Вторично-электронный умножитель Советский патент 1984 года по МПК H01J43/04 

7

}

Изобретение относится к физической электронике, в частности к массспектрометрии. Вторично-электронные умножители (ВЭУ, служат для преобразования потока заряженных частиц Jили нейтраль ных) в поток электронов и для усиления последнего. Известен канальный вторично-элект ронный умножитель (КЭУ) типа ВЭУ-6, представляющий собой изогнутую в вид спирали трубку из свинцово-силикатного стекла с воронкообразным входом диаметром 8 мм, внутренняя поверхность которой обладает коэффициентом втор1 чной электронной эмиссии, превы шаюшим единицу. Первичное излучение например (ионы), попадающие на вход КЭУ, гене рируют при соударении с внутренней поверхностью канала электроны, которые при движении в канале, соударяясь со стенками, образуют каскады вт ричных электронов. Процесс умножения приводит к тому что на выходе канала на каждый первичный электрон в среднем приходится порядка 10 вторичных электронов. Если при усилении поступающего на вход КЭУ сигнала заряд с выхода умно жителя превышает предельно допустимую величину, то умножитель пёрегружается, и для восстановления его коЬффициента усиления требуется время, в несколько десятков раз превышающее период следования регистрируемых импульсов tl3. Однако импульсы, следующие за перегружающим, не могут быть зарегистрированы. Развитием конструкции КЭУ явилось создание сотовых структур из большого числа каналов диаметром в несколь ко десятков микрон - микроканальных пластин {МКП). Наиболее близким техническим реше нием к изобретению является вторично электронный умножитель, представляющий собой последовательно установлен ные две МКП и коллектор электронов, плоскости которых параллельны между собой. В масс-спектрометрии, в частности ВЭУ применяются для детектирования и усиления ионных токов. К достоинствам ВЭУ на микроканальных пластинах относятся большой коэффициент усиления (до 10 на одну пластину), малый уровень собственных шумов, большая площадь входного окна при малой глубине объема, в котором происходит преобразование ионного тока в электронный 2J. Недостатком известного ВЭУ является невозможность регистрации импульсов, следующих за импульсом, перегружающим МКП. Предельно допустимое количество электронов на выходе МКП равно на канал и предельно допустимый ток в импульсе Од с выхода МКП имеет величину порядка 0,1-1,0 А. 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 после перегрузкн может доходить до с в зависимости от сопротивления пластин, то пики, следующие за перегружающим, не могут быть зарегистрированы в течение этого времени. Это существенно ограничивает возможность применения .МКП во времяпролетных масс-спектрометрах, в которых период следования спектров равен с, а период следования импульсов в масс.-спектре . Целью изобретения является повышение надежности измерения за счет возможности 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: О, 93 с 8 . 0,99dl , Ьде о1 - расстояние между микроканальными 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 паспортному режиму работы так, что потенциалы входных 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 U на УЭ 4, представляющий собой сетку, подается таким обра-. зом, что в.статическом режиме он ра вен потенциалу поля между МКП 1 и МКП,2 в месте расположения УЭ: и, и«/о1 , (1) где и - разность потенциалов между МКП 1 и МКП 2; d - расстояние между МКП 1 и МКП 2; г - расстояние от выходной плоскости МКП 1 до УЭ 4. Поток ионов поступает на вход МКП 1, где происходит его преобразо вание в поток электронов и затем ус ление последнего. Электронный поток с выхода МКП 1 проходит сквозь сетч тый УЭ 4, поступает на МКП 2, усили вается и поступает на коллектор 3, где формируется импульс тока. В согласующем устройстве 5 импульс тока с коллектора 3 преобразу ется в импульс напряжения отрицател ной полярности, который с коэффициентом передачи К поступает на управ ляющий электрод 4 . Если величина U этого импульса управляющем электроде 4 становится равной ,,-и + /Ч, , (21 где W - некоторое значение энергии электронов в плоскости управляющего электрода; и - потенциал УЭ в отсутствии сигнала; - заряд электрона; W - некоторое значение энергии электронов, выходящих из к налов МКП 1, причем мин- м«.с то электроны с энергией, меньшей W, не пройдут сквозь потенциальный бар ер, созданный на управляющем электр де 4. Таким образом, наличие управляющ го электрода 4 позволяет управлять потоком электронов с МКП 1 на МКП 2 В случае, когда ток с выхода МКП 2 становится равным 1д, импульс и„ на УЭ 4 запирает поток электроно с МКП 1 на МКП 2 и, таким образом, устраняет перегрузку системы. Для этого управляющий электрод 4 должен быть расположен на расстоянии ,99d причем коэффициент передачи К долже обеспечивать выполнение условия и и + W /о и -I М01КС/ V необходимого для того, чтобы все электроны, выходящие из каналов МКП 1, не могли пройти сквозь потенциал ный барьер, создаваемый управляющим импульсом DH на УЭ 4. Необходимость соединения УЭ 4 с коллектором 3 через согласующее устройство 5 определяется тем, что нужен источник напряжения для формирования потенциала величиной Ц , подаваемого на управляющий электрод, управляющий электрод не должен быть связан с коллектором по постоянному току; согласующее устройство дает возможность обеспечить величину импульса Up, 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 на 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 Uy, созданного ими на управляющем электроде, не превышает минимального значения энергии электронов в плоскости, где расположен УЭ 4, т.е. иэ (2 ) и, и + W /q , (si U 1 WMH/ 1 TO ЭТИ сигналы зарегистрируются без искажения. ВЭУ в этом случае работает в линейном режиме. Расположение УЭ 4 на расстоянии е 0,93о1 (6) обеспечивает максимально возможный предел линейности ВЭУ с учетом выполнения условий (4 ) и (51. Следовательно, для работы ВЭУ без перегрузок и для максимально возможного диапазона линейно усиливаемых сигналов необходимо располагать управ ляющий электрод на расстоянии t , удовлетворяющем условию . 0,93 d е i . 0,99(3 (7) Пример. Изготовляют ВЭУ,состоящий из последовательно установленных входной и выходной.МКП-28-19, плоскости которых параллельны между собой, коллектора электронов в виде диска из нержавеющей ст|1ли диаметром 30 мм, установленного соосно с пласти нами, и управляющего электрода между микроканальными пластинами, изготовленного из медной палладированной сетки с ячейкой 50x50 мкм, парал.лельного плоскостям пластин. Коллектор подключен к системе регистрации импульсов тока, полное сопротивление нагрузки R составляет 50 Ом. Разность потенциалов, прикладываемая между входной и выходной плоскостями пластин МКП 1 и МКП 2, равна

1,1 KB, коэффициент умножения каждой пластины К 3x10.

Расстояние меящу пластинами разность потенциалов между выходной плоскостью МКП 1 и входной плоскость МКП 2 и 300 В.

Управляющий электрод расположен на расстоянии t 0,95d 7,6 мм от выюдной плоскости МКП 1, его потенциал в статическом режиме относительно потенциала выходной плоскости МКП 1 Ц 285 В. Для МКП-28-19 3 320 мА, 100 эВ.

Коэффициент передачи согласующего устройства К 2 5.

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

Однако при наличии управляющего электрода импульс тока , преобразованный в импульс напряжения U К1 R 475 В, создает на управляквдем электроде потенциальный барьер для

электронов, причем U,u , , 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,Эд 0,71Эд (Эд UI,/KR) , 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, следукицих за импульсом, перегружающим систему (ВЭУ), 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.

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