Una placa de microcanal ( MCP ) es un componente plano que se utiliza para la detección de partículas individuales ( electrones , iones y neutrones [1] ) y radiación incidente de baja intensidad ( radiación ultravioleta y rayos X ). Está estrechamente relacionado con un multiplicador de electrones , ya que ambos intensifican partículas individuales o fotones mediante la multiplicación de electrones mediante emisión secundaria . [2] Sin embargo, debido a que un detector de placa de microcanal tiene muchos canales separados, también puede proporcionar resolución espacial.
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Diseño básico
Una placa de microcanales es una losa hecha de material altamente resistivo de típicamente 2 mm de espesor con una matriz regular de pequeños tubos o ranuras (microcanales) que van de una cara a la opuesta, densamente distribuidos por toda la superficie. Los microcanales tienen típicamente aproximadamente 10 micrómetros de diámetro (6 micrómetros en MCP de alta resolución) y están separados aproximadamente por 15 micrómetros; son paralelos entre sí y, a menudo, entran en la placa en un ángulo pequeño con respecto a la superficie (~ 8 ° de lo normal).
Modo operativo
A energías no relativistas, las partículas individuales generalmente producen efectos demasiado pequeños para permitir su detección directa. La placa de microcanal funciona como un amplificador de partículas, convirtiendo una sola partícula que choca en una nube de electrones. Al aplicar un fuerte campo eléctrico a través del MCP, cada microcanal individual se convierte en un multiplicador de electrones de dinodo continuo .
Se garantiza que una partícula o fotón que entra en uno de los canales a través de un pequeño orificio golpeará la pared del canal, debido a que el canal forma un ángulo con la placa. El impacto inicia una cascada de electrones que se propaga a través del canal, amplificando la señal original en varios órdenes de magnitud, dependiendo de la intensidad del campo eléctrico y la geometría de la placa del microcanal. Después de la cascada, el microcanal tarda en recuperarse (o recargarse) antes de que pueda detectar otra señal.
Los electrones salen de los canales en el lado opuesto de la placa, donde se recogen en un ánodo. Algunos ánodos están diseñados para permitir la recolección de iones resuelta espacialmente, produciendo una imagen de las partículas o fotones incidentes en la placa.
Aunque, en muchos casos, el ánodo colector funciona como elemento de detección, el propio MCP también se puede utilizar como detector. La descarga y recarga de la placa producida por la cascada de electrones, se puede desacoplar del alto voltaje aplicado a la placa y medido, para producir directamente una señal correspondiente a una sola partícula o fotón.
La ganancia de un MCP es muy ruidosa, lo que significa que dos partículas idénticas detectadas en sucesión a menudo producirán magnitudes de señal muy diferentes. La fluctuación temporal resultante de la variación de la altura de los picos puede eliminarse utilizando un discriminador de fracciones constante . Empleados de esta manera, los MCP son capaces de medir los tiempos de llegada de partículas con una resolución muy alta, lo que los convierte en detectores ideales para espectrómetros de masas .
Chevron MCP
La mayoría de los detectores MCP modernos constan de dos placas de microcanales con canales en ángulo, girados 180 ° entre sí, lo que produce una forma de cheurón poco profunda (en forma de V). En un MCP de chevron, los electrones que salen de la primera placa inician la cascada en la siguiente placa. El ángulo entre los canales reduce la retroalimentación de iones en el dispositivo, además de producir una ganancia significativamente mayor a un voltaje dado, en comparación con un MCP de canal recto. Los dos MCP se pueden presionar juntos para preservar la resolución espacial o tener un pequeño espacio entre ellos para distribuir la carga a través de múltiples canales, lo que aumenta aún más la ganancia.
MCP de pila Z
Se trata de un conjunto de tres placas de microcanales con canales alineados en forma de Z. Los MCP individuales pueden tener una ganancia de hasta 10,000 (40 dB ) pero este sistema puede proporcionar una ganancia de más de 10 millones (70 dB ). [3]
El detector
Se utiliza un divisor de voltaje externo para aplicar 100 voltios a la óptica de aceleración (para la detección de electrones), cada MCP, el espacio entre los MCP, la parte posterior del último MCP y el colector ( ánodo ). El último voltaje dicta el tiempo de vuelo de los electrones y, de esta manera, el ancho del pulso .
El ánodo es una placa de 0,4 mm de espesor con un borde de 0,2 mm de radio para evitar intensidades de campo elevadas. Es lo suficientemente grande como para cubrir el área activa del MCP, porque la parte posterior del último MCP y el ánodo actúan juntos como un condensador con una separación de 2 mm, y una gran capacitancia ralentiza la señal. La carga positiva en el MCP influye en la carga positiva en la metalización de la parte trasera. Un toro hueco conduce esto alrededor del borde de la placa del ánodo. Un toro es el compromiso óptimo entre baja capacitancia y camino corto y, por razones similares, generalmente no se coloca ningún dieléctrico (Markor) en esta región. Después de un giro de 90 ° del toro, es posible conectar una guía de ondas coaxial grande . Un cono permite minimizar el radio para poder utilizar un conector SMA . Para ahorrar espacio y hacer que la impedancia sea menos crítica, la conicidad a menudo se reduce a un pequeño cono de 45 ° en la parte posterior de la placa del ánodo.
Los típicos 500 voltios entre la parte trasera del último MCP y el ánodo no se pueden alimentar directamente al preamplificador; el conductor interior o exterior necesita un bloque de CC , es decir, un condensador. A menudo, se elige tener una capacitancia 10 veces mayor en comparación con la capacitancia del ánodo MCP y se implementa como un capacitor de placa. Las placas de metal redondeadas y electropulidas y el vacío ultra alto permiten intensidades de campo muy altas y alta capacitancia sin dieléctrico. La polarización para el conductor central se aplica a través de resistencias que cuelgan de la guía de ondas (consulte la T de polarización ). Si el bloque de CC se utiliza en el conductor exterior, se alinea en paralelo con el condensador más grande en la fuente de alimentación. Suponiendo un buen apantallamiento, el único ruido se debe al ruido actual del regulador de potencia lineal. Debido a que la corriente es baja en esta aplicación y hay espacio disponible para capacitores grandes, y debido a que el capacitor de bloque de CC es rápido, es posible tener un ruido de voltaje muy bajo, de modo que se puedan detectar incluso señales débiles de MCP. A veces, el preamplificador está en un potencial ( fuera de tierra ) y obtiene su energía a través de un transformador de aislamiento de baja potencia y emite su señal ópticamente .
La ganancia de un MCP es muy ruidosa, especialmente para partículas individuales. Con dos MCP gruesos (> 1 mm) y canales pequeños (<10 µm), se produce la saturación, especialmente en los extremos de los canales después de que hayan tenido lugar muchas multiplicaciones de electrones. Las últimas etapas de la siguiente cadena de amplificadores de semiconductores también entran en saturación. Un pulso de longitud variable, pero de altura estable y un borde de entrada de baja fluctuación se envía al convertidor de tiempo a digital . La fluctuación se puede reducir aún más por medio de un discriminador de fracción constante . Eso significa que el MCP y el preamplificador se utilizan en la región lineal (carga espacial despreciable) y se supone que la forma del pulso se debe a una respuesta de impulso , con altura variable pero forma fija, de una sola partícula.
Debido a que los MCP tienen una carga fija que pueden amplificar durante su vida, especialmente el segundo MCP tiene un problema de por vida. [4] Es importante utilizar MCP delgados, bajo voltaje y en lugar de mayor voltaje, amplificadores semiconductores más sensibles y rápidos después del ánodo. [ cita requerida ] (ver: Emisión secundaria # Tubos amplificadores especiales , [5] [6] . [7] ).
Con altas tasas de conteo o detectores lentos (MCP con pantalla de fósforo o fotomultiplicadores discretos ), los pulsos se superponen. En este caso, se utilizan un amplificador de alta impedancia (lento, pero menos ruidoso) y un ADC . Dado que la señal de salida del MCP es generalmente pequeña, la presencia del ruido térmico limita la medición de la estructura temporal de la señal MCP. Sin embargo, con esquemas de amplificación rápida, es posible tener información valiosa sobre la amplitud de la señal incluso a niveles de señal muy bajos, pero no sobre la información de la estructura temporal de las señales de banda ancha .
Detector de línea de retardo
En un detector de línea de retardo, los electrones se aceleran a 500 eV entre la parte posterior del último MCP y una rejilla. Luego vuelan 5 mm y se dispersan en un área de 2 mm. Sigue una cuadrícula. Cada elemento tiene un diámetro de 1 mm y consta de una lente electrostática que enfoca los electrones que llegan a través de un orificio de 30 µm de una lámina de aluminio conectada a tierra. Detrás de eso, sigue un cilindro del mismo tamaño. La nube de electrones induce un pulso negativo de 300 ps al entrar en el cilindro y positivo al salir. Después de eso, sigue otra hoja, un segundo cilindro y una última hoja. Efectivamente, los cilindros se fusionan en el conductor central de una línea de banda . Las hojas minimizan la diafonía entre las capas y las líneas adyacentes en la misma capa, lo que conduciría a la dispersión y el repique de la señal. Estas líneas de banda serpentean a través del ánodo para conectar todos los cilindros, ofrecer a cada cilindro una impedancia de 50 Ω y generar un retardo dependiente de la posición. Debido a que los giros en la línea de banda afectan adversamente la calidad de la señal, su número es limitado y para resoluciones más altas se necesitan múltiples líneas de banda independientes. En ambos extremos, los meandros están conectados a la electrónica del detector. Esta electrónica convierte los retrasos medidos en coordenadas X (primera capa) e Y (segunda capa). A veces se usa una cuadrícula hexagonal y 3 coordenadas. Esta redundancia reduce el espacio-tiempo muerto al reducir la distancia máxima de viaje y, por lo tanto, el retardo máximo, lo que permite mediciones más rápidas. El detector de placa de microcanal no debe operar a más de 60 grados Celsius, de lo contrario se degradará rápidamente, el secado sin voltaje no tiene influencia. [ cita requerida ]
Ejemplos de uso
- La aplicación de las placas de microcanal en el mercado masivo se encuentra en los tubos intensificadores de imagen de las gafas de visión nocturna , que amplifican la luz visible e invisible para hacer que los entornos oscuros sean visibles para el ojo humano .
- Un CRT de visualización en tiempo real de 1 GHz para un osciloscopio analógico (el Tektronix 7104) utilizó una placa de microcanales colocada detrás de la pantalla de fósforo para intensificar la imagen. Sin la placa, la imagen sería excesivamente tenue, debido al diseño óptico de electrones.
- Los detectores MCP se emplean a menudo en instrumentación para investigación física y se pueden encontrar en dispositivos como espectrómetros de masas y de electrones .
Ver también
- Detector de partículas
- Fotodetector
- Dispositivo de visión nocturna
- Intensificador de imagen
- Materiales de vidrio nanocanal
Referencias
- ^ Tremsin, AS; McPhate, JB; Steuwer, A .; Kockelmann, W .; Paradowska, AM; Kelleher, JF; Vallerga, JV; Siegmund, OHW; Feller, WB (28 de septiembre de 2011). "Mapeo de deformación de alta resolución a través de difracción de transmisión de neutrones de tiempo de vuelo con un detector de recuento de neutrones de placa de microcanal". Colar . 48 (4): 296-305. doi : 10.1111 / j.1475-1305.2011.00823.x .
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Bibliografía
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- Patente de Estados Unidos 5.265.327
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- Patente de Estados Unidos 7,990,032
- Patente de Estados Unidos 4.780.395
enlaces externos
- Principios de funcionamiento de la placa de microcanal
- Imagine the Universe de la NASA