Mikro kanallı plaka dedektörü - Microchannel plate detector
 Mikro kanallı bir plakanın çalışmasının şematik diyagramı
| |
| İlgili öğeler |
Daly dedektörü Elektron çarpanı |
|---|---|
Bir mikro kanallı plaka ( MCP ), tek parçacıkların ( elektronlar , iyonlar ve nötronlar ) ve düşük yoğunluklu çarpan radyasyonun ( ultraviyole radyasyon ve X-ışınları ) saptanması için kullanılan düzlemsel bir bileşendir . İkincil emisyon yoluyla elektronların çoğalmasıyla tek parçacıkları veya fotonları yoğunlaştırdığı için bir elektron çarpanıyla yakından ilişkilidir . Bununla birlikte, bir mikro kanallı plaka dedektörünün birçok ayrı kanalı olduğundan, ek olarak uzamsal çözünürlük sağlayabilir.
Temel tasarım
Bir mikro kanallı plaka, bir yüzden diğerine giden ve tüm yüzeye yoğun bir şekilde dağılmış düzenli bir dizi küçük tüp veya yuva (mikro kanallar) ile tipik olarak 2 mm kalınlığındaki yüksek dirençli malzemeden yapılmış bir levhadır . Mikro kanallar tipik olarak yaklaşık 10 mikrometre çaptadır (yüksek çözünürlüklü MCP'lerde 6 mikrometre) ve yaklaşık 15 mikrometre aralıklıdır; birbirlerine paraleldirler ve genellikle yüzeye küçük bir açıyla (normalden ~ 8 °) plakaya girerler.
Çalışma modu
Relativistik olmayan enerjilerde, tek parçacıklar genellikle doğrudan tespitlerini sağlamak için çok küçük etkiler üretir. Mikrokanallı plaka, çarpan tek bir parçacığı bir elektron bulutuna dönüştüren bir parçacık yükseltici işlevi görür. MCP boyunca güçlü bir elektrik alanı uygulayarak , her bir mikrokanal sürekli bir dinod elektron çarpanı haline gelir .
Kanallardan birine küçük bir delikten giren bir partikül veya fotonun, kanalın plakaya açılı olması nedeniyle kanalın duvarına çarpması garanti edilir. Çarpma, mikrokanal plakasının elektrik alan gücüne ve geometrisine bağlı olarak, orijinal sinyali birkaç büyüklük derecesinde yükselterek, kanal boyunca yayılan bir elektronlar zincirini başlatır. Kademeden sonra, mikro kanalın başka bir sinyali algılayabilmesi için önce iyileşmesi (veya yeniden şarj olması) zaman alır.
Elektronlar, bir anot üzerinde toplandıkları plakanın karşı tarafındaki kanallardan çıkar. Bazı anotlar, uzamsal olarak çözülmüş iyon toplamaya izin verecek şekilde tasarlanmıştır ve plaka üzerine düşen parçacıkların veya fotonların bir görüntüsünü oluşturur.
Çoğu durumda, toplama anotu tespit elemanı olarak işlev görmesine rağmen, MCP'nin kendisi de bir detektör olarak kullanılabilir. Elektron kaskadıyla üretilen plakanın boşaltılması ve yeniden doldurulması, tek bir parçacık veya fotona karşılık gelen bir sinyali doğrudan üretmek için plakaya uygulanan yüksek voltajdan ayrılabilir ve ölçülebilir.
Bir MCP'nin kazancı çok gürültülüdür, yani arka arkaya tespit edilen iki özdeş parçacık genellikle çılgınca farklı sinyal büyüklükleri üretecektir. Tepe yükseklik değişiminden kaynaklanan zamansal titreme, sabit bir kesir ayırıcı kullanılarak giderilebilir . Bu şekilde kullanıldığında, MCP'ler partikül varış sürelerini çok yüksek çözünürlükte ölçebilir ve bu da onları kütle spektrometreleri için ideal dedektörler haline getirir .
Chevron MCP
Çoğu modern MCP dedektörü, sığ bir köşeli çift ayraç (v benzeri) şekil üreten, birbirinden 180 ° döndürülmüş açılı kanallara sahip iki mikro kanallı plakadan oluşur . Bir şerit MCP'de, ilk plakadan çıkan elektronlar bir sonraki plakadaki kademeyi başlatır. Kanallar arasındaki açı, cihazdaki iyon geri beslemesini azaltır ve aynı zamanda düz kanallı bir MCP'ye kıyasla belirli bir voltajda önemli ölçüde daha fazla kazanç üretir. İki MCP, uzamsal çözünürlüğü korumak için birlikte bastırılabilir veya yükü birden fazla kanala yaymak için aralarında küçük bir boşluk olabilir, bu da kazancı daha da artırır.
Z yığını MCP
Bu, Z şeklinde hizalanmış kanallara sahip üç mikro kanallı plakadan oluşan bir montajdır. Tek MCP'ler 10.000'e (40 dB ) kadar kazanç sağlayabilir ancak bu sistem 10 milyondan (70 dB ) fazla kazanç sağlayabilir .
Dedektör
Hızlanma optiklerine (elektron algılama için), her MCP'ye, MCP'ler arasındaki boşluğa, son MCP'nin arka tarafına ve toplayıcıya ( anot ) 100 volt uygulamak için harici bir voltaj bölücü kullanılır . Son voltaj , elektronların uçuş zamanını ve bu şekilde darbe genişliğini belirler .
Anot, yüksek alan kuvvetlerini önlemek için 0,2 mm yarıçaplı bir kenarı olan 0,4 mm kalınlığında bir plakadır. MCP'nin aktif alanını kaplayacak kadar büyüktür, çünkü son MCP'nin arka tarafı ve anot birlikte 2 mm'lik bir ayırma ile bir kapasitör görevi görür ve büyük kapasitans sinyali yavaşlatır. MCP'deki pozitif yük, arka taraf metalizasyonunda pozitif yükü etkiler . İçi boş bir simit bunu anot plakasının kenarı çevresinde yürütür. Bir simit, düşük kapasitans ve kısa yol arasındaki optimum uzlaşmadır ve benzer nedenlerle, genellikle bu bölgeye dielektrik (Markor) yerleştirilmez. Simitin 90 ° dönüşünden sonra, büyük bir eş eksenli dalga kılavuzu takmak mümkündür . Koniklik, yarıçapın en aza indirilmesine izin verir, böylece bir SMA konektörü kullanılabilir. Yerden tasarruf etmek ve empedans eşleşmesini daha az kritik hale getirmek için, koniklik genellikle anot plakasının arka tarafında küçük bir 45 ° koniye indirgenir.
Son MCP'nin arka tarafı ile anot arasındaki tipik 500 volt, doğrudan ön yükselticiye beslenemez; iç veya dış iletken bir DC bloğuna , yani bir kapasitöre ihtiyaç duyar . Çoğunlukla, MCP-anot kapasitansına kıyasla yalnızca 10 kat kapasitansa sahip olacak şekilde seçilir ve bir plaka kapasitör olarak uygulanır. Yuvarlatılmış, elektro cilalı metal plakalar ve ultra yüksek vakum, çok yüksek alan güçlerine ve dielektriksiz yüksek kapasitansa izin verir. Merkez iletken için önyargı, dalga kılavuzunda asılı dirençler aracılığıyla uygulanır (bkz. Önyargı T'si ). DC bloğu dış iletkende kullanılıyorsa, güç kaynağındaki daha büyük kapasitör ile paralel olarak hizalanır. İyi bir tarama olduğu varsayıldığında, tek gürültü doğrusal güç regülatöründen gelen akım gürültüsünden kaynaklanmaktadır. Bu uygulamada akım düşük olduğundan ve büyük kapasitörler için alan mevcut olduğundan ve DC blok kapasitör hızlı olduğu için çok düşük voltaj gürültüsü olması mümkündür, böylece zayıf MCP sinyalleri bile tespit edilebilir. Bazen ön amplifikatör bir potansiyel üzerindedir ( toprak dışı ) ve gücünü düşük güçlü bir izolasyon transformatörü aracılığıyla alır ve sinyalini optik olarak verir .
Bir MCP'nin kazancı, özellikle tek parçacıklar için çok gürültülüdür. İki kalın MCP (> 1 mm) ve küçük kanallarla (<10 µm), doygunluk, özellikle birçok elektron çarpımı gerçekleştikten sonra kanalların uçlarında meydana gelir. Aşağıdaki yarı iletken amplifikatör zincirinin son aşamaları da doygunluğa girer. Değişken uzunlukta, ancak sabit yükseklikte bir darbe ve düşük titreşimli ön kenar, zamana dijital dönüştürücüye gönderilir . Titreşim, sabit bir fraksiyon ayırıcı vasıtasıyla daha da azaltılabilir . Bu, MCP ve ön yükselticinin doğrusal bölgede kullanıldığı anlamına gelir (uzay yükü ihmal edilebilir) ve darbe şeklinin, tek bir partikülden gelen değişken yükseklikte ancak sabit şekle sahip bir dürtü tepkisine bağlı olduğu varsayılır .
MCP'lerin yaşamları boyunca yükseltebilecekleri sabit bir yükü olduğundan, özellikle ikinci MCP'nin ömür boyu bir sorunu vardır. Anottan sonra ince MCP'ler, düşük voltaj ve daha büyük voltaj yerine daha hassas ve hızlı yarı iletken amplifikatörlerin kullanılması önemlidir. (bakınız: İkincil emisyon # Özel amplifikasyon tüpleri ,.).
Yüksek sayım hızlarında veya yavaş dedektörlerde ( fosfor ekranlı MCP'ler veya ayrı fotoçoğaltıcılar ), darbeler üst üste biner. Bu durumda, yüksek empedanslı (yavaş, ancak daha az gürültülü) bir amplifikatör ve bir ADC kullanılır. MCP'den gelen çıkış sinyali genellikle küçük olduğundan, termal gürültünün varlığı , MCP sinyalinin zaman yapısının ölçümünü sınırlar. Bununla birlikte, hızlı amplifikasyon şemaları ile, çok düşük sinyal seviyelerinde bile sinyal genliği hakkında değerli bilgilere sahip olmak mümkündür, ancak yine de geniş bant sinyallerinin zaman yapısı bilgisi hakkında değil .
Gecikme hattı dedektörü
Bir gecikme hattı detektöründe elektronlar, son MCP'nin arkası ile bir ızgara arasında 500 eV'ye kadar hızlandırılır. Daha sonra 5 mm uçarlar ve 2 mm'lik bir alana dağılırlar. Bir ızgara izler. Her bir elemanın çapı 1 mm'dir ve topraklanmış bir alüminyum levhanın 30 um'lik bir deliğinden gelen elektronları odaklayan elektrostatik bir mercekten oluşur. Arkasından aynı boyutta bir silindir gelir. Elektron bulutu silindire girerken 300 ps'lik bir negatif darbe ve çıkarken pozitif bir darbe oluşturur. Bundan sonra başka bir sayfa, ikinci bir silindir gelir ve onu son bir sayfa izler. Silindirler, bir şerit hattının merkez iletkenine etkili bir şekilde kaynaştırılır . Tabakalar, aynı tabakadaki katmanlar ve bitişik çizgiler arasındaki çapraz konuşmayı en aza indirir, bu da sinyal dağılımına ve çınlamaya yol açar . Bu şeritler, tüm silindirleri bağlamak, her bir silindire 50 empedans sunmak ve konuma bağlı bir gecikme oluşturmak için anot boyunca kıvrılır. Şerit çizgisindeki dönüşler sinyal kalitesini olumsuz etkilediğinden, sayıları sınırlıdır ve daha yüksek çözünürlükler için çok sayıda bağımsız şerit çizgisine ihtiyaç vardır. Her iki uçta menderesler detektör elektroniklerine bağlıdır. Bu elektronikler ölçülen gecikmeleri X- (birinci katman) ve Y koordinatlarına (ikinci katman) dönüştürür. Bazen altıgen bir ızgara ve 3 koordinat kullanılır. Bu fazlalık, maksimum hareket mesafesini ve dolayısıyla maksimum gecikmeyi azaltarak ölü alan-zamanı azaltır ve daha hızlı ölçümlere izin verir. Mikro kanallı plaka dedektörü, yaklaşık 60 santigrat derecenin üzerinde çalışmamalıdır, aksi takdirde hızla bozulur, voltaj olmadan pişirmenin hiçbir etkisi olmaz.
Kullanım örnekleri
- Kitlesel pazar mikro kanal plaka uygulaması olduğunu tüplerin yoğunlaştırıcı resmin içinde gece görüş gözlüğü görünür karanlık çevresi yapmak için görünen ve görünmeyen ışık yükseltmek, insan gözünün .
- Analog osiloskop için 1 GHz gerçek zamanlı ekranlı CRT (Tektronix 7104), görüntüyü yoğunlaştırmak için fosfor ekranın arkasına yerleştirilmiş bir mikro kanallı plaka kullandı. Plaka olmadan, elektron-optik tasarım nedeniyle görüntü aşırı derecede karanlık olurdu.
- MCP dedektörleri genellikle fiziksel araştırma için enstrümantasyonda kullanılır ve elektron ve kütle spektrometreleri gibi cihazlarda bulunabilirler .
Ayrıca bakınız
- Partikül detektörü
- Fotodetektör
- Gece görüş cihazı
- Görüntü yoğunlaştırıcı
- Nano kanallı cam malzemeler