[论文解读] Development and testing of cost-effective, 6 cm x 6 cm MCP-based photodetectors for fast timing applications

Jingbo Wang, K. Byrum+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2016

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 17被引用 5

一句话总结

本文介绍了基于原子层沉积（ALD）功能化的微通道板（MCP）的低成本、6 cm × 6 cm 微通道板（MCP）基光电探测器的开发与测试，适用于快速时间测量应用。原型器件在单光电子模式下实现了亚60 ps的时间分辨率，位置分辨率低于0.8 mm，展示了在降低成本和可扩展制造方面实现高性能的潜力，采用小型单管处理系统（SmSTPS）。

ABSTRACT

Micro-channel plate (MCP)-based photodetectors are capable of picosecond level time resolution and sub-mm level position resolution, which makes them a perfect candidate for the next generation large area photodetectors. The large-area picosecond photodetector (LAPPD) collaboration is developing new techniques for making large-area photodetectors based on new MCP fabrication and functionalization methods. A small single tube processing system (SmSTPS) was constructed at Argonne National Laboratory (ANL) for developing scalable, cost-effective, glass-body, 6 cm x 6 cm, picosecond photodetectors based on MCPs functionalized by Atomic Layer Deposition (ALD). Recently, a number of fully processed and hermitically sealed prototypes made of MCPs with 20 micron pores have been fabricated. This is a significant milestone for the LAPPD project. These prototypes were characterized with a pulsed laser test facility. Without optimization, the prototypes have shown excellent results: The time resolution is ~57 ps for single photoelectron mode and ~15 ps for multi-photoelectron mode; the best position resolution is < 0.8 mm for large pulses. In this paper, the tube processing system, the detector assembly, experimental setup, data analysis and the key performance will be presented.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、成本效益高的大面积MCP基光电探测器的制造工艺。
• 在6 cm × 6 cm探测器中实现皮秒级时间分辨率和亚毫米级位置分辨率。
• 证明在可扩展的管式处理系统中使用ALD对MCP进行功能化的可行性。
• 通过脉冲激光测试装置在极少优化条件下验证探测器性能。
• 通过可制造、气密密封的原型器件推进大型皮秒光电探测器（LAPPD）项目。

提出的方法

• 在阿贡国家实验室设计并构建了用于可扩展MCP制造的小型单管处理系统（SmSTPS）。
• 应用原子层沉积（ALD）对20 µm孔径MCP进行功能化处理，以增强电子倍增能力和时间性能。
• 使用玻璃外壳和ALD涂层MCP组装气密密封的6 cm × 6 cm光电探测器管。
• 利用脉冲激光测试装置表征单光电子和多光电子模式下的时间分辨率和位置分辨率。
• 实施数据分析技术，从探测器信号中提取时间分辨率和位置分辨率。
• 采用模块化、低成本的处理系统，为未来扩展至更大探测器阵列提供支持。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过成本低廉、可扩展的处理系统，制造出具备皮秒级时间分辨率的高性能MCP基光电探测器？
• RQ2 使用ALD功能化20 µm孔径MCP时，在单光电子和多光电子模式下可实现的时间分辨率是多少？
• RQ3 所制造的6 cm × 6 cm MCP探测器可实现的最高位置分辨率是多少？
• RQ4 在未进一步调优的情况下，原型器件的性能与优化后的商用系统相比如何？
• RQ5 能否成功地将气密密封和玻璃外壳结构集成到可扩展的制造工艺中？

主要发现

• 所制造的6 cm × 6 cm MCP基光电探测器在未优化条件下，单光电子模式下的时间分辨率达到了约57 ps。
• 在多光电子模式下，时间分辨率提升至约15 ps，表明具有优异的信噪比性能。
• 实现的最佳位置分辨率低于0.8 mm（针对大脉冲信号），证明实现了亚毫米级空间分辨率。
• 采用ALD功能化20 µm孔径MCP实现了高电子增益和快速时间响应。
• 原型器件实现了气密密封并完成全部处理流程，标志着LAPPD项目的重要里程碑。
• 结果验证了SmSTPS方法在大面积光电探测器生产中的可扩展性和成本效益。