Микроканальный пластинчатый детектор

Микроканальный пластинчатый детектор
	Принципиальная схема работы микроканальной пластины
Похожие товары	Детектор Дейли ; Электронный умножитель

Микроканальная пластина ( MCP ) используется для обнаружения одиночных частиц ( электронов , ионов и нейтронов). ^[1]) и фотоны ( ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи ). 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 множество отдельных каналов, он может обеспечить пространственное разрешение.

Базовый дизайн

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.

Режим работы

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 .

Шеврон МКП

Большинство современных детекторов MCP состоят из двух микроканальных пластин с наклонными 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.

Z-стек MCP

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]

Детектор

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 диэлектрик в эту область обычно не помещается (маркор). После поворота тора на 90° можно прикрепить большой коаксиальный волновод . Конусность позволяет минимизировать радиус, чтобы разъем SMA можно было использовать . 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 имеется 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 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 проблема на всю жизнь. ^[4] Важно использовать тонкие МКП, низковольтные и вместо большего напряжения более чувствительные и быстрые полупроводниковые усилители после анода. ^{[ нужна ссылка ]} (см.: Вторичное излучение#Специальные усилительные трубки , ^[5]^[6]^[7]).

При высоких скоростях счета или медленных детекторах (МКП с люминофорным экраном или дискретными фотоумножителями ) импульсы перекрываются. высокоомный (медленный, но менее шумный) усилитель и АЦП В этом случае используются . 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 .

Детектор линии задержки

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 минимизируют 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 выйдет из строя, прогрев без напряжения не имеет никакого влияния. ^{[ нужна ссылка ]}

Примеры использования

Микроканальные пластины на массовом рынке применяются в -оптических преобразователях электронно очков ночного видения , которые усиливают видимый и невидимый свет, делая темное окружение видимым для человеческого глаза .
ЭЛТ-дисплей реального времени с частотой 1 ГГц для аналогового осциллографа (Tektronix 7104) использовал микроканальную пластину, расположенную 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 .

См. также

Ссылки

^ Тремсин А.С.; МакФейт, Дж. Б.; Стойвер, А.; Кокельманн, В.; Парадовска, AM ; Келлехер, Дж. Ф.; Валлерга, СП; Зигмунд, OHW; Феллер, Всемирный банк (28 сентября 2011 г.). «Картирование деформации высокого разрешения с помощью времяпролетной дифракции пропускания нейтронов с помощью микроканального пластинчатого детектора счета нейтронов». Напряжение . 48 (4): 296–305. дои : 10.1111/j.1475-1305.2011.00823.x . S2CID 136775629 .
^ Виза, Дж. (1979). «Микроканальные пластинчатые детекторы». Ядерные приборы и методы . 162 (1–3): 587–601. Бибкод : 1979NucIM.162..587L . CiteSeerX 10.1.1.119.933 . дои : 10.1016/0029-554X(79)90734-1 .
^ Вольфганг Гепель; Иоахим Гессе; Дж. Н. Земель (26 сентября 2008 г.). Датчики, Оптические датчики . Джон Уайли и сыновья . стр. 260–. ISBN 978-3-527-26772-9 .
^ С. О. Фликт и К. Мармонье, Фотоумножители — принципы и применение. Photonis, Брив, Франция, 2002 г., стр. 1–20 .
^ Геммеке, Хартмут (11 ноября 1998 г.). «Памятка по фотоумножителю» . веб.физика.utah.edu . Проверено 5 ноября 2023 г.
^ Интернет-архив Wayback Machine
^ Мацуура, С.; Умебаяши, С.; Окуяма, К.; Оба, К. (1985). «Характеристики вновь разработанного МКП и его сборки». Транзакции IEEE по ядерной науке . 32 (1): 350–354. Бибкод : 1985ИТНС...32..350М . дои : 10.1109/TNS.1985.4336854 . S2CID 37395966 .

Библиография

Вестмакотт, Г.; Франк, М.; Лабов, ГП; Беннер, WH (2000). «Использование сверхпроводящего детектора туннельного перехода для измерения эффективности эмиссии вторичных электронов для микроканального пластинчатого детектора, бомбардируемого крупными молекулярными ионами». Быстрая связь в масс-спектрометрии . 14 (19): 1854–1861. Бибкод : 2000RCMS...14.1854W . doi : 10.1002/1097-0231(20001015)14:19<1854::AID-RCM102>3.0.CO;2-M . ПМИД 11006596 .
Гейре, Б.; Сэйлер, AM; Ван, PQ; Джонсон, Нью-Йорк; Леонард, М.; Парк, Э.; Карнес, К.Д.; Бен-Ицхак, И. (2007). «Определение абсолютной эффективности детектора микроканальной пластины с линией задержки с использованием молекулярной диссоциации». Обзор научных инструментов . 78 (2): 024503–024503–5. Бибкод : 2007RScI...78b4503G . дои : 10.1063/1.2671497 . hdl : 2097/43729 . ПМИД 17578132 .
Ричардс, П.; Лиз, Дж. (2002). «Функциональная протеомика с использованием микроканальных пластинчатых детекторов». Протеомика . 2 (3): 256–261. doi : 10.1002/1615-9861(200203)2:3<256::AID-PROT256>3.0.CO;2-K . ПМИД 11921441 . S2CID 44466566 .
Майкл Лэмптон (1 ноября 1981 г.). «Микроканальный усилитель изображения». Научный американец . 245 (5): 62–71. Бибкод : 1981SciAm.245e..62L . doi : 10.1038/scientificamerican1181-62 .
Патент США 5 565 729
Патент США 5 265 327
Патент США 7 420 147
Патент США 3 979 621
Патент США 4 153 855
Патент США 7 990 032
Патент США 4 780 395

Внешние ссылки

[1] Тремсин А.С.; МакФейт, Дж. Б.; Стойвер, А.; Кокельманн, В.; Парадовска, AM ; Келлехер, Дж. Ф.; Валлерга, СП; Зигмунд, OHW; Феллер, Всемирный банк (28 сентября 2011 г.). «Картирование деформации высокого разрешения с помощью времяпролетной дифракции пропускания нейтронов с помощью микроканального пластинчатого детектора счета нейтронов». Напряжение . 48 (4): 296–305. дои : 10.1111/j.1475-1305.2011.00823.x . S2CID 136775629 .

[2] Виза, Дж. (1979). «Микроканальные пластинчатые детекторы». Ядерные приборы и методы . 162 (1–3): 587–601. Бибкод : 1979NucIM.162..587L . CiteSeerX 10.1.1.119.933 . дои : 10.1016/0029-554X(79)90734-1 .

[3] Вольфганг Гепель; Иоахим Гессе; Дж. Н. Земель (26 сентября 2008 г.). Датчики, Оптические датчики . Джон Уайли и сыновья . стр. 260–. ISBN 978-3-527-26772-9 .

[4] С. О. Фликт и К. Мармонье, Фотоумножители — принципы и применение. Photonis, Брив, Франция, 2002 г., стр. 1–20 .

[5] Геммеке, Хартмут (11 ноября 1998 г.). «Памятка по фотоумножителю» . веб.физика.utah.edu . Проверено 5 ноября 2023 г.

[6] Интернет-архив Wayback Machine

[7] Мацуура, С.; Умебаяши, С.; Окуяма, К.; Оба, К. (1985). «Характеристики вновь разработанного МКП и его сборки». Транзакции IEEE по ядерной науке . 32 (1): 350–354. Бибкод : 1985ИТНС...32..350М . дои : 10.1109/TNS.1985.4336854 . S2CID 37395966 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

v т и Масс-спектрометрия
Масса м / з Масс-спектр Программное обеспечение MS Сокращения
Источник ионов	APCI КРУГ ПОМОЩЬ ТАМ ДАППИ ДАРТ ХОТЯ БОГ ВЛАДЕЛЕЦ НЕТ КАК ПОТРЯСАЮЩИЙ ФД ГД Я ПМС повредить МАЛЬДИ МАЛДЕЗИ МИП ПТР СЕССИЯ ВИМС SS ССИ ПРОДАЛ ИЗ ТС
Масс-анализатор	Сектор Венский фильтр Время полета Квадрупольный массовый фильтр Квадрупольная ионная ловушка Ловушка Пеннинга ФТ-ИКР Орбитальная ловушка
Детектор	Электронный умножитель Микроканальный пластинчатый детектор Детектор Дейли Кубок Фарадея Детектор Ленгмюра – Тейлора
Комбинация МС	МС/МС QqQ АМС Гибридный МС ГХ/МС ЖХ/МС ИМС/МС КЭ-МС
Фрагментация	ПТИЦА CID РДРВ ЭДД ЭТД HCD ИРПДМ NETD SID
Категория Коммонс ВикиПроект