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 relacionado con un multiplicador de electrones , ya que ambos intensifican partículas individuales o fotones mediante la multiplicación de electrones mediante emisión secundaria . [2] Debido a que un detector de placa de microcanal tiene muchos canales separados, puede proporcionar resolución espacial.
Una placa de microcanales es una losa hecha de material resistivo (generalmente vidrio) de 0,5 a 2 mm de espesor con una serie regular de pequeños tubos (microcanales) que van de una cara a la otra. Los microcanales suelen tener entre 5 y 20 micrómetros de diámetro, son paralelos entre sí y entran en la placa en un pequeño ángulo con respecto a la superficie (de 8 a 13° con respecto a lo normal ). Las placas suelen ser discos redondos, pero se pueden cortar en cualquier forma, desde tamaños de 10 mm hasta 200 mm. También pueden ser curvos.
En 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 única partícula que incide 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 dínodo continuo .
Se garantiza que una partícula o fotón que ingresa a uno de los canales a través de un pequeño orificio golpeará la pared del canal, debido a que el canal está en 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 necesita un tiempo para 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 recolección de iones resueltos espacialmente, produciendo una imagen de las partículas o fotones que inciden en 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 se puede desacoplar del alto voltaje aplicado a la placa y medirse, 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 tremendamente diferentes. La fluctuación temporal resultante de la variación de la altura del pico se puede eliminar utilizando un discriminador de fracción constante . Así empleados, 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, girados 180° entre sí, lo que produce una forma de V (en forma de 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 de iones 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 a través de 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 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, por tanto, la duración del impulso .
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 capacitor con una separación de 2 mm, y una capacitancia grande ralentiza la señal. La carga positiva en el MCP influye en la carga positiva en la metalización trasera. Un toro hueco lo conduce alrededor del borde de la placa del ánodo. Un toro es el compromiso óptimo entre baja capacitancia y camino corto y, por razones similares, normalmente no se coloca ningún dieléctrico (Markor) en esta región. Después de un giro de 90° del toroide es posible acoplar una guía de ondas coaxial de gran tamaño . Un cono permite minimizar el radio para poder utilizar un conector SMA . Para ahorrar espacio y hacer que la coincidencia 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 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 que solo tenga una capacitancia 10 veces mayor en comparación con la capacitancia del ánodo MCP y se implementa como un capacitor de placas. Las placas metálicas redondeadas y electropulidas y el vacío ultra alto permiten intensidades de campo muy altas y una alta capacitancia sin dieléctrico. La polarización del conductor central se aplica mediante resistencias que cuelgan a través 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 de 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 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 han tenido lugar muchas multiplicaciones de electrones. Las últimas etapas de la siguiente cadena de amplificadores de semiconductores también se saturan. Un pulso de longitud variable, pero de altura estable y con un borde inicial de baja fluctuación se envía al convertidor de hora a digital . La fluctuación se puede reducir aún más mediante un discriminador de fracción constante . Eso significa que el MCP y el preamplificador se utilizan en la región lineal (carga espacial insignificante) y se supone que la forma del pulso se debe a una respuesta al 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, el segundo MCP, especialmente, tiene un problema de por vida. [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 necesaria ] (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 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 de ruido térmico limita la medición de la estructura temporal de la señal del MCP. Sin embargo, con esquemas de amplificación rápidos 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 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 él sigue un cilindro del mismo tamaño. La nube de electrones induce un pulso negativo de 300 ps al entrar al cilindro y positivo al salir. Después sigue otra hoja, un segundo cilindro y una última hoja. Efectivamente, los cilindros están fusionados 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 de la señal y al timbre. 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 franja afectan negativamente a la calidad de la señal, su número es limitado y para resoluciones más altas se necesitan múltiples líneas de franja independientes. Los meandros están conectados en ambos extremos con una electrónica de detección. Esta electrónica convierte los retardos 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 viaje y, por lo tanto, el retraso máximo, lo que permite mediciones más rápidas. El detector de placa de microcanal no debe funcionar a más de 60 grados Celsius, de lo contrario se degradará rápidamente y el horneado sin voltaje no tiene influencia. [ cita necesaria ]