Una placa de microcanales ( MCP ) se utiliza para detectar partículas individuales ( electrones , iones y neutrones [1] ) y fotones ( radiación ultravioleta y rayos X ). Está estrechamente relacionada con un multiplicador de electrones , ya que ambos intensifican partículas individuales o fotones mediante la multiplicación de electrones a través de la emisión secundaria . [2] Debido a que un detector de placa de microcanales tiene muchos canales separados, puede proporcionar resolución espacial.
Una placa de microcanales es una placa hecha de material resistivo (generalmente vidrio) de 0,5 a 2 mm de espesor con una disposición regular de pequeños tubos (microcanales) que van de una cara a la otra. Los microcanales tienen típicamente de 5 a 20 micrómetros de diámetro, son paralelos entre sí y entran en la placa en un ángulo pequeño con respecto a la superficie (8 a 13° con respecto a lo normal ). Las placas suelen ser discos redondos, pero se pueden cortar en cualquier forma, desde 10 mm hasta 200 mm. También pueden ser curvas.
En energías no relativistas, las partículas individuales generalmente producen efectos demasiado pequeños para permitir su detección directa. La placa de microcanales funciona como un amplificador de partículas, convirtiendo una única partícula que choca contra ella en una nube de electrones. Al aplicar un campo eléctrico intenso a través de la placa de microcanales, cada microcanal individual se convierte en un multiplicador de electrones de dínodo continuo .
Una partícula o fotón que entra en uno de los canales a través de un pequeño orificio tiene la garantía de chocar contra la pared del canal, debido a que el canal se encuentra en ángulo con respecto a 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 un tiempo en recuperarse (o recargarse) antes de poder detectar otra señal.
Los electrones salen de los canales del lado opuesto de la placa, donde se recogen en un ánodo. Algunos ánodos están diseñados para permitir la recogida de iones con resolución espacial, lo que produce una imagen de las partículas o fotones que inciden sobre la placa.
Aunque en muchos casos el ánodo colector funciona como elemento detector, el propio MCP también puede utilizarse como detector. La descarga y recarga de la placa producida por la cascada de electrones puede desacoplarse del alto voltaje aplicado a la placa y medirse para producir directamente una señal correspondiente a una única 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 del pico se puede eliminar utilizando un discriminador de fracción constante . De esta manera, los MCP son capaces de medir los tiempos de llegada de partículas con alta resolución, lo que los convierte en detectores ideales para espectrómetros de masas .
La mayoría de los detectores MCP modernos constan de dos placas de microcanales con canales en ángulo, rotados 180° entre sí, lo que produce una forma de chevron (similar a una V) poco profunda. 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 iónica en el dispositivo, además de producir una ganancia significativamente mayor a un voltaje determinado, 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 en múltiples canales, lo que aumenta aún más la ganancia.
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]
Se utiliza un divisor de tensión externo para aplicar 100 voltios a la óptica de aceleración (para la detección de electrones), a cada MCP, al espacio entre los MCP, a la parte posterior del último MCP y al colector ( ánodo ). La última tensión determina 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 altas intensidades de campo. 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 capacidad ralentiza la señal. La carga positiva en el MCP influye en la carga positiva en la metalización de la parte posterior. Un toro hueco conduce esto alrededor del borde de la placa del ánodo. Un toro es el compromiso óptimo entre baja capacidad y camino corto y, por razones similares, normalmente 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 que se pueda utilizar un conector SMA . Para ahorrar espacio y hacer que la adaptación de impedancia sea menos crítica, el cono a menudo se reduce a un pequeño cono de 45° en la parte posterior de la placa del ánodo.
Los 500 voltios típicos entre la parte posterior del último MCP y el ánodo no se pueden alimentar directamente al preamplificador; el conductor interno o externo necesita un bloque de CC , es decir, un condensador. A menudo se elige que solo tenga una capacitancia 10 veces mayor en comparación con la capacitancia del ánodo MCP y se implementa como un condensador de placa. Las placas de metal redondeadas y electropulidas y el vacío ultra alto permiten intensidades de campo muy altas y alta capacitancia sin un dieléctrico. La polarización para el conductor central se aplica a través de resistencias que cuelgan a través de la guía de ondas (ver tee de polarización ). Si se utiliza el bloque de CC en el conductor externo, 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 de corriente del regulador de potencia lineal. Debido a que la corriente es baja en esta aplicación y hay espacio disponible para condensadores grandes, y debido a que el condensador de bloque de CC es rápido, es posible tener un ruido de voltaje muy bajo, de modo que se pueden detectar incluso señales MCP débiles. A veces, el preamplificador está conectado a 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 saturación, especialmente en los extremos de los canales después de que se hayan producido muchas multiplicaciones de electrones. Las últimas etapas de la siguiente cadena amplificadora de semiconductores también entran en saturación. Un pulso de longitud variable, pero 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 mediante un discriminador de fracción constante . Esto 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 útil, el segundo MCP en especial, tiene un problema de vida útil. [4] Es importante utilizar MCP delgados, de 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 tasas de conteo altas o detectores lentos (MCP con pantalla de fósforo o fotomultiplicadores discretos ), los pulsos se superponen. En este caso, se utiliza 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 del 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 .
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 durante 5 mm y se dispersan sobre un área de 2 mm. A continuación, se forma una rejilla. 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 uno positivo al salir. Después de eso, sigue otra lámina, un segundo cilindro y una última lámina. Efectivamente, los cilindros se fusionan en el conductor central de una línea de cinta . Las láminas minimizan la diafonía entre las capas y las líneas adyacentes en la misma capa, lo que provocaría dispersión de la señal y zumbido. Estas líneas de cinta 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 las vueltas en la línea de cinta afectan negativamente la calidad de la señal, su número es limitado y para resoluciones más altas se necesitan múltiples líneas de cinta 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 utiliza una cuadrícula hexagonal y 3 coordenadas. Esta redundancia reduce el espacio-tiempo muerto al reducir la distancia máxima de recorrido y, por lo tanto, el retraso máximo, lo que permite mediciones más rápidas. El detector de placa de microcanales no debe funcionar a más de 60 grados Celsius, de lo contrario se degradará rápidamente; el horneado sin voltaje no tiene influencia. [ cita requerida ]