마이크로채널 플레이트 검출기

Microchannel plate detector
마이크로채널 플레이트 검출기
Mcp-de.svg
마이크로채널 플레이트 작동 개략도
관련 항목데일리 검출기
전자 곱셈기

마이크로채널 플레이트(MCP)는 단일 입자(전자, 이온 및[1] 중성자)와 광자(자외선 방사 및 X선)를 검출하기 위해 사용된다.2차 [2]방출을 통한 전자 증식에 의해 단일 입자 또는 광자를 강화시키므로 전자 증배기와 밀접하게 관련되어 있지만 마이크로채널 플레이트 검출기에는 여러 개의 별도 채널이 있기 때문에 공간 분해능을 추가로 제공할 수 있다.

기본 설계

마이크로채널 플레이트는 0.5~2mm 두께의 저항성 물질(대부분 유리)로 만들어진 슬래브이며, 한쪽 면에서 다른 쪽 면으로 이어지는 작은 튜브(마이크로채널)가 규칙적으로 배열되어 있습니다.마이크로채널은 일반적으로 직경 5~20마이크로미터로 서로 평행하며 표면에 대해 작은 각도(통상으로부터 8~13°)로 플레이트에 진입합니다.플레이트는 둥근 원반형인 경우가 많지만 10mm에서 200mm까지의 크기로 절단할 수 있습니다.그것들은 또한 구부러질 수 있다.

동작 모드

비상대론적 에너지에서 단일 입자는 일반적으로 직접적인 검출을 하기에는 너무 작은 효과를 낸다.마이크로채널 플레이트는 입자 증폭기 역할을 하며 충돌하는 입자를 전자 구름으로 변화시킵니다.MCP 전체에 강한 전계를 인가함으로써 각 마이크로채널은 연속 다이노드 전자증배기가 된다.

채널이 플레이트에 대한 각도로 있기 때문에 작은 오리피스를 통해 채널 중 하나에 들어가는 입자 또는 광자는 채널 벽에 확실히 부딪힙니다.충격은 채널을 통해 전파되는 전자의 캐스케이드를 시작하여 전계 강도와 마이크로 채널 플레이트의 형상에 따라 원래의 신호를 몇 배씩 증폭시킵니다.캐스케이드 후 마이크로채널은 다른 신호를 검출하기 전에 회복(또는 충전)하는 데 시간이 걸립니다.

전자는 플레이트의 반대편에 있는 채널에서 나와 양극으로 모입니다.일부 양극은 공간적으로 분해된 이온 수집이 가능하도록 설계되어 플레이트에 입사하는 입자 또는 광자의 이미지를 생성합니다.

많은 경우 수집 양극은 검출 소자로 기능하지만 MCP 자체는 검출기로도 사용할 수 있다.전자 캐스케이드에 의해 생성된 플레이트의 방전 및 재충전은 플레이트에 인가되는 고전압에서 분리하여 측정하여 단일 입자 또는 광자에 대응하는 신호를 직접 생성할 수 있습니다.

MCP의 이득은 매우 노이즈가 심합니다.즉, 연속해서 검출되는2개의 동일한 입자가, 많은 경우, 신호 크기가 크게 다릅니다.피크 높이 변동으로 인한 시간 지터는 일정한 비율 판별기를 사용하여 제거할 수 있습니다.이러한 방식으로 MCP는 매우 높은 분해능으로 입자 도착 시간을 측정할 수 있으므로 질량 분석기에 이상적인 검출기가 된다.

쉐브론 MCP

듀얼 마이크로채널 플레이트 검출기 개략도

대부분의 최신 MCP 검출기는 서로 180° 회전하는 각진 채널을 가진 두 개의 마이크로 채널 플레이트로 구성되어 있으며, 얕은 쉐브론(v-like) 모양을 생성한다.쉐브론 MCP에서는 첫 번째 판에서 나온 전자가 다음 판에서 캐스케이드를 시작합니다.채널 간의 각도는 직선 채널 MCP에 비해 소자의 이온 피드백을 감소시킬 뿐만 아니라 주어진 전압에서 훨씬 더 많은 이득을 생성합니다.공간 분해능을 유지하기 위해 2개의 MCP를 함께 누르거나 여러 채널로 전하를 분산시키기 위해 이들 사이에 약간의 갭을 둘 수 있으며, 이로 인해 이득이 더욱 증가합니다.

Z 스택 MCP

이것은 채널이 Z자 모양으로 정렬된 3개의 마이크로채널 플레이트로 이루어진 조립체입니다.단일 MCP는 최대 10,000(40dB)의 게인을 가질 수 있지만 이 시스템은 1,000만(70dB)[3] 이상의 게인을 제공할 수 있습니다.

검출기

Finnigan MAT 900 섹터 질량 분석계 위치 및 시간 분해능(PATRIC) 스캔 어레이 검출기 내의 마이크로 채널 플레이트

외부분압기는 가속도광학(전자검출용), 각 MCP, MCP 사이의 갭, 마지막 MCP의 후면 및 컬렉터(아노드)에 100V를 인가하기 위해 사용된다.마지막 전압은 전자의 비행 시간과 이와 같은 방식으로 펄스 폭을 결정합니다.

양극은 0.4mm 두께의 판으로 가장자리가 0.2mm 반지름으로 되어 있어 높은 전계 강도를 피할 수 있습니다.마지막 MCP의 후면과 양극이 2mm 간격으로 캐패시터 역할을 하기 때문에 MCP의 활성 영역을 커버하기에 충분한 크기입니다.커패시턴스가 크면 신호가 느려집니다.MCP의 양전하는 배면 금속화의 양전하에 영향을 줍니다.중공 토러스가 양극판 가장자리 주변에서 이를 전도합니다.토러스는 저용량 및 짧은 경로 사이의 최적의 절충체이며, 비슷한 이유로 보통 이 영역에는 유전체(마커)가 배치되지 않습니다.토러스를 90° 돌린 후 대형 동축 도파관을 부착할 수 있습니다.테이퍼를 사용하면 SMA 커넥터를 사용할 수 있도록 반지름을 최소화할 수 있습니다.공간을 절약하고 임피던스를 일치시키기 위해 테이퍼는 양극판 뒷면에 45°의 작은 원뿔로 감소하는 경우가 많습니다.

마지막 MCP의 후면과 양극 사이의 일반적인 500V는 프리앰프에 직접 공급되지 않습니다. 내부 또는 외부 도체는 DC 블록, 즉 캐패시터가 필요합니다.종종 MCP 양극 캐패시턴스에 비해 10배의 캐패시턴스만을 가지도록 선택되며 플레이트 캐패시터로 구현됩니다.둥글고 전기 연마된 금속 플레이트와 초고진공으로 매우 높은 전계 강도와 유전체 없이 높은 캐패시턴스를 실현합니다.중심 도체에 대한 바이어스는 도파관에 매달린 저항을 통해 적용됩니다(바이어스 티 참조).DC 블록이 외부 컨덕터에서 사용되는 경우 전원 장치의 큰 콘덴서와 병렬로 정렬됩니다.선별이 양호하다고 가정할 경우 유일한 노이즈는 선형 전력 조절기에서 발생하는 전류 노이즈에 기인합니다.이 어플리케이션에서는 전류가 적고 대용량 캐패시터를 위한 공간을 이용할 수 있으며 DC 블록 캐패시터는 고속이기 때문에 매우 낮은 전압 노이즈가 발생할 수 있으므로 약한 MCP 신호도 검출할 수 있습니다.경우에 따라서는 프리앰프가 전위(오프그라운드)에 있고 저전력 절연 변압기를 통해 전력을 공급받아 신호를 광학적으로 출력합니다.

고전압 UHV 캐패시터를 탑재한 고속 MCP 일렉트로닉스(아래에서 위까지 회색 라인)
고전압 UHV 캐패시터와 최소 세라믹을 갖춘 거의 동일한 속도의 MCP 전자제품

MCP의 이득은 특히 단일 입자의 경우 매우 큰 노이즈가 발생합니다.두 개의 두꺼운 MCP(1mm 이상)와 작은 채널(< 10µm 이하)에서는 특히 전자 증식이 많이 이루어진 후 채널 끝에서 포화가 발생합니다.다음 반도체 앰프 체인의 마지막 단계도 포화 상태가 됩니다.길이가 다양하지만 안정적인 높이와 낮은 지터 선행 에지의 펄스가 디지털 변환기로 시간에 전송됩니다.지터는 일정한 분율 판별기를 사용하여 더욱 줄일 수 있습니다.즉, MCP와 프리앰프는 선형 영역에서 사용되며(공간 전하량이 무시할 수 있음), 펄스 형상은 높이가 다양하지만 고정된 형태의 단일 입자로부터의 임펄스 응답에 의한 것으로 간주됩니다.

MCP에는 라이프 사이클에서 증폭할 수 있는 고정 전하가 있기 때문에 특히 두 번째 MCP에는 라이프 타임의 [4]문제가 있습니다.얇은 MCP, 저전압을 사용하는 것이 중요합니다.아노드 [citation needed]후에는 높은 전압 대신 보다 민감하고 빠른 반도체 증폭기를 사용하는 것이 중요합니다.(2차 배기 가스#특수 증폭 [5][6][7]튜브 참조).

높은 계수율 또는 느린 검출기(인광 스크린 또는 이산 광전자 증배기가 있는 MCP)의 경우 펄스가 겹친다.이 경우 고임피던스(느리지만 노이즈가 적은) 앰프와 ADC가 사용됩니다.MCP로부터의 출력 신호는 일반적으로 작기 때문에 열 노이즈의 존재에 의해 MCP 신호의 시간 구조의 측정이 제한됩니다.그러나 고속 증폭 방식에서는 매우 낮은 신호 레벨에서도 신호 진폭에 대한 귀중한 정보를 얻을 수 있지만 광대역 신호의 시간 구조 정보는 얻을 수 없습니다.

지연선 검출기

지연선 검출기에서 전자는 마지막 MCP의 후면과 그리드 사이에서 500eV까지 가속됩니다.그런 다음 5mm 동안 비행하며 2mm의 영역에 분산됩니다.그리드가 이어집니다.각 소자는 직경이 1mm이고 알루미늄 지면의 30µm 구멍을 통해 도착하는 전자를 집중시키는 정전 렌즈로 구성됩니다.그 뒤에는 같은 크기의 실린더가 따라붙는다.전자 구름은 실린더에 들어갈 때 300ps의 음의 펄스를 유도하고 떠날 때 양의 펄스를 유도합니다.그 후, 다른 시트가 뒤따르고, 제2의 실린더가 뒤따르고, 제1의 시트가 뒤따른다.효과적으로 실린더를 스트리플라인의 중심 컨덕터에 융합한다.시트는 같은 레이어 내의 레이어와 인접 회선 간의 크로스 토크를 최소화하여 신호 분산과 링잉을 발생시킵니다.이들 스트리플라인은 양극을 가로질러 굽이쳐 모든 실린더를 연결하고 각 실린더에 50Ω 임피던스를 제공하며 위치 의존 지연을 생성합니다.스트립 라인의 회전은 신호 품질에 악영향을 미치기 때문에 횟수는 제한되며, 더 높은 분해능의 경우 여러 개의 독립형 스트립 라인이 필요합니다.양쪽 끝은 굽이굽이 검출기 전자장치에 연결됩니다.이러한 전자장치는 측정된 지연을 X 좌표(1층) 및 Y 좌표(2층)로 변환합니다.때로는 육각형 격자와 3개의 좌표가 사용됩니다.이 용장성은 최대 이동 거리 및 최대 지연을 줄임으로써 데드 시공간을 줄여 보다 빠른 측정을 가능하게 합니다.마이크로채널 플레이트 검출기는 섭씨 60도 안팎에서 작동해서는 안 됩니다.그렇지 않으면 급속히 열화되므로 전압이 없는 베이크아웃은 [citation needed]영향을 받지 않습니다.

사용 예

  • 마이크로채널 플레이트의 대중적 응용은 야간 시력 고글의 영상 강화 튜브에 있으며, 인간의 눈에 어두운 주변 환경을 보이게 하기 위해 가시광선과 보이지 않는 빛을 증폭합니다.
  • 아날로그 오실로스코프(Tektronix 7104)의 1GHz 실시간 디스플레이 CRT는 인광 스크린 뒤에 배치된 마이크로 채널 플레이트를 사용하여 화상을 강화했다.플레이트가 없으면 전자 광학 설계로 인해 이미지가 지나치게 어두워집니다.
  • MCP 검출기는 종종 물리적 연구를 위한 계측기에 사용되며 전자 및 질량 분석기와 같은 장치에서 찾을 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Tremsin, A.S.; McPhate, J.B.; Steuwer, A.; Kockelmann, W.; Paradowska, A.M.; Kelleher, J.F.; Vallerga, J.V.; Siegmund, O.H.W.; Feller, W.B. (28 September 2011). "High-Resolution Strain Mapping Through Time-of-Flight Neutron Transmission Diffraction with a Microchannel Plate Neutron Counting Detector". Strain. 48 (4): 296–305. doi:10.1111/j.1475-1305.2011.00823.x. S2CID 136775629.
  2. ^ Wiza, J. (1979). "Microchannel plate detectors". Nuclear Instruments and Methods. 162 (1–3): 587–601. Bibcode:1979NucIM.162..587L. CiteSeerX 10.1.1.119.933. doi:10.1016/0029-554X(79)90734-1.
  3. ^ Wolfgang Göpel; Joachim Hesse; J. N. Zemel (2008-09-26). Sensors, Optical Sensors. John Wiley & Sons. pp. 260–. ISBN 978-3-527-26772-9.
  4. ^ S-O Flickt와 C. 마모니어, 광전자 증배관 - 원리 및 응용. Photonis, Brive, 프랑스, 2002, 1-20페이지.
  5. ^ http://www.physics.utah.edu/~sommers/sommers/corronse/corradio/smeke.y98m11d09
  6. ^ 인터넷 아카이브 웨이백머신
  7. ^ Matsuura, S.; Umebayashi, S.; Okuyama, C.; Oba, K. (1985). "Characteristics of the newly developed MCP and its assembly". IEEE Transactions on Nuclear Science. 32 (1): 350–354. Bibcode:1985ITNS...32..350M. doi:10.1109/TNS.1985.4336854. S2CID 37395966.

참고 문헌

외부 링크