Войти
 Принципиальная схема работы микроканальной пластинки | |
| Сопутствующие товары | Дэли-детектор. Электронный умножитель |
|---|---|
A микроканальная пластина (MCP ) представляет собой плоский компонент, используемый для обнаружения одиночных частиц (электронов, ионов и нейтроны ) и падающее излучение низкой интенсивности (ультрафиолетовое излучение и рентгеновское излучение ). Он тесно связан с электронным умножителем, поскольку оба усиливают отдельные частицы или фотоны путем умножения электронов посредством вторичной эмиссии. Однако, поскольку микроканальный пластинчатый детектор имеет много отдельных каналов, он может дополнительно обеспечивать пространственное разрешение.
Микроканальная пластина представляет собой пластину, изготовленную из материала с высоким сопротивлением обычно толщиной 2 мм с регулярным набором крошечных трубок или прорезей (микроканалов), ведущих от одной поверхности к противоположной, плотно распределенных по всей поверхности. Микроканалы обычно имеют диаметр приблизительно 10 28 микрометров (71) (6 микрометров в MCP высокого разрешения) и разнесены друг от друга приблизительно на 15 микрометров; они параллельны друг другу и часто входят в пластину под небольшим углом к поверхности (~ 8 ° от нормали).
При нерелятивистских энергиях одиночные частицы обычно производят эффекты, слишком малые для их прямого обнаружения. Микроканальная пластина функционирует как усилитель частиц, превращая одну падающую частицу в облако электронов. При приложении сильного электрического поля к MCP каждый отдельный микроканал становится непрерывным динодом электронный умножитель.
Частица или фотон, которые входят в один из каналов через маленькое отверстие, гарантированно попадают в стенки канала из-за того, что канал расположен под углом к пластине. Удар запускает каскад электронов, который распространяется по каналу, усиливая исходный сигнал на несколько порядков, в зависимости от напряженности электрического поля и геометрии пластины микроканала. После каскада микроканалу требуется время для восстановления (или перезарядки), прежде чем он сможет обнаружить другой сигнал.
Электроны выходят из каналов на противоположной стороне пластины, где они собираются на аноде. Некоторые аноды предназначены для сбора ионов с пространственным разрешением, создавая изображение частиц или фотонов, падающих на пластину.
Хотя во многих случаях собирающий анод выполняет функцию детектирующего элемента, сам MCP также может использоваться в качестве детектора. Разрядка и перезарядка пластины, производимые электронным каскадом, могут быть отделены от высокого напряжения, приложенного к пластине и измеренного, чтобы непосредственно произвести сигнал, соответствующий отдельной частице или фотону.
Коэффициент усиления MCP очень зашумлен, это означает, что две идентичные частицы, обнаруженные последовательно, часто будут давать совершенно разные величины сигнала. Временное дрожание, возникающее в результате изменения высоты пика, может быть устранено с помощью дискриминатора постоянной доли . Используемые таким образом MCP способны измерять время прибытия частиц с очень высоким разрешением, что делает их идеальными детекторами для масс-спектрометров.
Схема детектора с двумя микроканальными пластинами Большинство современных детекторов MCP состоят из две микроканальные пластины с угловыми каналами, повернутыми на 180 ° друг от друга, что создает неглубокую шеврон (v-образную) форму. В шевронном МКП электроны, выходящие из первой пластины, запускают каскад в следующей пластине. Угол между каналами уменьшает ионную обратную связь в устройстве, а также дает значительно больший коэффициент усиления при заданном напряжении по сравнению с МКП с прямым каналом. Два MCP могут быть сжаты вместе, чтобы сохранить пространственное разрешение, или иметь небольшой промежуток между ними, чтобы распределить заряд по нескольким каналам, что еще больше увеличивает коэффициент усиления.
Это сборка из трех микроканальных пластин с каналами, выровненными по Z-образной форме. Отдельные MCP могут иметь усиление до 10 000 (40 дБ ), но эта система может обеспечить усиление более 10 миллионов (70 dB ).
Микроканальная пластина в положении секторного масс-спектрометра Finnigan MAT 900 Детектор со сканирующей матрицей и подсчетом ионов с временным разрешением (PATRIC) Внешний делитель напряжения используется для подачи 100 вольт на оптику ускорения (для обнаружения электронов), каждый МКП, зазор между МКП, задняя сторона последнего МКП и коллектор (анод ). Последнее напряжение определяет время пролета электронов и в этом Таким образом, ширина импульса.
Анод представляет собой пластину толщиной 0,4 мм с краем радиусом 0,2 мм, чтобы избежать высокой напряженности поля. Она достаточно велика, чтобы покрыть активную область MCP, потому что задняя сторона последнего MCP и анода вместе действуют как конденсатор с разделением 2 мм, а большая емкость замедляет сигнал. Положительный заряд в MCP влияет на положительный ча rge в металлизации тыльной стороны. Полый тор тор проводит это по краю анодной пластины. Тор является оптимальным компромиссом между низкой емкостью и коротким путем, и по тем же причинам в этой области обычно не помещается диэлектрик (Markor). После поворота тора на 90 ° можно прикрепить большой коаксиальный волновод . Конус позволяет уменьшить радиус, так что можно использовать разъем SMA. Чтобы сэкономить место и сделать согласование импеданса менее критичным, конус часто уменьшают до небольшого конуса 45 ° на задней стороне анодной пластины.
Типичные 500 вольт между задней стороной последнего MCP и анодом не могут быть поданы непосредственно на предусилитель; внутренний или внешний проводник требует блока постоянного тока, то есть конденсатора. Часто выбирается только 10-кратная емкость по сравнению с емкостью MCP-анода и выполняется как пластинчатый конденсатор. Закругленные, электрополированные металлические пластины и сверхвысокий вакуум обеспечивают очень высокую напряженность поля и высокую емкость без диэлектрика. Смещение для центрального проводника прикладывается через резисторы, висящие в волноводе (см. тройник смещения ). Если блок постоянного тока используется во внешнем проводнике, он выравнивается параллельно большему конденсатору в источнике питания. При хорошем экранировании единственный шум возникает из-за шума тока от линейного регулятора мощности. Поскольку в этом приложении ток низкий и доступно место для больших конденсаторов, а также поскольку конденсатор блока постоянного тока быстрый, возможен очень низкий уровень шума напряжения, так что могут быть обнаружены даже слабые сигналы MCP. Иногда предусилитель находится под напряжением (не заземлен) и получает питание через маломощный изолирующий трансформатор и выводит свой сигнал оптически.
Быстрая электроника MCP с высоковольтным конденсатором сверхвысокого напряжения ( серая линия снизу вверх) 
Почти такая же быстрая электроника MCP с высоковольтным конденсатором сверхвысокого напряжения и минимальной керамикой Усиление MCP очень шумное, особенно для одиночных частиц. С двумя толстыми MCP (>1 мм) и небольшими каналами (< 10 µm), saturation occurs, especially at the ends of the channels after many electron multiplications have taken place. The last stages of the following semiconductor amplifier chain also go into saturation. A pulse of varying length, but stable height and a low джиттер передний фронт передается во время в цифровой преобразователь. Джиттер можно дополнительно уменьшить с помощью дискриминатор постоянной доли. Это означает, что МКП и предусилитель используются в линейной области (объемный заряд незначителен), и предполагается, что форма импульса обусловлена импульсной характеристикой с переменной высотой, но фиксированной формы, от одной частицы.
Поскольку MCP имеют фиксированный заряд, который они могут усилить в течение своего срока службы, вторая MCP особенно имеет проблему срока службы. Важно использовать тонкие MCP, низкое напряжение и взамен с более высоким напряжением, более чувствительными и быстродействующими полупроводниковыми усилителями после анода. (см.: Вторичное излучение # Специальные усилительные трубки,.).
С высокой скоростью счета или медленными детекторами (MCPs с 139>люминофор экран или дискретные фотоумножители ), импульсы перекрываются. В этом случае усилитель с высоким импедансом (медленный, но менее шумный) и АЦП. Поскольку выходной сигнал от MCP обычно невелик, наличие теплового шума ограничивает измерение временной структуры сигнала MCP. Однако с помощью схем быстрого усиления можно иметь ценную информацию об амплитуде сигнала даже при очень низких уровнях сигнала, но не информацию о временной структуре широкополосных сигналов .
В детекторе линии задержки электроны ускоряются до 500 эВ между задней частью последнего МКП и сеткой. Затем они разлетаются на 5 мм и рассеиваются на площади 2 мм. Далее следует сетка. Каждый элемент имеет диаметр 1 мм и состоит из электростатической линзы, фокусирующей поступающие электроны через отверстие диаметром 30 мкм в заземленном листе алюминия. За ним следует цилиндр такого же размера. Электронное облако индуцирует отрицательный импульс 300 пс при входе в цилиндр и положительный при выходе. После этого следует еще один лист, второй цилиндр и последний лист. По сути, цилиндры вплавлены в центральный проводник полосковой линии. Листы минимизируют перекрестные помехи между слоями и соседними линиями в одном слое, которые могут привести к дисперсии сигнала и звену. Эти полосковые линии пересекают анод, соединяя все цилиндры, обеспечивая импеданс каждого цилиндра 50 Ом и создавая задержку, зависящую от положения. Поскольку витки полосковой линии отрицательно сказываются на качестве сигнала, их количество ограничено, и для более высокого разрешения необходимо несколько независимых полосковых линий. На обоих концах меандры подключены к электронике детектора. Эта электроника преобразует измеренные задержки в координаты X (первый уровень) и Y (второй уровень). Иногда используется гексагональная сетка и 3 координаты. Эта избыточность сокращает мертвое пространство-время за счет уменьшения максимального расстояния перемещения и, следовательно, максимальной задержки, что позволяет проводить более быстрые измерения. Микроканальный пластинчатый детектор не должен работать при температуре около 60 градусов Цельсия, в противном случае он будет быстро разрушаться, прогрев без напряжения не оказывает никакого влияния.
