现代天文仪器之十九：微通道板
从红外到X射线波段，当代天文学研究使用的主力探测器都是基于光电效应设计制造的CCD元件。不过CCD虽然有着高量子效率、高度线性化、高动态范围、低噪声等诸多优点，却也存在蓝端灵敏度较红端为差的本征缺陷。在可见光或近紫外波段，背照式CCD结合荧光涂层还可以在一定程度上克服这一不足；X射线波段又有搀杂硅（而非光学波段使用的半导体硅）来提升响应。可是波长不长不短的紫外波段就有些尴尬了：CCD的表面电极会吸收此区间内的辐射，探测效率有限。所以真正站在一线接收光子的往往是截然不同的另一类仪器——微通道板。
简单说来，微通道板的本质是诸多紧凑排列的次级电子倍增管。所谓“通道”，是指在数毫米厚的基质上蚀刻或熔合而成的一系列两端开放的四边形或六边形或圆柱形窄管。传统的基质板材是含铅玻璃，最新的技术要用到硅片，以进一步提升均匀性。每块板上的管道数量达到百万甚至千万的量级，方向通常与板面法线成一个较小角度（如8至15度），也有曲线形的通道。各通道宽度只有数微米到十余微米，且彼此大小一致，它们各自发挥着一台双极电子倍增管的作用，将入射光子经由光电效应放大为较强的电信号。
微通道板的结构示意图。（图片来源：Del Mar Photonics）
于是让我们先来回顾一下电子倍增管的结构。这种元件由涂有光电发射体并施加以负电压的阴极、一系列涂有次级发射体且电压依次升高的倍增级以及最后的阳极组成。只要一个入射粒子能量高于光电发射体的低能截止阈值，就可以诱发阴极射出初级电子。随后初级电子在管中的电场环境下被加速，并依次撞击各个倍增级，每次撞击都可以让电信号增强数倍，最终抵达电压为正的阳极。如果入射粒子是光子，这就成为了光电倍增管，因其具有灵敏度高，且响应异常迅速的特点，至今仍在具有高时间分辨率测光需求的领域有所应用。
光电倍增管的结构示意图。（图片来源：Concepts in Digital Imaging Technology）
而对于微通道板而言，当一个光子或带电粒子从板的一侧射入某个通道的时候，会让通道侧壁释放出一个电子。板的两端要整体加以电压，以在各个通道中形成电场，让其中形成的次级电子加速。加速后的次级电子沿抛物线运行，最后再次撞击通道壁，并释放出更多电子，以此类推。与大型电子倍增管一样，微通道板各个通道中最终形成的是从电子的雪崩式事件，成千上万的电子从板的另一侧沿各通道涌出，形成强信号，被吸引到带有正电压的阳极阵列并读出。如果数枚微通道板平行工作，最终得到的电信号还能被进一步放大。因为每个电的信号都受到侧壁约束，有极强的方向性，且每条通道都极窄，这种仪器可以形成具有高空间分辨率的精细影像，这可以视作光电管阵列照相机的微缩版。而且光电管时间响应迅捷的本性让微通道板在记录入射光的时域变化方面也有较大优势。
作为微型光电倍增管的微通道版管道。
为了提升微通道板的量子效率，向板上涂以高性能光电发射体是有效的方法。常见的光电发射体材料包括碘化钠、溴化钾等碱金属卤化物、氮化镓、砷化镓、大型光电管常用的碲化铯等碱金属碲化物等，在远紫外波段甚至还可能用到金刚石。它们可以形成半透明、厚度100微米以下的薄层，也可以是上千微米厚的不透明层。生产时，发射体通过蒸发法（耐高温的硅板还可以使用气相沉积法）附着到板上，并渗入通道中。这样在工作时，由通道侧壁的发射体发出的光电子就可以被视作信号记录下来。不同的发射体有着不同的低端截止能量（对应低频光子频率），通过选择材料种类可以让微通道板探测可见光、紫外甚至是X射线光子。只是考虑其加工难度和成本，一般还是以紫外应用为多。
涂以钻石光电发射体的微通道板显微图。（图片提供：Nanosciences）
与其他探测器一样，衡量微通道板性能的参数也包括空间分辨率、时间分辨率、能谱分辨率、量子效率以及暗流，此外还有增益、电信号脉冲高度和速率等特有指标。空间分辨率由单条通道的直径以及两条相邻通道中心的距离决定；时间分辨率（尤其是星载探测器的时间分辨率）受制于通信速率而非仪器本身的特性；能谱分辨率只针对某些特定材料的光电发射体涂层才有意义。量子效率很大程度上取决于光电发射体涂层的特性和厚度，通常不透明涂层优于半透明，金刚石层最高可以达到50%左右的量子效率，其他材料性能略逊。通常微通道板本身的暗流都非常弱（硅质板尤其弱），噪声分布也较为均匀。
除了微通道板本身之外，微通道板探测器还包括用于将入射粒子转化为光子或电子的变换器（当然对于天文应用来说，入射粒子本身即为光子，这一部分就可以省略了）以及读出放大后的电信号的读出器。读出器可以选择CCD等光学手段，或是离散阳极和连续位置传感器等电子手段。取决于使用目的，微通道板经常还会成对或三块一组使用，如果是成对，两块板的通道之间往往会夹以一个较小的角度，形成“V”形；而三块板的相应通道一般会首尾相连成“Z”形，不过后两种结构貌似更常用于粒子探测领域。
微通道板探测器后端用于读出的阳极板。（图片提供：Space Sciences Lab, UC Berkeley）
微通道板可以说是当下诸多紫外空间望远镜或行星际探测器紫外观测仪器的主流。COS、GALEX、EUVE等卫星都通过这种可以有效放大光子信号的微孔玻璃板来记录天体发出的紫外光。这一方面是说此类仪器对此波段确实优势独到，另一方面也多少有些无奈。据说紫外天文学发展相对缓慢的原因除了该波段研究对象有限（遥远天体发出的紫外光多半已被红移到可见光甚至红外），也是受到微通道板研制难度的限制。
星系演化探测器（GALEX）用于观测远紫外（左）与近紫外（右）波段的微通道板探测器。（图片提供：GALEX Team）
微通道板近来的发展除了提升增益、缩小通道尺寸、开发新材料之外，还包括研制适用于曲面焦面的探测器板，如罗塞塔号探测器携带的ALICE圆柱面微通道板以及IMAGE的极紫外球形微通道板等。对于多块微通道板构成的探测器，各板之间的具体夹角安排目前似乎也还没有最优方案，也是有待进一步考察。
参考资料：
[1] Microchannel Plate Imaging Detector Technologies for UV Instruments
[2] Microchannel Plates by Del Mar Photonics
[3] Advanced Practical Course: Microchannel Plate Detectors by Jürgen Barnstedt
[4] Astrophysical Techniques by C. R. Kitchin
[5] GALEX卫星
