Микроканальная пластина ( MCP ) используется для обнаружения одиночных частиц ( электронов , ионов и нейтронов [1] ) и фотонов ( ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей ). Он тесно связан с электронным умножителем , поскольку оба усиливают отдельные частицы или фотоны за счет умножения электронов посредством вторичной эмиссии . [2] Поскольку микроканальный пластинчатый детектор 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 набором 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 их можно обрезать до любой формы размером от 10 до 200 мм. Они также могут быть изогнутыми.
При нерелятивистских энергиях одиночные частицы обычно производят эффекты, слишком малые, чтобы их можно было напрямую обнаружить. Микроканальная пластина действует как усилитель частиц, превращая одну падающую частицу в облако электронов. При приложении сильного электрического поля к MCP каждый отдельный микроканал становится электронным умножителем с непрерывным динодом .
Частица или фотон, попадающая в один из каналов через небольшое отверстие, гарантированно ударяется о 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 для восстановления (или перезарядки), прежде чем он сможет обнаружить другой сигнал.
Электроны выходят из каналов на противоположной стороне пластины, где собираются на аноде. Некоторые аноды сконструированы так, чтобы обеспечить сбор ионов с пространственным разрешением, создавая изображение частиц или фотонов, падающих на пластину.
Хотя во многих случаях собирающий анод выполняет функцию детекторного элемента, сам МКП также может использоваться в качестве детектора. Разряд и перезарядку пластины, производимые электронным каскадом, можно отделить от высокого напряжения, приложенного к пластине, и измерить, чтобы напрямую создать сигнал, соответствующий одной частице или фотону.
Коэффициент усиления MCP очень зашумлен, а это означает, что две идентичные частицы, обнаруженные последовательно, часто будут давать совершенно разные величины сигнала. Временной джиттер, возникающий из-за изменения высоты пика, можно устранить с помощью дискриминатора постоянной доли . 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 расположенными под углом каналами, повернутыми на 180 ° друг от друга, образуя неглубокую шевронную (v-образную) форму. В шевронном MCP электроны, выходящие из первой пластины, запускают каскад на следующей пластине. Угол между каналами уменьшает ионную обратную связь в устройстве, а также обеспечивает значительно больший коэффициент усиления при заданном напряжении по сравнению с MCP с прямым каналом. Два MCP можно либо сжать вместе, чтобы сохранить пространственное разрешение, либо оставить между ними небольшой зазор, чтобы распределить заряд по нескольким каналам, что еще больше увеличивает коэффициент усиления.
Это сборка из трех микроканальных пластин с каналами, выровненными в форме буквы Z. Одиночные MCP 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 ускорительную оптику (для регистрации электронов), каждый МКП, зазор между МКП, обратную сторону последнего МКП и коллектор ( анод ). Последнее напряжение определяет время полета электронов и, таким образом, длительность импульса .
Анод представляет собой пластину толщиной 0,4 мм с радиусом края 0,2 мм, чтобы избежать высокой напряженности поля. Он достаточно велик, чтобы покрыть активную область MCP, поскольку задняя сторона последнего MCP и анод вместе действуют как конденсатор с расстоянием между ними 2 мм, а большая емкость замедляет сигнал. Положительный заряд в MCP влияет на положительный заряд при металлизации обратной стороны. Полый тор проводит его по краю анодной пластины. Тор является оптимальным компромиссом между низкой емкостью и коротким путем, и по тем же причинам в эту область обычно не помещается диэлектрик (маркор). После поворота тора на 90° можно прикрепить большой коаксиальный волновод . Конусность позволяет минимизировать радиус, чтобы можно было использовать разъем SMA . Чтобы сэкономить место и сделать согласование импеданса менее критичным, конус часто уменьшают до небольшого конуса под углом 45° на задней стороне анодной пластины.
Типичное напряжение 500 В между задней стороной последнего MCP и анодом не может быть подано непосредственно в предусилитель; внутреннему или внешнему проводнику нужен блок постоянного тока , то есть конденсатор. Часто его выбирают так, чтобы его емкость была в 10 раз выше емкости анода MCP, и он реализуется в виде пластинчатого конденсатора. Закругленные электрополированные металлические пластины и сверхвысокий вакуум обеспечивают очень высокую напряженность поля и высокую емкость без диэлектрика. Смещение центрального проводника подается через резисторы, подвешенные через волновод (см. тройник смещения ). Если блок постоянного тока используется во внешнем проводнике, он выравнивается параллельно конденсатору большего размера в источнике питания. При условии хорошего экранирования единственный шум обусловлен током линейного регулятора мощности. Поскольку в этом приложении ток низкий и доступно место для больших конденсаторов, а также поскольку конденсатор блока постоянного тока работает быстро, можно получить очень низкий уровень шума напряжения, так что можно обнаружить даже слабые сигналы MCP. Иногда предусилитель находится под потенциалом ( от земли ) и получает питание через маломощный изолирующий трансформатор и выводит свой сигнал оптически .
Усиление MCP очень шумное, особенно для одиночных частиц. При двух толстых МКП (>1 мм) и небольших каналах (<10 мкм) происходит насыщение, особенно на концах каналов после того, как произошло множество размножений электронов. Последние каскады следующей цепочки полупроводниковых усилителей также переходят в насыщение. Импульс различной длины, но стабильной высоты и с низким джиттером по переднему фронту отправляется на преобразователь времени в цифровой сигнал . Джиттер можно дополнительно уменьшить с помощью дискриминатора постоянной доли . Это означает, что MCP и предусилитель используются в линейной области (объемный заряд пренебрежимо мал), и предполагается, что форма импульса обусловлена импульсной характеристикой с переменной высотой, но фиксированной формой, исходящей от одной частицы.
Поскольку MCP имеют фиксированный заряд, который они могут усиливать в течение своей жизни, особенно у второго MCP есть пожизненная проблема. [4] Важно использовать тонкие МКП, низковольтные и вместо более высокого напряжения более чувствительные и быстрые полупроводниковые усилители после анода. [ нужна ссылка ] (см.: Вторичная эмиссия#Специальные усилительные трубки , [5] [6] [7] ).
При высоких скоростях счета или медленных детекторах (МКП с люминофорным экраном или дискретными фотоумножителями ) импульсы перекрываются. В этом случае используются высокоомный (медленный, но менее шумный) усилитель и АЦП . Поскольку выходной сигнал МКП, как правило, невелик, наличие теплового шума ограничивает измерение временной структуры сигнала МКП. Однако с помощью 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 MCP и сеткой. Затем они пролетают на расстояние 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. По сути, цилиндры сплавляются с центральным проводником полосковой линии . Листы сводят к минимуму перекрестные помехи между слоями и соседними линиями в одном слое, которые могут привести к дисперсии сигнала и звону. Эти полосковые линии проходят через анод, соединяя все цилиндры, обеспечивая импеданс каждого цилиндра 50 Ом и создавая задержку, зависящую от положения. Поскольку витки 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 уровень) и Y (второй уровень). Иногда используется шестиугольная сетка и 3 координаты. Эта избыточность уменьшает 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 выше 60 градусов Цельсия, в противном случае он быстро ухудшится, и прогрев без напряжения не имеет никакого влияния. [ нужна цитата ]