Электронный умножитель Советский патент 1992 года по МПК H01J43/04 

Изобретение 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 интенсивностей потока частиц в несколько десятков раз(при использовании эмиттеров с отрицательным электронным сродством.

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

Известны также гибридные ЭУ, содержащие наряду с МКП полупроводниковые усилители электронных потоков, принцип действия которых основан на явлении генераций электронно-дырочных пар в рп-иереходе диода при его бомбардировке потоков

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 пленарный 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 боль-, .ших загрузках желательно снижение плотности выходного тока МКП путем использования больд1ей рабочей площади (порядка нескольких квадоатных сантиметров при загрузках более 10 имп/с). Однако соответствующее увеличение площади диода приводит к увеличению его емкости до тысяч пикофарад. В условиях, когда невозможно произвольное уменьшение сопротивления нагрузки ЭУ (например, при включении токоограничивающего резистора в выходной цепи для защиты диода и регистрирующей аппаратуры от высоковольтных пробоев, а также при передаче выходного сигнала ЭУ по согласованной линии с конечным волновым сопротивлением), постоянная времени интегрирующей цепи на выходе ЭУ превышает 10-100 не, ограничивая быстродействие.

Цель изобретения - повышение стабильности коэффициента усиления и быстродействия ЭУ.

Указанная цель достигается тем, что ЭУ, содержащий последовательно установленные одну или несколько МКП и полупроводниковый диод в к.ачестве 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 электрическое поле. Поперечное сечение потока выходных электронов МКП, ускоряющихся в этом поле, у.меиьшзетсй до величины, 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, сопряженной 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 коэффициента усиление диода независимо от места вылета электронов с

поверхности МКП.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый ЭУ отличается наличием фокусирующих электродов между МКП и входом диода, выполнением

одного из них в форме усеченной конической поверхности, а другого в форме усеченной конической поверхности, сопряженной с цилиндрической поверхностью, диаметр которой не превышает диаметра меньшего основания конуса первого электрода диода - с 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, отличающие заявляемое решение от прототипа, на основании чего можно сделать вывод о соответствии критерию существенные отличия.

На чертеже схематично изображен предлагаемый ЭУ (в сечении плоскостью, проходящей через ось симметрии,;, представлен пример конкретного П1;толиения

электродов, устанавливаемых между МКП и диодов.

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

Предлагаемый ЗУ работает следующим образом.

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 частице, падающей на вход МКП 1 в преде-лах рабочей площади МКП соответствует пакет электронов на выходе МКП 2, содержащий 10 ...10 электронов. Зти электроны ускоряются в поле между электродами 4, 5 и приходят на входную поверхность 6 диода 3 независимо от места падения первичной частицы. При этом они создают в рп-переходе порядка 10 электронно-дырочных пар, и в цепи диода возникает импульс тока длительностью 1...3 НС. Таким образом, при полном усилении ЗУ не менее 10 общее усиление МКП не превышает порядка 10 , благодаря чему обеспечивается стабильность работы умножителя при потоках частиц на входе до 10 част/с на 1 см рабочей площади МКП.

Поскольку площадь диода значительно меньше 1 см (например, около 3 см ), его емкость не превышает нескольких десятков пикофарад. Сопротивление нагрузки ЗУ может быть выбрано исходя из удобства передачи его сигналов по согласованным линиям внутри и вне вакуумной камеры при постоянной времени выходной цепи ЗУ не более 1...2 не.

Испытания умножителя дали следующие результаты: относительная нестабильность коэффициента усиления при загрузке от 10 имп/с до 5- 10 имп/с - не более 2% (при коэффициенте усиления около 2 -10): неравномерность коэффициента усиления в

пределах рабочей площади, составляющей около 1 см - не более 15%; длительность выходного импульса на половине высоты при сопротивлении нагрузки 50 Ом и выходной емкости ЗУ около 20 пФ - менее 3 не.

Предлагаемая конструкция ЗУ 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 МКП благодаря возможности использования диода меньшей площади и меньшей емкости возрастает быстродействие ЗУ. Формула изобретения 1. Злектронный умножитель, содержащий последовательно установленные одну

или несколько микроканальных пластин и полупроводниковый диод в качестве усилителя электронного потока, отличающийся 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 поп.1,отличающийс 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.

64

выжод м.кл

ewxoi (множителя

вхо9 диода

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^^