Вторично-электронный умножитель

 

ВТОРИЧНО-ЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ , содержащий последовательно установленные входную и выходную микроканальные пластины и коллектор электронов, плоскости которых параллельны между собой, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности измерения за счет возможности регистрации импульсов, следующих за импульсом, перегружающим систему, между микроканальньпли пластинами параллельно им установлен управляющий электрод, соединенный с коллектором через согласующее устройство и расположенный на расстоянии В от входной микроканальной пластины, удовлетворяюшем выражению 0,93 з г & о, , где - расстояние между микроканаль-й ными пластинами. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) 3(51) Н .01 3 43 04

OllHGAHHE ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3540293/18-21 (22) 14. 01. 83 (46 ) 15. 08. 84. Бюл. )) 30 (72) Б.M.Äóáåícêèé, T.Â.Íoâèêîâà и Д.В.Имикк (71) Ордена Ленина физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе (53) 621.383.292(088.8) (56) 1. Айбунд М.P. и др. Вторичноэлектронные умножители, "Электронная промышленность", 1978, Р 4, с.12.

2. Parkers И. etal. The Use o1

Cascaded Channel as IIigh 6о.in Hlihon

Multiyliers. Nucl. Jnstr. and Meth.

1972, v. 7, р. 216-217. (54)(57) ВТОРИЧНО-ЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ, содержащий последовательно установленные входную и выходную микроканальные пластины и коллектор электронов, плоскости которых параллельны между собой, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения надежности измерения за счет возможности регистрации импульсов, следующих за импульсом, перегружающим систему, между микроканальными пластинами параллельно им установлен управляющий электрод, соединенный с коллектором через согласующее устройство и расположенный на расстоянии

1 от входной микроканальной пластины, удовлетворяющем выражению

0,938 à 9 i 0,998 где d - расстояние между микроканаль-Я ными пластинами.

1108532

Изобретение относится к физической электронике, в частности к массапектрометрии.

Вторично-электронные умножители (ВЭУ1, служат для преобразования потока заряженных часТиц (или нейтраль- 5 ных ) в поток электронов и для усиления последнего.

Известен канальный вторично-электронный умножитель (КЭУ1 типа ВЭу-б, представляющий собой изогнутую в виде 10 спирали трубку из свинцово-силикатного стекла с воронкообразным входом диаметром 8 вм, внутренняя поверх- ность которой обладает коэффициентом вторичной электронной эмиссии, превы- 5 шающим единицу.

Первичное излучение например (ионы), попадающие на вход КЭУ, генерируют при соударении с внутренней поверхностью канала электроны, которые при движении в канале, соударяясь со стенками, образуют каскады вторичных электронов.

Процесс умножения приводит к тому, что на выходе канала на каждый первичный электрон в среднем приходится

25 порядка 10 вторичных электронов.

Если при усилении поступающего на вход КЭУ сигнала заряд с выхода умножителя превышает предельно допустимую величину, то умиожитель перегру- З0 жается, и для восстановления его коэффициента усиления требуется время, в несколько десятков раз превышающее период следования регистрируемых импульсов 51). 35

Однако импульсы, следующие за перегружающим, не могут быть зарегистрированы.

Развитием конструкции КЭУ явилось создание сотовых структур из большо- 40 го числа каналов диаметром в несколько десятков микрон — микроканальных пластин (МКП).

Наиболее близким техническим решением к изобретению Является вторично 45 электронный умножитель, представляющий собой последовательно установленные две МКП и коллектор электронов, плоскости которых параллельны между собой.

50 му режиму работы так, что потенциалы

В масс-спектрометрии, в частности, ВЭУ применяются для детектирования и усиления ионных токов.

К достоинствам ВЭУ на микроканальных пластинах относятся большой коэф-55 фициент усиления (до 10 на одну пла5 стину }, малый уровень собственных шумов, большая площадь входного окна при малой глубине объема, в котором происходит преобразование ионного 60 тока в электронный (2 .

Недостатком известного ВЭУ является невозможность регистрации импульсов, следующих за импульсом„ перегружающим МКП. 65

Предельно допустимое количество электронов на выходе МКП равно 10

10 на канал и предельно допустимый ток в импульсе 3 с выхода МКП имеД ет величину порядка 0,1-1,0 A. Соответственно количество исходных частиц на входе МКП должно составлять от единиц до сотен на канал для работы

ВЭУ без перегрузки. Так как постоянная времени восстановления МКП пос-2 ле перегрузки может доходить до 10

10 " с в зависимости от сопротивления пластин, то пики, следующие за перегружающим, не могут быть зарегистрированы в течение этого времени. Это существенно ограничивает воэможность применения,МКП во времяпролетных масс-спектрометрах, в которых период следования спектров равен 10 4 -10 з с, а период следования импульсов в масс.-спектре 10 -10 с.

Целью изобретения является повышение надежности измерения за счет возможностн регистрации импульсов, следующих за импульсом, перегружающим систему.

Поставленная цель достигается тем, что во вторично-электронном умножителе, содержащем последовательно установленные входную и выходную микроканальные пластины и коллектор электронов, плоскости которых параллельны между собой, между микроканальными пластинами параллельно им установлен управляющий электрод, соединенный с коллектором через согласующее устройство и расположенный на расстоянии от входной микроканальной пластины, удовлетворяющем соотношению:

0,93d 6 6 < 0,99d, де d — расстояние между микроканальыми пластинами.

На чертеже приведена схема вторично-электронного умножителя.

Устройство состоит из входной

МКП 1, выходной МКП 2, коллектора 3 электронов, установленных соосно.

Между МКП 1 и МКП 2 параллельно им и соосно установлен управляющий элект род (УЭ ) 4, соединенный с коллектором 3 через согласующее устройство 5.

К МКП 1 и МКП 2 подводится разность потенциалов согласно паспортновходных плоскостей МКП 1 и МКП 2 являются отрицательными относительно выходных плоскостей МКП 1 и МКП 2.

Разность потенциалов U между пластинами 1 и 2, а также между выходной плоскостью МКП 2 и коллектором. 3 имеет величину порядка сотен вольт, причем потенциалы выходных плоскостей МКП 1 и МКП 2 являются отрицатель ными относительно входных плоскостей

МКП 2 И коллектора .соответственно.

Потенциал 0„ на УЭ 4, представляющий собой сетку, подается таким обра-.

1108532 зом, что в статическом режиме он равен потенциалу поля между МКП 1 и

МКП 2 в месте расположения УЭ:

U UR/3 f (1 ) где () — разность потенциалов между 5

МКП 1 и МКП 2;

d — расстояние между МКП 1 и

МКП 2у расстояние от выходной плоскости МКП 1 до УЭ 4. IO

Поток ионов поступает на вход

МКП 1, где происходит его преобразование в поток электронов и затем усиление последнего. Электронный поток с выхода МКП 1 проходит сквозь сетча-)5 тый УЭ 4, поступает на МКП 2, усиливается и поступает на коллектор 3, где формируется импульс тока.

В согласующем устройстве 5 импульс тока с коллектора 3 преобразу- 0 ется в импульс напряжения отрицательной полярности, который с коэффициентом передачи К поступает на управляющий электрод 4..

Если величина U ýòoãî импульса на 5 управляющем электроде 4 становится равной .U W/),=U +wJq,, (2) 30 0„4 0„ „/, (к) то эти сигналы зарегистрируются без искажения. ВЭУ в этом случае работает в линейном режиме..

Расположение УЭ 4 на расстоянии

6 0,93d (б) обеспечивает максимально возможный предел линейности ВЭУ с учетом выполнения условий (4 ) и (5).

4О Следовательно, для работы ВЭУ без перегрузок и для максимально возможного диапазона линейно усиливаемых сигналов необходимо располагать управ ляющий электрод на расстоянии ., 45 удовлетворяющем условию

0,93 d К 4 . 0,99 д (7)

Пример. Изготовляют ВЭУ, состоящий из последовательно установленных входной и выходной,МКП-28-19, 50 плоскости которых параллельны между собой, коллектора электронов в виде диска из нержавеющей стали диаметром

)30 мм, установленного соосно с пласти нами, и управлянщего электрода между

55 микроканальными пластинами, изготовленного из медной палладированной сетки с ячейкой 50х50 мкм, парал2 .лельного плоскостям пластин.

Коллектор подключен к системе регистрации импульсов тока, полное сопротивление нагрузки R составляет

50 Ом.

Разность потенциалов, прикладывае. мая между входной и выходной плоско65 стями пластин МКП 1 и МКП 2, равна где Ю вЂ” некоторое значение энергии электронов в плоскости управляющего электрода;

U — потенциал УЭ в отсутствии

1 сигнала; с — заряд электрона;

w — некоторое значение энергии электронов, выходящих из каналов NK)l 1, причем щ (чую ц

МИН М6КС то электроны с энергией, меньшей %, не пройдут сквозь потенциальный барьер, созданный на управляющем электроде 4.

Таким образом, наличие управлянщего электрода 4 позволяет управлять потоком электронов с NKII 1 на МКП 2.

) В случае, когда ток с выхода

МКП 2 становится равным 1А, импульс

U„ на УЭ 4 запирает поток электронов с МКП 1 на МКП 2 и, таким образом, устраняет перегрузку системы. Для этого управляющий электрод 4 должен быть расположен на расстоянии

)) 0,99d (3l причем коэффициент переда и К должен обеспечивать выполнение условия () > и, ° W (q,, (4) необходимого для того, чтобы все электроны, выходящие из каналов МКП

1, не могли пройти сквозь потенциальный барьер, создаваемый управляющим импульсом U на УЭ 4. Необходимость соединения УЭ 4 с коллектором 3 через согласующее устройство 5 определяется тем, что нужен источник напряжения для формирования потенциала величиной U подаваемого на управлянщий электрод, управляющий электрод не должен быть связан с коллектором по постоянному току; согласующее устройство дает возможность обеспечить величину импульса U необходимую для выпол- . нения условия (4 ). Согласующее устрой ство представляет собой радиоэлектронный блок (импульсный усилитель ).

Таким образом, наличие УЭ 4 между

МКП 1 и МКП 2, его установка íà расстоянии (от МКП 1 и подача на него отрицательного импульса через согласующее устройство с коэффициентом К, определенным условием (4 ), позволяет устранить перегрузку ВЭУ и, следовательно, дает возможность зарегистрировать импульсы, следующие за перегружающим.

Если на вход ВЭУ поступают сигналы такой величины, что они не перегружают МКП 2, и величина управляющего импульса ()„, созданного ими иа .управляющем электроде, не превьыает минимального значения энергии электронов в плоскости, где расположен УЭ 4, т.е. из (2) 1108532

Составитель В.Белоконь

Редактор M.Íåäîëóæåíêo Техред Л.Мартяшова Корректор О Билак

Заказ 5876/39 Тираж 683 Подписное

ВНИИНИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, й-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðoä, ул.Проектная, 4

1,1 кВ, коэффициент умножения каждой пластины К = 3 х 10 .

Расстояйие между пластинами д =8мм, разность потенциалов между выходной плоскостью МКП 1 и входной плоскостью

МКП 2 U = 300 В. 5

Управляющий электрод расположен на расстоянии = 0,95 д = 7,6 мм от вы:одной плоскости МКП 1, его потенциал в статическом режиме относительно потенциала выходной плоскости 10

ИКП 1 О = 285 В. Для МКП-28-19

34= 320 мА, 0 4 w < 100 эВ.

Коэффициент передачи согласующего устройства К = 25.

При приходе на вход ВЭУ пакета 15 из 12000 ионов, длительностью 50 нс, ток с выхода МКП 2 равен Э = 380 мА, т.е. 3 Ъ З . При этом ВЭУ без управляющего электрода был бы перегружен и последующие импульсы не были бы 2р зарегистрированы.

Однако при наличии управляющего электрода импульс тока 3, преобразовайный в импульс напряжения U =к1 Р =

475 В, создает на управляющем электроде потенциальный барьер для электронов, причем U, > p + „„,,, и, следовательно, все электроны не могут проходить сквозь барьер на управляющем электроде и попасть на

МКП 2. При этом МКП 2 не перегружается. Импульс, перегружающий систему, не может быть измерен, однако импульсы, следующие за перегружающим, зарегистрируются.

В рассмотренном примере диапазон динейно измеряемых импульсов составляет Э„= 0,71 Э (7.„= U /К Р1, т.е. пакеты, содержащие от 1 до 8000 ионов на входе ВЭУ измеряются количественно.

Таким образом, предлагаемое устройство, в отличие от прототипа, обеспечивает возможность регистрации импульсов, следующих за импульсом, перегружающим систему (ВЭУ1, что повышает надежность измерений. Оно может бытЬ использовано при проведении исследований в масс-спектрометрах с лазерным источником ионов, в которых пакеты ионов, приходящие на вход ВЭУ содержат 10 — 10 ионов.

6 7