Вторично-электронный умножитель

(19) 01) 3151) Н .01 3 43 04 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(ЯЫ 1 1 Цй 1(Р ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1. Айбунд М.Р. и др. Вторичноэлектронные умножители, "Электроннаяпромышленность", 1978, Р 4, с.12.2. РагКегв И. еСа 1, ТЬе Цве оГСавсайеб СЬаппе 1 ав Н 18 Ь Ьа(п Е 11 ЬопМц 1 С 1 р 11 егв. впс 1. 1 пвСг. апй МеСЬ,1972, ч. 7, р. 216-217.(54)(57) ВТОРИЧНО-ЭЛЕКТРОННЫЙ УМНО- ЖИТЕЛЬ, содержащий последовательно установленные входную и выходную микроканальные пластины и коллектор электронов, плоскости которых параллельны между собой, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения надежности измерения за счет возможности регистрации импульсов, следующих за импульсом, перегружающим систему, между микроканальными пластинами параллельно им установлен управляющий электрол, соединенный с коллектором через согласующее устройство и расположенный на расстоянии 1 от входной микроканальной пластины, удовлетворяющем выражению0,93 с 2 с Р с 0,99 с) где д - расстояние между микроканаль- ными пластинами.Изобретение относится к физической электронике, в частности к массапектрометрии.Вторично-электронные умножителиВЭУ), служат для преобразования потока заряженных часТиц (или нейтральных ) в поток электронов и для усиления последнего.Известен канальный вторично-электронный умножитель (КЭУ) типа ВЭУ-б,представляющий собой изогнутую в виде 10спирали трубку из свинцово-силикатного стекла с воронкообразным входомдиаметром 8 як, внутренняя поверх-ность которой обладает коэффициентом вторичной электронной эмиссии, превы шающим единицу.Первичное излучение например(ионы), попадающие на вход КЭУ, генерируют при соударении с внутренней поверхностью канала электроны, которые при движении в канале, соударяясь со стенками, образуют каскады вторичных 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 умиожитель перегру жается, и для восстановления его коэффициента усиления требуется время, в несколько десятков раз превышающее период следования регистрируемых импульсов 13. 35Однако импульсы, следующие за перегружающим, не могут быть зарегистрированы.Развитием конструкции КЭУ явилось создание сотовых структур из большо го числа каналов диаметром в несколько десятков микрон - микроканальных пластин (МКП).Наиболее близким техническим решением к изобретению является вторичноэлектронный умножитель, представляющий собой последовательно установленные две МКП и коллектор электронов, плоскости которых параллельны между собой.50В масс-спектрометрии, в частности, ВЭУ преюеняются 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 60 тока в электронный 2 3.Недостатком известного ВЭУ является невозможность регистрации импульсов, следующих за импульсом перегружающим МКП. 65 Предельно допустимое количество электронов на выходе МКП равно 10 - 10 на канал и предельно допустимый6ток в импульсе Э с выхода МКП имеет величину порядка 0,1-1,0 А. Соответственно количество исходных частиц на входе МКП должно составлять отединиц до сотен на канал для работы ВЭУ без перегрузки. Так как постоянная времени восстановления МКП после перегрузки может доходить до 10 10 " с в зависимости от сопротивления пластин, то пики, следующие за перегружающим, не могут быть зарегистрированы в течение этого времени. Это существенно ограничивает воэможность применения,МКП во времяпролетныхмасс-спектрометрах, в которых период следования спектров равен 10 4 -10 з с,а период следования импульсов вмасс.-спектре 10-10 с.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:0,933 6 60,993, де д - расстояние между микроканальыми 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 электрод (УЭ ) 4, соединенный с коллектором 3 через согласукщее 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 потенциаловмежду 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 О на УЭ 4, представляющий собой сетку, подается таким обра-.1108532 зом, что в статическом режиме он равен потенциалу поля между МКП 1 и МКП 2 в месте расположения УЭ:О=Ой/3,)где О - разность потенциалов между 5МКП 1 и МКП 2;д - расстояние между МКП 1 иМКП 2;расстояние от выходной плоскости МКП 1 до УЭ 4. ОПоток ионов поступает на вход МКП 1, где происходит его преобразование в поток электронов и затем усиление последнего. Электронный поток с выхода МКП 1 проходит сквозь сетча тый УЭ 4, поступает на МКП 2, усиливается и поступает на коллектор 3, где формируется импульс тока.В согласующем устройстве 5 импульс тока с коллектора 3 преобразу ется в импульс напряжения отрицательной полярности, который с коэффициентом передачи К поступает на управляющий электрод 4.Если величина О этого импульса на 25 управляющем электроде 4 становится равной.О:а/(,:О+) )(г) 30 и 1 минто эти сигналы зарегистрируются безискажения. ВЭУ в этом случае работает в линейном режимеРасположение УЭ 4 на расстоянии35С 3 0,93 с) (б) обеспечивает максимально возможныйпредел линейности ВЭУ с учетом выполнения условий (4 ) и (51.40 Следовательно, для работы ВЭУ без.перегрузок и для максимально возмож- ного диапазона линейно усиливаемыхсигналов необходимо располагать управляющий электрод на расстоянии 1.,45 удовлетворяющем условию0,93 д с К с . 0,99 д (7)П р и м е р. Изготовляют ВЭУ,состоящий из последовательно установленных входной и выходной .МКП-19,50 плоскости которых параллельны междусобой, коллектора электронов в видедиска из нержавеющей стали диаметром)30 мм, установленного соосно с пластинами, и управлякщего электрода между55 микроканальными пластинами, изготовленного из медной палладированнойсетки с ячейкой 50 х 50 мкм , парал 2.лельного плоскостям пластин,Коллектор подключен к системе ре гистрации импульсов тока, полное сопротивление нагрузки )с составляет50 Ом.Разность потенциалов, прикладываемая между входной и выходной плоско стями пластин МКП 1 и МКП 2, равна где В - некоторое значение энергииэлектронов в плоскости управляющего электрода;О - потенциал УЭ в отсутствиисигнала; с), - заряд электрона;а - некоторое значение энергииэлектронов, выходящих из каналов МКП 1, причемщ сасщфин мскс то электроны с энергией, меньшей %, не пройдут сквозь потенциальный барьер, созданный на управляющем электроде 4.Таким образом, наличие управлякщего электрода 4 позволяет управлять потоком электронов с МКП 1 на МКП 2.В случае, когда ток с выхода МКП 2 становится равным 1, импульс О на УЭ 4 запирает поток электронов с МКП 1 на МКП 2 и, таким образом, устраняет перегрузку системы, Для этого управляющий электрод 4 должен быть расположен на расстоянииФ с 0,993 (3) причем коз ффицие н т переда и К должен обеспечивать выполнение условияО )Ц +% , (41 необходимого для того, чтобы все электроны, выходящие из каналов МКП 1, не могли пройти сквозь потенциальный барьер, создаваемый управляющим импульсом О на УЭ 4,Необходимость соединения УЭ 4 с коллектором 3 через согласующее устройство 5 определяется тем, что нужен источник напряжения для формирования потенциала величиной О, подаваемого на управлякщий электрод, управляющий электрод не должен быть связан с коллектором по постоянному току; согласующее устройство дает возможность обеспечить величину импульса О, 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 1 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 О, созданного ими иа .управляющем электроде, не превьыает минимального значения энергии электронов в плоскости, где расположен УЭ 4, т.е. из (2)1108532 Составитель В,БелоконьРедактор М.Недолуженко Техред Л.Мартяшова Корректор О. Билак Заказ 5876/39 Тираж 683 ПодписноеВНИИНИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, москва, й, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 1,1 кВ, коэффициент умножения каждойпластины К 1, = 3 х 10.Расстояйие между пластинами д =8 мм,разность потенциалов между выходнойплоскостью МКП 1 и уходной плоскостьюМКП 2 О= ЗОО В, 5Управлякщий электрод расположенна расстоянии В = 0,95 д = 7,6 мм отвы.одной плоскости МКП 1, его потенциал в статическом режиме относительно потенциала выходной плоскости 10ИКП 1 О = 285 В. Для МКП-1934 щ 320 мА, 0щ100 эВ,Коэффициент передачи согласующего устройства К = 25.При приходе на вход ВЭУ пакета 15из 12000 ионов, длительностью 50 нс,ток с выхода МКП 2 равен Э = 380 мА,т.е. Эъ 3 . При этом ВЭУ без управляющего электрода был бы перегружени последующие импульсы не были бы 20зарегистрированы.Однако при наличии управляющегоэлектрода импульс тока э, преобразовайный в импульс напряжения О =к 1 Р =475 В, создает на управляющемэлектроде потенциальный барьер для электронов, причем 0,)0 +м кс/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, Э= О, 71 Э, ( Э= 0 и /К Р 1, 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, следующих за импульсом, перегружающим систему (ВЭУ 1, 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.61