Микроканальная пластина ( МКП ) используется для обнаружения отдельных частиц ( электронов , ионов и нейтронов [1] ) и фотонов ( ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей ). Она тесно связана с электронным умножителем , поскольку оба усиливают отдельные частицы или фотоны путем умножения электронов посредством вторичной эмиссии . [2] Поскольку детектор микроканальной пластины имеет много отдельных каналов, он может обеспечить пространственное разрешение.
Микроканальная пластина представляет собой пластину из резистивного материала (чаще всего стекла) толщиной от 0,5 до 2 мм с регулярным массивом крошечных трубок (микроканалов), идущих от одной поверхности к другой. Микроканалы обычно имеют диаметр 5-20 микрометров , параллельны друг другу и входят в пластину под небольшим углом к поверхности (8-13° от нормали ). Пластины часто представляют собой круглые диски, но могут быть вырезаны в любой форме размером от 10 мм до 200 мм. Они также могут быть изогнутыми.
При нерелятивистских энергиях отдельные 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 через МКП каждый отдельный микроканал становится непрерывным динодом электронного умножителя .
Частица или фотон, которые попадают в один из каналов через небольшое отверстие, гарантированно попадут в стенку канала, поскольку 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 микроканальной пластины. После каскада микроканалу требуется время на восстановление (или перезарядку), прежде чем он сможет обнаружить другой сигнал.
Электроны выходят из каналов на противоположной стороне пластины, где они собираются на аноде. Некоторые аноды разработаны для обеспечения пространственно разрешенного сбора ионов, создавая изображение частиц или фотонов, падающих на пластину.
Хотя во многих случаях собирающий анод выполняет функцию детектирующего элемента, сам МКП также может использоваться в качестве детектора. Разрядка и перезарядка пластины, производимые электронным каскадом, могут быть отделены от высокого напряжения, приложенного к пластине, и измерены, чтобы напрямую производить сигнал, соответствующий отдельной частице или фотону.
Коэффициент усиления MCP очень шумный, что означает, что две идентичные частицы, обнаруженные последовательно, часто будут производить сильно различающиеся величины сигнала. Временной джиттер, возникающий из-за изменения высоты пика, может быть удален с помощью дискриминатора постоянной фракции . При таком использовании MCP способны измерять время прибытия частиц с высоким разрешением, что делает их идеальными детекторами для масс-спектрометров .
Большинство современных детекторов MCP состоят из двух микроканальных пластин с наклонными каналами, повернутыми на 180° друг относительно друга, что создает неглубокую шевронную (V-образную) форму. В шевронной MCP электроны, которые выходят из первой пластины, запускают каскад в следующей пластине. Угол между каналами уменьшает ионную обратную связь в устройстве, а также обеспечивает значительно большее усиление при заданном напряжении по сравнению с MCP с прямым каналом. Две MCP могут быть либо прижаты друг к другу для сохранения пространственного разрешения, либо иметь небольшой зазор между ними для распределения заряда по нескольким каналам, что еще больше увеличивает усиление.
Это сборка из трех микроканальных пластин с каналами, выровненными в форме буквы Z. Отдельные МКП могут иметь усиление до 10 000 (40 дБ ), но эта система может обеспечить усиление более 10 миллионов (70 дБ ). [3]
Внешний делитель напряжения используется для подачи 100 вольт на ускоряющую оптику (для обнаружения электронов), каждый MCP, зазор между MCP, заднюю сторону последнего MCP и коллектор ( анод ). Последнее напряжение определяет время пролета электронов и, таким образом, ширину импульса .
Анод представляет собой пластину толщиной 0,4 мм с радиусом кромки 0,2 мм, чтобы избежать высокой напряженности поля. Он достаточно большой, чтобы покрыть активную область MCP, поскольку задняя сторона последней MCP и анод вместе действуют как конденсатор с разделением 2 мм, а большая емкость замедляет сигнал. Положительный заряд в MCP влияет на положительный заряд в металлизации задней стороны. Полый тор проводит его по краю анодной пластины. Тор является оптимальным компромиссом между низкой емкостью и коротким путем, и по аналогичным причинам в эту область обычно не помещают диэлектрик (Markor). После поворота тора на 90° можно прикрепить большой коаксиальный волновод . Конус позволяет минимизировать радиус, чтобы можно было 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 в предусилитель; внутренний или внешний проводник нуждается в блоке постоянного тока , то есть конденсаторе. Часто он выбирается с емкостью, в 10 раз превышающей емкость MCP-анода, и реализуется как плоский конденсатор. Закругленные, электрополированные металлические пластины и сверхвысокий вакуум обеспечивают очень высокую напряженность поля и высокую емкость без диэлектрика. Смещение для центрального проводника подается через резисторы, подвешенные через волновод (см. смещение тройника ). Если блок постоянного тока используется во внешнем проводнике, он выровнен параллельно с большим конденсатором в источнике питания. При условии хорошего экранирования единственный шум обусловлен шумом тока от линейного регулятора мощности. Поскольку ток в этом приложении низкий и есть место для больших конденсаторов, а также поскольку конденсатор блока постоянного тока быстрый, возможно иметь очень низкий шум напряжения, так что даже слабые сигналы MCP могут быть обнаружены. Иногда предусилитель находится под потенциалом ( не заземлен ) и получает питание через маломощный изолирующий трансформатор , а сигнал выводится оптически .
Коэффициент усиления MCP очень шумный, особенно для отдельных частиц. При двух толстых MCP (>1 мм) и небольших каналах (<10 мкм) происходит насыщение, особенно на концах каналов после того, как произошло множество электронных умножений. Последние каскады следующей цепи полупроводникового усилителя также входят в насыщение. Импульс переменной длины, но стабильной высоты и с низким передним фронтом джиттера отправляется на время-цифровой преобразователь . Джиттер можно дополнительно уменьшить с помощью дискриминатора постоянной фракции . Это означает, что MCP и предусилитель используются в линейной области (пространственный заряд незначителен), и предполагается, что форма импульса обусловлена импульсным откликом с переменной высотой, но фиксированной формой от отдельной частицы.
Поскольку МКП имеют фиксированный заряд, который они могут усиливать в течение своей жизни, особенно второй МКП, имеет проблему срока службы. [4] Важно использовать тонкие МКП, низкое напряжение и вместо большего напряжения более чувствительные и быстрые полупроводниковые усилители после анода. [ необходима ссылка ] (см.: Вторичная эмиссия#Специальные усилительные трубки , [5] [6] [7] ).
При высоких скоростях счета или медленных детекторах (MCP с фосфорным экраном или дискретными фотоумножителями ) импульсы перекрываются. В этом случае используются усилитель с высоким импедансом (медленный, но менее шумный) и АЦП . Поскольку выходной сигнал от MCP, как правило, мал, наличие теплового шума ограничивает измерение временной структуры сигнала MCP. Однако при использовании схем быстрого усиления можно получить ценную информацию об амплитуде сигнала даже при очень низких уровнях сигнала, но не о временной структуре широкополосных сигналов .
В детекторе с линией задержки электроны ускоряются до 500 эВ между задней частью последнего МКП и сеткой. Затем они пролетают 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 длительностью 300 пс при входе в цилиндр и положительный при выходе. После этого следует еще один лист, второй цилиндр и последний лист. Фактически цилиндры вплавляются в центральный проводник полосковой линии . Листы минимизируют перекрестные помехи между слоями и соседними линиями в том же слое, что привело бы к дисперсии сигнала и звону. Эти полосковые линии извиваются поперек анода, чтобы соединить все цилиндры, чтобы обеспечить каждому цилиндру импеданс 50 Ом и создать задержку, зависящую от положения. Поскольку повороты в полосковой линии отрицательно влияют на качество сигнала, их количество ограничено, и для более высоких разрешений необходимо несколько независимых полосковых линий. На обоих концах меандры подключены к электронике детектора. Эта электроника преобразует измеренные задержки в координаты X (первый слой) и Y (второй слой). Иногда используются гексагональная сетка и 3 координаты. Эта избыточность уменьшает мертвое время за счет уменьшения максимального расстояния перемещения и, таким образом, максимальной задержки, что позволяет проводить более быстрые измерения. Детектор с микроканальной пластиной не должен работать при температуре выше 60 градусов Цельсия, в противном случае он быстро деградирует, прогрев без напряжения не оказывает никакого влияния. [ необходима цитата ]