【干货】详解TOF-MS探测器MCP的5个重要参数

MCP（微通道板）是一种平面二维探测器，可以在真空条件中探测电子、离子、真空紫外线、X射线和伽玛射线，并能放大探测的信号。重要的特点是快速达到低于纳秒的响应时间，对于飞行时间质谱（TOF-MS）来说是非常理想的探测器。

滨松MCP产品

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，不同荷质比（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。

MCP在TOF-MS中的使用示意图

本文将就MCP的基本原理，重要参数和简单选型问题，进行解读。以帮助仪器开发中，对MCP产品更好的理解、选择和使用。

什么是MCP？

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

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：

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°。

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

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：

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）。

图11. 低电阻MCP所具有的大线性范围和高最大线性输出

此外，滨松还提供了第二条策略，将一片MCP和一片雪崩二极管（Avalanche Diode）联用（“MCP+AD”模块），从而得到较高的线性范围和最大线性输出。

在这种组合下，整个模块的增益依然有10⁶左右，与两片MCP联用的增益类似——即探测下限不差。但是在MCP部分的增益只有1000-10000，相比两片MCP联用的10⁶是小了2-3个数量级的，这意味着倍增电子也很少，在达到MCP的最大线性输出电流前能够接受更多的待测粒子——即探测上限很高。所以“MCP+AD”模块能够得到远超传统MCP模块的线性范围和探测上限。

从参数上看，MCP+AD模块的最大线性输出电流高达230uA，远高于MCP的3-5uA。同时，由于MCP+AD模块中MCP部分的倍增电子会少于两片MCP联用的情况，整个模块的寿命也得到了延长。

图12. 滨松MCP+AD模块示意

综上所述，如果希望MCP的探测系统具有较大的线性范围，主要可以考虑：

响应速度

当一个待测粒子轰击出二次电子，并反复倍增的过程中，每一个倍增电子的飞行路径是不完全相同的，所以电子到达阳极的时间（以单阳极读出的MCP模块为例）有先有后，这使信号具有一定的峰宽。随着总飞行距离的增长，各倍增电子间的飞行距离也会差别越来越大，如采用单阳极读出的MCP模块时，就能很明显地看到信号峰变宽，信号的上升时间变长。

但总的来说，MCP的响应速度是很快的，上升时间通常在0.3-1.5ns。而另一类粒子探测器——电子倍增器的上升时间通常为1-5ns。

MCP的响应速度主要与微通道的长度有关，长度越长，电子在其中的飞行距离越远，信号的上升时间就越长。

由于MCP的增益不单取决于微通道的长度，而是取决于纵横比（等于微通道的长度/直径），所以提升响应速度的第一条策略是让MCP微通道的长度和直径等比例缩小，这样既可以增加响应速度，同时也不减弱增益（如滨松F4655-13）。

图13. 增加MCP响应速度的策略

等比例缩小MCP微通道的长度和直径

除了MCP微通道长度，倍增电子从MCP出口飞向阳极或荧光屏也是分布在一定角度之内的。垂直飞向阳极的电子和以一定角度飞向阳极的电子，其到达阳极的时间也不一样，所以提升响应速度的第二条策略是在MCP出口和阳极之间加入额外的网状电极，对倍增电子的飞行路径进行校正，使其飞行距离更为相近。

图14. 增加MCP响应速度的策略

校正倍增电子的飞行路径

空间分辨率

当MCP和荧光屏联用的时候，空间分辨率也是一个非常重要的参数。单片MCP与荧光屏联用时分辨率能达到40-50um；两片MCP叠用时分辨率一般能够做到80-100um。

用两级MCP会比用一级MCP的分辨率下降，因为：（1）从第一级MCP中的一个微通道出来的电子可能会进入第二级MCP的几个通道中；（2）两级MCP输出的倍增电子会更多，电子之间互斥会导致出射角度变大，降低分辨率（如图15）。

为了增加空间分辨率，可以考虑：

图15. MCP与荧光屏联用时的空间分辨率影响因素

寿命和使用环境

MCP的寿命和从MCP中总的出射的电子数量是相关的，所以MCP的寿命用电量表示。一般MCP的寿命在10C（库伦）或以上。作为对比，同为粒子探测器的电子倍增器其寿命仅为0.3C（总电荷数量）。

此外，在同一电压下，MCP的增益会随着使用而下降，所以在信号不太弱的时候，滨松建议对于一片新的MCP可以将电压调得比参数表上的电压更低一些，这样从MCP出射的倍增电子不会那么多，有利于延长MCP的寿命。而且随着使用，可以通过逐渐增加MCP上的电压，以维持稳定的增益。

在MCP的使用环境上，一般需要关注以下两个参数：

# 磁场

MCP对磁场的敏感程度不及PMT和电子倍增器。但磁场对MCP也是有影响的，尤其是与微通道垂直的磁场。如果MCP一定要在磁场环境中使用，尽量让磁场与微通道的长轴平行。选择合适的MCP以及合适的方位，能让MCP在2T的磁场下正常工作。

# 真空度

普通的MCP对真空度有着较高的要求，需要工作在1.3x10^-4Pa以下。在低真空度（即气压较高时）下，较多的气体分子会被轰击成正离子，不仅会以离子反馈的原理导致高噪声（如图7），这些额外的倍增电子（实际上是噪声）也将降低MCP的寿命。

但对于一些特别的应用，真空度无法维持在很高的状态。针对这种情况，滨松也特别开发了能够工作在1Pa真空度下的MCP模块（Gen3 三级结构MCP），新品即将推出。

MCP的选型参考

包括MCP在内，滨松有多种粒子探测器。相对而言，MCP具有以下优势：

不过，MCP也有自己的短板，如较窄的动态范围（反应为最大输出电流）。这可以理解为MCP中打拿级之间的电势差较小，到增益的最后，已经无力驱动太多电子，导致最大输出电流具有较低的天花板。为了解决这个问题，滨松研发了MCP+AD模块（可以参见上文的介绍）。

此外，针对真空度要求较高的特征，滨松即将推出的Gen3 三级结构MCP也将很大程度解决这个问题。

表2.各类粒子探测器的对比

以上就是我们关于MCP介绍的全部内容了，如果还想了解更多关于MCP的产品、技术、使用等信息，敬请联系滨松工程师。接下来，滨松将陆续推出多款MCP新品（上文有提到过），也请大家继续关注。