過，濱松也將在近期發布能夠工作在低真空度（至1Pa）下的MCP模塊，敬請關注。

圖7. 離子反饋示意圖

由于MCP本身的噪聲很低，所以讀出端引入的噪聲（主要是不能被MCP增益放大的噪聲，參考圖4中公式）會影響較大。具體說來，無論是單陽極輸出方式中的讀出電路，還是熒光屏輸出方式中的熒光屏+相機，都會引入額外的噪聲。

所以在檢測弱信號的時候，MCP采用更高的增益不僅是放大了信號，產生了更多的倍增電子，還能讓整個系統得到更好的信噪比。

MCP的增益主要與縱橫比（α，Aspect Ratio）和電壓相關。縱橫比指微通道的長度與直徑的比值（如圖8）；電壓特指加在MCP兩端的電壓（如圖1-C中所示的電壓）。如圖8所示，縱橫比越大，MCP所能提供的增益越大；同一片MCP上所加的電壓越大，增益越大。

圖8. MCP的增益與電壓、縱橫比之間的關系

對于單片的MCP，當增益大于10⁴的時候，MCP射出的倍增電子量變大，離子反饋所產生的噪聲就很大了；所以一般不會用太高的縱橫比（一般40-60，這樣給1kV電壓的時候就能做到10⁴的增益）。

如果應用中需要更高的增益，通常會把2-3片MCP疊在一起，并讓前后MCP的偏角反過來（如圖9），這樣的反角設計，可讓反饋離子難以進入第一級MCP，有效減弱離子反饋，提升信噪比。如圖9所示，2-3片MCP疊在一起的增益會比較高。實際使用中，最常見的是將兩片MCP疊在一起獲得約10⁶以上的增益。

圖9. 2-3片MCP疊在一起的使用方案及效果

綜上所述，只要在要求的高真空環境下，MCP本身的噪音是非常低的。如果特別關注弱信號的檢測，在選型和使用時主要可以考慮：

圖10. MCP探測上限與探測下限的參數解析

MCP探測上限相關的主要參數稱為最大線性輸出電流（MaximumLinear Current），其絕對數值一般為3-5uA。

當MCP的輸出電子變多時，MCP內壁會因為大量的二次電子發射而帶電，這會影響電場分布削弱接下來的倍增過程。MCP內壁所帶的電荷會被帶電流（strip current，參考圖1-C）所中和。但是由于MCP較高的等效內阻（一般在100-1000MΩ），帶電流通常會比較小，這就導致倍增電子過多時，在微通道壁上殘余的電荷不能及時被中和，影響MCP內的電場分布并最終導致增益下降——此時MCP對于信號離子的響應也就不再是線性的了。

由于MCP的最大線性輸出電流與帶電流的大小相關，所以最大線性輸出電流有時會標注為帶電流的百分比，如“7% of strip current”。

以上述原理為基礎，為了增加最大線性輸出電流，得到更大的線性范圍，第一個策略是采用較低等效內阻（如濱松F6584所采用的2-30MΩ）的MCP；同樣的電壓下，更低的電阻可以得到更大的帶電流（strip current），從而提升最大線性輸出以及線性范圍（如圖11）。

圖11. 低電阻MCP所具有的大線性范圍和高最大線性輸出

此外，濱松還提供了第二條策略，將一片MCP和一片雪崩二極管（Avalanche Diode）聯用（“MCP+AD”模塊），從而得到較高的線性范圍和最大線性輸出。

在這種組合下，整個模塊的增益依然有10⁶左右，與兩片MCP聯用的增益類似——即探測下限不差。但是在MCP部分的增益只有1000-10000，相比兩片MCP聯用的10⁶是小了2-3個數量級的，這意味著倍增電子也很少，在達到MCP的最大線性輸出電流前能夠接受更多的待測粒子——即探測上限很高。所以“MCP+AD”模塊能夠得到遠超傳統MCP模塊的線性范圍和探測上限。

從參數上看，MCP+AD模塊的最大線性輸出電流高達230uA，遠高于MCP的3-5uA。同時，由于MCP+AD模塊中MCP部分的倍增電子會少于兩片MCP聯用的情況，整個模塊的壽命也得到了延長。

圖12. 濱松MCP+AD模塊示意

綜上所述，如果希望MCP的探測系統具有較大的線性范圍，主要可以考慮：

響應速度

當一個待測粒子轟擊出二次電子，并反復倍增的過程中，每一個倍增電子的飛行路徑是不完全相同的，所以電子到達陽極的時間（以單陽極讀出的MCP模塊為例）有先有后，這使信號具有一定的峰寬。隨著總飛行距離的增長，各倍增電子間的飛行距離也會差別越來越大，如采用單陽極讀出的MCP模塊時，就能很明顯地看到信號峰變寬，信號的上升時間變長。

但總的來說，MCP的響應速度是很快的，上升時間通常在0.3-1.5ns。而另一類粒子探測器——電子倍增器的上升時間通常為1-5ns。

MCP的響應速度主要與微通道的長度有關，長度越長，電子在其中的飛行距離越遠，信號的上升時間就越長。

由于MCP的增益不單取決于微通道的長度，而是取決于縱橫比（等于微通道的長度/直徑），所以提升響應速度的第一條策略是讓MCP微通道的長度和直徑等比例縮小，這樣既可以增加響應速度，同時也不減弱增益（如濱松F4655-13）。

圖13. 增加MCP響應速度的策略

等比例縮小MCP微通道的長度和直徑

除了MCP微通道長度，倍增電子從MCP出口飛向陽極或熒光屏也是分布在一定角度之內的。垂直飛向陽極的電子和以一定角度飛向陽極的電子，其到達陽極的時間也不一樣，所以提升響應速度的第二條策略是在MCP出口和陽極之間加入額外的網狀電極，對倍增電子的飛行路徑進行校正，使其飛行距離更為相近。

圖14. 增加MCP響應速度的策略

校正倍增電子的飛行路徑

空間分辨率

當MCP和熒光屏聯用的時候，空間分辨率也是一個非常重要的參數。單片MCP與熒光屏聯用時分辨率能達到40-50um；兩片MCP疊用時分辨率一般能夠做到80-100um。

用兩級MCP會比用一級MCP的分辨率下降，因為：（1）從第一級MCP中的一個微通道出來的電子可能會進入第二級MCP的幾個通道中；（2）兩級MCP輸出的倍增電子會更多，電子之間互斥會導致出射角度變大，降低分辨率（如圖15）。

為了增加空間分辨率，可以考慮：

圖15. MCP與熒光屏聯用時的空間分辨率影響因素

壽命和使用環境

MCP的壽命和從MCP中總的出射的電子數量是相關的，所以MCP的壽命用電量表示。一般MCP的壽命在10C（庫倫）或以上。作為對比，同為粒子探測器的電子倍增器其壽命僅為0.3C（總電荷數量）。

此外，在同一電壓下，MCP的增益會隨著使用而下降，所以在信號不太弱的時候，濱松建議對于一片新的MCP可以將電壓調得比參數表上的電壓更低一些，這樣從MCP出射的倍增電子不會那么多，有利于延長MCP的壽命。而且隨著使用，可以通過逐漸增加MCP上的電壓，以維持穩定的增益。

在MCP的使用環境上，一般需要關注以下兩個參數：

# 磁場

MCP對磁場的敏感程度不及PMT和電子倍增器。但磁場對MCP也是有影響的，尤其是與微通道垂直的磁場。如果MCP一定要在磁場環境中使用，盡量讓磁場與微通道的長軸平行。選擇合適的MCP以及合適的方位，能讓MCP在2T的磁場下正常工作。

# 真空度

普通的MCP對真空度有著較高的要求，需要工作在1.3x10^-4Pa以下。在低真空度（即氣壓較高時）下，較多的氣體分子會被轟擊成正離子，不僅會以離子反饋的原理導致高噪聲（如圖7），這些額外的倍增電子（實際上是噪聲）也將降低MCP的壽命。

但對于一些特別的應用，真空度無法維持在很高的狀態。針對這種情況，濱松也特別開發了能夠工作在1Pa真空度下的MCP模塊（Gen3 三級結構MCP），新品即將推出。

MCP的選型參考

包括MCP在內，濱松有多種粒子探測器。相對而言，MCP具有以下優勢：

不過，MCP也有自己的短板，如較窄的動態范圍（反應為最大輸出電流）。這可以理解為MCP中打拿級之間的電勢差較小，到增益的最后，已經無力驅動太多電子，導致最大輸出電流具有較低的天花板。為了解決這個問題，濱松研發了MCP+AD模塊（可以參見上文的介紹）。

此外，針對真空度要求較高的特征，濱松即將推出的Gen3 三級結構MCP也將很大程度解決這個問題。

表2.各類粒子探測器的對比

以上就是我們關于MCP介紹的全部內容了，如果還想了解更多關于MCP的產品、技術、使用等信息，敬請聯系濱松工程師。接下來，濱松將陸續推出多款MCP新品（上文有提到過），也請大家繼續關注。