Detector de plăci cu microcanale - Microchannel plate detector
 Diagrama schematică a funcționării unei plăci microcanale
| |
| Elemente conexe |
Detector Daly Multiplicator de electroni |
|---|---|
O placă microcanală ( MCP ) este o componentă plană utilizată pentru detectarea particulelor unice ( electroni , ioni și neutroni ) și a radiațiilor de intensitate redusă ( radiații ultraviolete și raze X ). Este strâns legat de un multiplicator de electroni , deoarece ambele intensifică particulele sau fotonii unici prin înmulțirea electronilor prin emisie secundară . Cu toate acestea, deoarece un detector de plăci cu microcanale are multe canale separate, acesta poate oferi suplimentar rezoluție spațială.
Proiectare de bază
O placă microcanală este o placă realizată dintr-un material foarte rezistiv cu o grosime tipică de 2 mm, cu o gamă regulată de tuburi mici sau fante (microcanale) care conduc de la o față la opusă, distribuite dens pe întreaga suprafață. Microcanalele au de obicei aproximativ 10 micrometri în diametru (6 micrometri în MCP de înaltă rezoluție) și distanțate de aproximativ 15 micrometri; acestea sunt paralele între ele și adesea intră în placă cu un unghi mic față de suprafață (~ 8 ° față de normal).
Mod de operare
La energiile non-relativiste, particulele individuale produc în general efecte prea mici pentru a le permite detectarea directă. Placa microcanal funcționează ca un amplificator de particule, transformând o singură particulă care afectează într-un nor de electroni. Prin aplicarea unui câmp electric puternic peste MCP, fiecare microcanal individual devine un multiplicator de electroni dinod continuu .
O particulă sau foton care intră într-unul dintre canale printr-un orificiu mic este garantat să lovească peretele canalului, datorită canalului aflat într-un unghi față de placă. Impactul declanșează o cascadă de electroni care se propagă prin canal, amplificând semnalul original cu mai multe ordine de mărime, în funcție de intensitatea câmpului electric și de geometria plăcii microcanale. După cascadă, microcanalul are nevoie de timp pentru recuperare (sau reîncărcare) înainte de a putea detecta un alt semnal.
Electronii ies din canale de pe partea opusă a plăcii, unde sunt colectați pe un anod. Unii anodi sunt proiectați pentru a permite colectarea ionilor rezoluți spațial, producând o imagine a particulelor sau fotonilor incidenți pe placă.
Deși, în multe cazuri, anodul de colectare funcționează ca element de detectare, MCP în sine poate fi folosit și ca detector. Descărcarea și reîncărcarea plăcii produse de cascada de electroni, pot fi decuplate de la tensiunea înaltă aplicată plăcii și măsurate, pentru a produce direct un semnal corespunzător unei singure particule sau fotoni.
Câștigul unui MCP este foarte zgomotos, ceea ce înseamnă că două particule identice detectate succesiv vor produce adesea magnitudini de semnal diferite. Jitterul temporal rezultat din variația vârfului de înălțime poate fi eliminat, utilizând un discriminator de fracție constantă . Utilizate în acest mod, MCP-urile sunt capabile să măsoare timpii de sosire a particulelor cu o rezoluție foarte mare, făcându-i detectoare ideale pentru spectrometre de masă .
Chevron MCP
Majoritatea detectoarelor moderne MCP constau din două plăci microcanale cu canale înclinate, rotite la 180 ° una de cealaltă - producând o formă de chevron superficial (în formă de v). Într-un MCP cu chevron, electronii care ies din prima placă încep cascada în următoarea placă. Unghiul dintre canale reduce feedback-ul de ioni din dispozitiv, precum și produce un câștig semnificativ mai mare la o tensiune dată, comparativ cu un MCP cu canal drept. Cele două MCP pot fi apăsate împreună pentru a păstra rezoluția spațială, sau au un mic spațiu între ele pentru a răspândi încărcătura pe mai multe canale, ceea ce crește și mai mult câștigul.
Z stiva MCP
Acesta este un ansamblu de trei plăci microcanale cu canale aliniate în formă de Z. MCP-urile unice pot avea câștiguri de până la 10.000 (40 dB ), dar acest sistem poate oferi câștiguri mai mari de 10 milioane (70 dB ).
Detectorul
Un divizor de tensiune extern este utilizat pentru a aplica 100 de volți opticii de accelerație (pentru detectarea electronilor), fiecare MCP, decalajul dintre MCP-uri, partea din spate a ultimului MCP și colectorul ( anod ). Ultima tensiune dictează timpul de zbor al electronilor și, în acest fel, lățimea impulsului .
Anodul este o placă de 0,4 mm grosime cu o margine de 0,2 mm rază pentru a evita intensități ridicate ale câmpului. Este suficient de mare pentru a acoperi zona activă a MCP, deoarece partea din spate a ultimului MCP și anodul acționează împreună ca un condensator cu o separare de 2 mm - iar capacitatea mare încetinește semnalul. Sarcina pozitivă din MCP influențează sarcina pozitivă în metalizarea din spate. Un tor gol îl conduce în jurul marginii plăcii anodice. Un tor este compromisul optim între capacitatea scăzută și calea scurtă și, din motive similare, de obicei nu este plasat dielectric (Markor) în această regiune. După o rotație de 90 ° a torului este posibil să atașați un ghid de undă coaxial mare . O conicitate permite minimizarea razei, astfel încât să poată fi utilizat un conector SMA . Pentru a economisi spațiu și a face ca impedanța să se potrivească mai puțin critică, conicitatea este adesea redusă la un mic con de 45 ° pe partea din spate a plăcii anodice.
Cele 500 de volți tipici dintre partea din spate a ultimului MCP și anod nu pot fi alimentate direct în preamplificator; conductorul interior sau exterior are nevoie de un bloc DC , adică de un condensator. Adesea se alege să aibă capacitate de doar 10 ori în comparație cu capacitatea anodului MCP și este implementată ca condensator cu placă. Plăcile metalice rotunjite, electro-lustruite și vidul extrem de ridicat permit intensități foarte mari ale câmpului și capacitate ridicată fără dielectric. Biasul pentru conductorul central se aplică prin intermediul rezistențelor atârnate prin ghidul de undă (vezi tee de bias ). Dacă blocul de curent continuu este utilizat în conductorul exterior, acesta este aliniat în paralel cu condensatorul mai mare din sursa de alimentare. Presupunând o ecranare bună, singurul zgomot se datorează zgomotului curent de la regulatorul de putere liniar. Deoarece curentul este scăzut în această aplicație și este disponibil spațiu pentru condensatori mari și deoarece condensatorul cu bloc DC este rapid, este posibil să existe zgomot de tensiune foarte mică, astfel încât să poată fi detectate chiar și semnale MCP slabe. Uneori, preamplificatorul este pe un potențial ( off ground ) și își obține puterea printr-un transformator de izolare de putere redusă și emite semnalul său optic .
Câștigul unui MCP este foarte zgomotos, în special pentru particulele individuale. Cu două MCP groase (> 1 mm) și canale mici (<10 µm), are loc saturația, mai ales la capetele canalelor după ce au avut loc multe multiplicări de electroni. Ultimele etape ale următorului lanț de amplificatoare semiconductoare intră, de asemenea, în saturație. Un puls de lungime variabilă, dar înălțimea stabilă și un nivel scăzut bruiaj de varf este trimis la timp la un convertor digital . Jitterul poate fi redus în continuare prin intermediul unui discriminator de fracție constantă . Asta înseamnă că MCP și preamplificatorul sunt utilizate în regiunea liniară (sarcina spațială neglijabilă) și forma impulsului se presupune că se datorează unui răspuns impuls , cu înălțime variabilă, dar formă fixă, dintr-o singură particulă.
Deoarece MCP-urile au o încărcare fixă pe care o pot amplifica în viața lor, cel de-al doilea MCP are o problemă pe viață. Este important să utilizați MCP-uri subțiri, de joasă tensiune și în loc de tensiune mai mare, amplificatoare semiconductoare mai sensibile și rapide după anod. (vezi: Emisia secundară # Tuburi speciale de amplificare ,.).
Cu rate ridicate de numărare sau detectoare lente (MCP-uri cu ecran de fosfor sau fotomultiplicatori discreți ), impulsurile se suprapun. În acest caz, se utilizează un amplificator cu impedanță ridicată (lent, dar mai puțin zgomotos) și un ADC . Deoarece semnalul de ieșire de la MCP este în general mic, prezența zgomotului termic limitează măsurarea structurii de timp a semnalului MCP. Cu schemele de amplificare rapidă, totuși, este posibil să aveți informații valoroase despre amplitudinea semnalului chiar și la niveluri de semnal foarte scăzute, dar nu și despre informațiile privind structura timpului semnalelor de bandă largă .
Detector de linie de întârziere
Într-un detector de linie de întârziere, electronii sunt accelerați la 500 eV între partea din spate a ultimului MCP și o rețea. Zboară apoi cu 5 mm și sunt dispersate pe o suprafață de 2 mm. Urmează o grilă. Fiecare element are un diametru de 1 mm și constă dintr-o lentilă electrostatică care concentrează electronii care sosesc printr-o gaură de 30 µm a unei foi de aluminiu împământate. În spatele acestuia, urmează un cilindru de aceeași dimensiune. Norul de electroni induce un impuls negativ de 300 ps la intrarea în cilindru și un pozitiv la ieșire. După aceea, o altă foaie, urmează un al doilea cilindru și o ultimă foaie. Efectiv, cilindrii sunt fuzionați în conductorul central al unei linii de bandă . Foile reduc la minimum vorbirea încrucișată între straturi și liniile adiacente din același strat, ceea ce ar duce la dispersarea semnalului și la sonerie. Aceste stripline serpentină pe anod pentru a conecta toți cilindrii, pentru a oferi fiecărui cilindru impedanță de 50 Ω și pentru a genera o întârziere dependentă de poziție. Deoarece virajele în linia de bandă afectează negativ calitatea semnalului, numărul lor este limitat și pentru rezoluții mai mari sunt necesare mai multe linii de bandă independente. La ambele capete meandrele sunt conectate la electronica detectorului. Aceste electronice convertesc întârzierile măsurate în coordonatele X- (primul strat) și Y (al doilea strat). Uneori se utilizează o grilă hexagonală și 3 coordonate. Această redundanță reduce spațiul-timp mort prin reducerea distanței maxime de deplasare și, astfel, a întârzierii maxime, permițând măsurători mai rapide. Detectorul de plăci cu microcanal nu trebuie să funcționeze la aproximativ 60 de grade Celsius, altfel se va degrada rapid, coacerea fără tensiune nu are nicio influență.
Exemple de utilizare
- Aplicarea pe piață în masă a plăcilor microcanale se realizează în tuburi intensificatoare de imagine ale ochelarilor de vedere nocturnă , care amplifică lumina vizibilă și invizibilă pentru a face mediul întunecat vizibil ochiului uman .
- Un afișaj CRT în timp real de 1 GHz pentru un osciloscop analogic (Tektronix 7104) a folosit o placă microcanală plasată în spatele ecranului cu fosfor pentru a intensifica imaginea. Fără placă, imaginea ar fi excesiv de slabă, datorită designului electron-optic.
- Detectoarele MCP sunt adesea utilizate în instrumentarea pentru cercetarea fizică și pot fi găsite în dispozitive precum spectrometre de electroni și de masă .
Vezi si
- Detector de particule
- Fotodetector
- Dispozitiv de vizionare nocturnă
- Intensificator de imagine
- Materiale din sticlă nanocanal