Фотоелектронні помножувачі на мікраканальних пластинах

Мікраканальні пластини (МКП) являють собою стільникові структури (рис.1.11), утворені великою кількістю скляних трубок (каналів) діаметром 5-15 мкм із внутрішньою напівпровідною поверхнею, що має опір від 20 до 1000 МОм. Тобто МКП являє собою збірну конструкцію великої кількості (декілька мільйонів) канальних електронних помножувачів, що відносяться до помножувачів з безперервним динодом наскрізної дії. Фотоелектрон (іноді іон, фотон) попадає в канал і з його стінки вибиває вторинні електрони, які прискорюються електричним полем, створеними напругою на кінцях каналу (рис.1.11). Цей процес по мірі прольоту уздовж каналу повторюється багато разів і на виході формується електронна лавина.

Коефіцієнт підсилення МКП g визначається співвідношенням

g = exp (σ(L/d)),

де σ - коефіцієнт вторинної електронної емісії, який залежить від властивостей матеріалу стінок каналу й прикладеного напруги, L і d - довжина й діаметр каналу.

Відношення L/d у стандартних МКП близько 40-80. Коефіцієнт підсилення в однокаскадних МКП ~10⁴, у двокаскадних (шевронних) ~10⁷, у трьохкаскадних - до 10⁹. Щоб частки, що налітають, попадали на стінки каналів, вони розташовуються під деяким кутом до напрямку їх руху (звичай5 -15°).

Розміри МКП варіюються від декількох міліметрів до 10 см і більше. Форма МКП може бути найрізноманітніша - округла, прямокутна, практично будь-яка, необхідна для конкретного випадку застосування. Крім того, поверхня їх може бути зроблена сферичною або циліндричною, для того, наприклад, щоб відповідати фокальній площині магнітного або електростатичного спектрометру.

При множенні електронів у каналі утворюються іони, кількість яких залежить від залишкового газу. Інтенсивна іонізація газу спостерігається на останніх 30% шляху в каналі, де щільність електронів найбільша. Іони прискорюються до фотокатоду, бомбардують його, а це спотворює характеристики та руйнує катод. При цьому значно скорочується термін служби. Щоб уникнути цього, удосконалюють технологію відкачки, поліпшують знегажування електродів, застосовують МКП із криволінійними каналами, установлюють дві або три пластини із прямолінійними похилими каналами, щоб утруднити рух іонів до катода. У результаті коефіцієнт підсилення знижується до 10⁶, а термін служби зростає в декілька разів.

У передавальних сучасних трубках на вхід мікроканальної пластини методом розпилення наносять алюмінієву або кремінну плівку товщиною 13 нм (рис.1.12).

Рисунок 1.12 – Схема ФЕП на МКП із захисною плівкою: 1- фотокатод; 2- алюмінієва або керамічна пластина; 3- МКП; 4- колектор

На фотокатод 1 падає потік світла (п ). Фотоелектрони з фотокатода попадають у прискорювальне поле анода (4). На їхньому шляху розташована алюмінієва плівка 2 і мікроканальна пластина 3. Електрони, прискорені до енергії ~ 1,3 кеВ, проникають скрізь алюмінієву плівку і умножаються в каналах МКП. Внутрішня поверхня каналу має коефіцієнт вторинної емісії . В одній пластині забезпечується коефіцієнт підсилення Наприкінці шляху в каналі утворюються іони, які полем анода прискорюються в протилежному напрямку до фотокатода і затримуються алюмінієвою або керамічною пластиною У результаті захисна пластина розв'язала майже всі проблеми, що виникали у МКП.

Мікраканальні пластини мають унікальну комбінацію властивостей - великий коефіцієнт підсилення, високу просторову і часову роздільність. Просторова роздільність однокаскадних МКП визначається діаметром каналу, часова - часом прольоту електронної лавини каналу, який є меншим за 1 нс.

Зараз вони широко застосовуються в приладах нічного бачення, фотоелектронних посилювачах та перетворювачах, спектральній та вимірювальній апаратурі (електронна спектроскопія й мікроскопія, мас-спектрометрія, рентгенівська астрономія, ядерні дослідження).. МКП розміщається перед екраном приладу, при цьому різко поліпшуються всі параметри приладу при значно менших струмах променя електронів, поліпшуються часові характеристики.

У більшості випадків використовуються тільки деякі властивості МКП. Так для магнітних або електростатичних аналізаторів в основному важливо просторовий розділ. Детектори на базі МКП оптимізуються з обліком розв'язуваних з їхньою допомогою завдань.

У загальному випадку детектори на базі МКП складаються із трьох частин.

1. Конвертора, який перетворює вхідне випромінювання в інше і може ефективно взаємодіяти безпосередньо із МКП. Наприклад, так як і у ФЕП використовуються фотокатоди для зсуву довжин хвиль в область чутливу для МКП. Для електронів, іонів і ультрафіолету конвертерів звичайно не потрібно.

2. Системи посилення сигналу. Залежно від цілі, вони можуть мати від одного до трьох каскадів. Для короткотривалих вимірів оптимальними вважаються двокаскадні (шевронні).

3. Колектор. Для випадків, у яких просторовий розділ не має значення, для виводу сигналу можна використовувати суцільний металевий анод. Там, де важливо просторовий розділ анод може бути секційним або опорним і т.д.

Використання МКП накладає досить жорсткі вимоги до вакуумної системи. Для їх нормальної роботи потрібен тиск не менш 6.5*10^-4 Па.

У порівнянні з іншими ФЕП, МКП мають малі габарити, кращі часові характеристики і помітно меншу чутливість до магнітних полів.