Детектор микроканальных пластин - Microchannel plate detector
 Принципиальная схема работы микроканальной пластины
| |
| Похожие материалы |
Детектор Дэли Электронный умножитель |
|---|---|
Микроканальной пластины ( МКП ) представляет собой плоскостной компонент , используемый для обнаружения одиночных частиц ( электронов , ионов и нейтронов ) и низкой интенсивности падающего излучения ( ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей ). Он тесно связан с электронным умножителем , так как оба усиливают отдельные частицы или фотоны за счет размножения электронов посредством вторичной эмиссии . Однако, поскольку микроканальный пластинчатый детектор имеет много отдельных каналов, он может дополнительно обеспечивать пространственное разрешение.
Основной дизайн
Микроканальная пластина плита изготовлена из высоко резистивного материала обычно 2 мм толщины с регулярным множеством крошечных трубок или прорезей (микроканалы) , ведущие от одного лица к противоположному, плотно распределенному по всей поверхности. Микроканалы обычно имеют диаметр примерно 10 микрометров (6 микрометров в MCP высокого разрешения) и расположены на расстоянии примерно 15 микрометров; они параллельны друг другу и часто входят в пластину под небольшим углом к поверхности (~ 8 ° от нормали).
Рабочий режим
При нерелятивистских энергиях одиночные частицы обычно производят слишком малые эффекты, чтобы их можно было непосредственно обнаружить. Микроканальная пластина функционирует 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, попадающие в один из каналов через небольшое отверстие, гарантированно ударяются 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 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 как детектор. 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.
Усиление MCP очень зашумленное, а это означает, что две идентичные частицы, обнаруживаемые последовательно, часто будут давать совершенно разные величины сигнала. Временное дрожание, возникающее в результате изменения высоты пика, может быть устранено с помощью дискриминатора постоянной доли . Примененные таким образом МКП способны измерять время прибытия частиц с очень высоким разрешением, что делает их идеальными детекторами для масс-спектрометров .
Шеврон MCP
Большинство современных детекторов MCP состоят из двух микроканальных пластин с расположенными под углом каналами, повернутыми друг относительно друга на 180 °, создавая неглубокую шевронную (v-образную) форму. В шевронном МКП электроны, выходящие из первой пластины, запускают каскад в следующей пластине. Угол между каналами снижает 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.
Стек Z MCP
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 дБ ).
Детектор
Внешний делитель напряжения используется для подачи 100 вольт на оптику ускорения (для обнаружения электронов), каждую МКП, зазор между МКП, заднюю сторону последней МКП и коллектор ( анод ). Последнее напряжение определяет время полета 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 велик, чтобы покрыть активную область MCP, потому что задняя сторона последней MCP и анод вместе действуют как конденсатор с разделением 2 мм, а большая емкость замедляет сигнал. Положительный заряд в МКП влияет на положительный заряд задней металлизации. Полый тор проводит это по краю анодной пластины. Тор - это оптимальный компромисс между низкой емкостью и коротким путем, и по тем же причинам в этой области обычно не помещается диэлектрик (маркор). После поворота тора на 90 ° можно присоединить большой коаксиальный волновод . Конус позволяет минимизировать 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 МКП и анодом нельзя подавать непосредственно на предусилитель; для внутреннего или внешнего проводника нужен блок постоянного тока , то есть конденсатор. 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 проводе, 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 шум напряжения, так что могут быть обнаружены даже слабые сигналы MCP. Иногда предусилитель находится под потенциалом ( от земли ), получает питание через маломощный изолирующий трансформатор и выводит свой сигнал оптически .
Усиление MCP очень шумное, особенно для одиночных частиц. С двумя толстыми МКП (> 1 мм) и небольшими каналами (<10 мкм) происходит насыщение, особенно на концах каналов после того, как произошло много размножений электронов. Последние каскады следующей цепочки полупроводниковых усилителей также переходят в насыщение. Импульс переменной длины, но стабильной высоты и с низким передним фронтом джиттера отправляется во время-цифровой преобразователь . Джиттер можно дополнительно уменьшить с помощью дискриминатора с постоянной долей . Это означает, что MCP и предусилитель используются в линейной области (объемный заряд незначителен), и предполагается, что форма импульса обусловлена импульсным откликом с переменной высотой, но фиксированной формой от одной частицы.
Поскольку у MCP есть фиксированный заряд, который они могут усилить в течение своей жизни, у второго MCP, особенно, есть проблема срока службы. Важно использовать тонкие МКП, низковольтные и вместо более высоких напряжений более чувствительные и быстрые полупроводниковые усилители после анода. (см .: Вторичное излучение # Специальные усилительные лампы,. ).
При высокой скорости счета или медленных детекторах (МКП с люминофорным экраном или дискретные фотоумножители ) импульсы перекрываются. В этом случае используются высокоимпедансный (медленный, но менее шумный) усилитель 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.
Детектор линии задержки
В детекторе с линией 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 провод полосковой линии . Листы минимизируют перекрестные помехи между слоями и соседними линиями в одном слое, что может привести к дисперсии сигнала и звену. Эти полоски изгибаются поперек анода, соединяя все цилиндры, обеспечивая сопротивление каждого цилиндра 50 Ом и генерируя задержку, зависящую от положения. Поскольку витки полосковой линии отрицательно влияют на качество 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 быстро выйдет из строя, отжиг без напряжения не окажет никакого влияния.
Примеры использования
- Массового рынка применение микроканальных пластин в ЭОП от ночного видения , которые усиливают видимый и невидимый свет, чтобы сделать темные окрестности , видимые человеческим глазом .
- В ЭЛТ-дисплее реального времени с частотой 1 ГГц для аналогового осциллографа (Tektronix 7104) использовалась микроканальная пластина, расположенная за люминофорным экраном для усиления изображения. Без пластины изображение было бы слишком тусклым из-за электронно-оптической конструкции.
- Детекторы MCP часто используются в приборах для физических исследований, и их можно найти в таких устройствах, как электронные и масс-спектрометры .
Смотрите также
- Детектор частиц
- Фотоприемник
- Прибор ночного видения
- Усилитель изображения
- Наноканальные стеклянные материалы