Электронный умножитель

 

Использование: вглектронной технике, в частности в конструкциях гибридных электронных умножителей, построенныхна базе микроканальных пластин (МКП) и полупроводникового диода-усилителя электронного потока. Сущность изобретения: электронный умножитель содержит последовательно установленные одну или несколько МКП и полупроводниковый диод, бомбардируемый потоком электронов, выходящих из МКП, причем выход ближайшей к диоду МКП и вход диода электрически соединены с первым и вторым электродами, соответственно установленными между МКП и диодом, причем первый электрод выполнен в форме усеченного конической поверхности, а второй электрод выполнен в форме усеченной конической поверхности, сопряженной с цилиндрической поверхностью, и установлен соосно с первым электродом. При подаче разности потенциалов на эти электроды между МКП и диодом образуется неоднородное электрическое поле, обеспечивающее сбор электронов с рабочей площади МКП на входную поверхность диода. 1 з.п. ф-лы, 1 ил."ч^^

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ((9) ((() 1780128 А1 (si)s Н 01 J 43/04.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4779997/21 (22) 09.01.90 (46) 07.12.92. Бюл. М 45 (71) Институт аналитического приборостроения Научно-технического обьединения АН

СССР (72) А.Г.Каменев, Г.В,Лебедев, И.В.Чубинский-Надеждин (56) Патент Франции N 2506518, кл. Н 01 J 43/04, 1981.

Патент Франции N 2494906, кл, H 01 J 40/04, 1980. (54) ЭЛЕKTPOHHblЙ УМНОЖИТЕЛЬ (57) Использование: в "-лектронной технике, в частности в конструкциях гибридных электронных умножителей, построенных на базе микроканальных пластин (МКП) и полупроводникового диода-усилителя электронного потока, Сущность изобретения: электронИзобретение относится к электронной технике и может быть использовано в научном приборостроении при разработке детекторов заряженных частиц низких энергий.

Известна конструкция быстродействующего электронного умножителя ЭУ на основе микроканальных пластин МКП, в котором после МКП установлен дополнительный динод с высоким коэффициентом вторичной эмиссии. Это позволяет снизить усиление и плотность выходного тока МКП, сохранив высокое усиление ЭУ, и расширить верхний предел измеряемых интенсивный умножитель содержит последовательно установленные одну или несколько МКП и полупроводниковый диод, бомбардируемый потоком электронов, выходящих из

МКП, причем выход ближайшей к диоду

МКП и вход диода электрически соединены с первым и вторым электродами, соответственно установленными между МКП и диодом, причем первый электрод выполнен в форме усеченного конической поверхности, а второй электрод выполнен в форме усеченной конической поверхности, сопряженной с цилиндрической поверхностью, и установлен соосно с первым электродом, При подаче разности потенциалов на эти электроды между МКП и диодом образуется неоднородное электрическое поле, обеспечивающее сбор электронов с рабочей площади МКП на входную поверхность диода, 1 з,п. ф-лы, 1 ил. ностей потока частиц в несколько десятков раз(при использовании эмиттеров с отрицательным электронным сродством.

Однако эксплуатация ЭУ в установках с периодическим ухудшением вакуума (например, в спектрометрэх заряженных частиц) приводит к необратимой деградации такого динода.

Известны также гибридные ЭУ. содержащие наряду с МКП полупроводниковые усилители электронных потоков, принцип действия которых основан на явлении генераций электронно-дырочных пар e pn-переходе диода при его бомбардировке по10K08

1780128 электронов. Коэффициент усиления диода может достигать несколько тысяч, он мало чувствителен к воздействию воздуха и стабилен при изменении выходных токов в широких пределах.

Известная конструкция ЭУ, выбранная в качестве прототипа, содержит последовательно установленные МКП и кремниевый планарный диод, бомбардируемый потоком электронов, выходящих из МКП, Электроны ускоряются в электрическом поле плоского зазора между выходной поверхностью МКП и входной поверхностью диода, При разности потенциалов в зазоре не менее 5 кВ обеспечивается коэффициент усиления диода порядка сотен-тысячи (3) и соответственно может быть расширен предел измеряемых интенсивностей потока частиц.

Недостатком известной конструкции

ЭУ является ограничение величины рабочей площади МКП площадью входной поверхности диода, что не позволяет в полной мере реализовать преимущества гибридного

ЭУ. Для повышения стабильности коэффициента усиления и долговечности при больших загрузках желательно снижение плотности выходного тока МКП путем использования большей рабочей площади (порядка нескольких квадоатнь«х сантиметров при загрузках более 10 имп/с), Однако со6 ответству«ощее увеличение площади диода приводит к увеличени«о его емкости до тысяч пикофарад, В условиях, когда невозможно произвольное уменьшение

"..îïðîTèâëåíèë нагрузки ЭУ (например, при вклю «ении токоограничивающего резистора в Bb«xOpëîé цепи для защиты диода и регистриру«ощей аппаратуры от высоковольтных пробоев, а так>ке при передаче выходного сигнала ЭУ по согласованной линии с конечным волновым сопротивлением), постоянíая времени интегриру«ощей цепи на выходе ЭУ превышает 10-100 нс, ограничивая быстродействие.

Цель изобретения — повышение стабильности коэффициента усиления и быстродействия ЭУ.

Указанная цель достигается тем, что ЭУ, содер>кащий последовательно установлен««ь«е одну или несколько МКП и полупроводниковый диод в качестве усилителя электронного потока, снабжен по меньшей мере двумя фокусирующими электродами, установленными соосно друг другу между

МКП и диодом. Благодаря этому между выходной поверхностью МКП и входной поверхностью диода создается неоднородное злекгрическое поле. Поперечное сечение потока выходных электронов МКП, ускоря«оц«««вся Q э гом поле, уме««ь!а«ается до вели"

55 чины, равной площади входной поверхности диода, Геометрические соотношения в конкретных выполнениях электродов и их взаимное расположение выбираются расчетным путем так, чтобы получить необходимую равномерность сбора электронов со всей рабочей площади МКП на входную поверхность диода заданного размера (с учетом разброса начальных скоростей и направлений вылета электронов из МКП), В предлагаемом варианте выполнения внутренняя поверхность одного из электродов выполнена в форме усеченной конической поверхности, а внутренняя поверхность второго выполнена в форме усеченной конической поверхности, сопря>кенной своим меньшим основанием с цилиндрической поверхностью,диаметр которой не превышает диаметра меньшего основания конуса первого электрода, при этом электроды установлены так, что выход МПК совмещен с меньшим основанием конуса первого электрода, а входная поверхность диода совмещена с основанием цилиндра второго электрода.

Предлагаемая форма электродов обеспечивает; а) малые вариации времени пролета электронов от МКП к диоду, что исключает их влияние на быстродействие ЭУ; б) малый разброс углов падения электронов на вход диода и, как следствие, постоянство коэф >ициента усиление диода независимо от места вылета электронов с поверхности МКП, Сопоставительный анализ с llpQToTYi пом показывает, что предлагаемый ЭУ отличается наличием фокусирующих электродов между МКП и входом диода, выполнение одного из них в форме усеченной конической поверхности, а дру«ого — в форме усече «ной конической повсрхности, сопря>кенной с цилиндрической поверхностью, диаметр которой не превышает диаметра меньшего основания конуса lepBQ«o электрода диода — c основанием цилиндра второго электрода. Таким образом, заявляемый ЭУ соответствует критерию "новизна". Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями в данной области техники не позволили выявить в них признаки, о личающие заявляемое решение от прототипа, на основании чего можно сделать вывода соответствии критерию "существенные отличия".

На чертеже схематично изображен предлагаемый ЭУ (в сечении плоскостью, проходящей через ось с«««п е«р«, представлен пример ко««крет««6««а p«i««. çë««å«-«« ÿ

1780128 электродов, устанавливаемых между МКП и диодов.

ЭУ содержит две М КП 1 и 2, полупроводниковый диод 3, электрод 4. соединенный с выходом МКП 2 и электрод 5, соединенный 5 с входной поверхностью 6 диода 3. Электрод 4 имеет форму усеченной конической поверхности, а электрод 5 — форму усеченной конической поверхности, сопряженной с цилиндрической поверхностью. Отноше- 10 ние рабочих площадей МКП и диода может быть выбрано не менее 10...100, в данном случае оно составляет более 30.

Предлагаемый ЭУ работает следующим образом. 15

На МКП 1 и 2 подаются рабочие напряжения (600 — 900 В), на диод 3 подается напряжение обратного смещения (10 — 200 В), Между электродами 4 и 5 прикладывается разность потенциалов 6...10 кВ, Первичной 20 частице, падающей на вход МКП 1 в пределах рабочей площади МКП соответствует пакет электронов на выходе МКП 2, содер>кащий 10 ...10 электронов. Эти электроны

4 5 ускоряются в поле между электродами 4, 5 25 и приходят на входную поверхность 6 диода

3 независимо от места падения первичной частицы. При этом они создают B pn-переходе порядка 10 электронно-дырочных пар, и

7 в цепи диода возникает импульс тока дли- 30 тельностью 1...3 нс, Таким образом, при полном усилении ЭУ не менее 10 общее

7 усиление МКП не превышает порядка 10, 4 благодаря чему обеспечивается стабильность работы умножителя при потоках час- 35 тиц на входе до 10 част/с на 1 см рабочей

8 2 площади МКП.

Поскольку площадь диода значительно меньше 1 см (например, около 3 см ), его

2 емкость не превышает нескольких десятков 40 пикофарад. Сопротивление нагрузки ЭУ может быть выбрано исходя из удобства передачи его сигналов по согласованным линиям внутри и вне вакуумной камеры при постоянной времени выходной цепи ЭУ не 45 более 1.„2 нс.

Испытания умножителя дали следующие результаты: относительная нестабильноста козффициента усиления при загрузке от 10 имп/с до 5 10 имп/c — не более 2 к (при коэффициенте усиления около 2 iQ ); неравномерность коэффициента усиления в поеделах рабочей площади, составляющей около 1 см — не более 15О/Р ; длительность

2 выходного импульса на половине высоты при сопротивлении нагрузки 50 Ом и выходной емкости ЭУ около 20 пФ вЂ” менее 3 нс, Предлагаемая конструкция ЭУ позволяет использовать рабочую площадь МКП в несколько десятков раз превышающую площадь входной поверхности диода. По сравнению с прототипом при одинаковых заданных емкостях диодов сохраняется быстродействие и значительно увеличивается стабильность усиления и долговечности.

При одинаковых заданных рабочих площадях MKfl благодаря возможности использования диода меньшей площади и меньшей емкости возрастает быстродействие ЭУ.

Формула изобретения

1. Электро нн ы и умножител ь, содержащий последовательно установленные одну или несколько микроканальных пластин и полупроводниковый диод в качестве усилителя электронного потока, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения стабильности коэффициента усиления и быстродействия, умножитель снабжен по меньшей мере двумя фокусирующими электродами, установленными соосно друг другу между ближайшей к диоду микроканальной пластиной и диодом.

2. Умножитель по п.1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что он снабжен двумя фокусирующими электродами, внутренняя поверхность одного из которых выполнена в форме усеченной конической поверхности, а внутренняя поверхность второго выполнена в форме усеченной конической поверхности, сопряженной своим меньшим основанием с цилиндрической поверхностью, при этом выход микроканальной пластины совмещен с меньшим основанием конуса первого электрода, а входная поверхность диода совмещена с основанием цилиндра второго электрода.

1780128 од учила выхо нк.п.

Составитель А.Каменев

Редактор Т.Купрякова Техред M.Moðãåíòçn Корректор Л.Лукач

Заказ 4439 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, yn,Гагарина, 101