Mikrokanalplate detektor

En mikrokanalplate (MCP) er en plan komponent som brukes til deteksjon av enkeltpartikler (elektroner, ioner og nøytroner) og lavintensiv impingerende stråling (ultrafiolett stråling og røntgenstråler). Det er nært beslektet med en elektronmultiplikator, da begge forsterker enkeltpartikler eller fotoner ved multiplikasjon av elektroner via sekundær utslipp. Imidlertid, fordi en detektor med mikrokanalplater har mange separate kanaler, kan den i tillegg gi spatial oppløsning.

Grunnleggende design 
En mikrokanalplate er en plate laget av svært motstandsdyktige materialer med typisk 2 mm tykkelse, og med et jevnlig utvalg av små rør eller spalter (mikrokanaler) som fører fra den ene overflaten til det motsatte, tett fordelt over hele overflaten. Mikrokanalene er typisk omtrent 10 mikrometer i diameter (6 mikrometer i høyoppløselige MCPer) og avstand fra hverandre med omtrent 15 mikrometer; de er parallelle med hverandre og kommer ofte inn i platen i en liten vinkel mot overflaten (~ 8° fra normalt).

Driftsmodus 
Ved ikke-relativistiske energier produserer enkeltpartikler generelt effekter for små til å muliggjøre direkte påvisning av dem. Mikrokanalplaten fungerer som en partikkelforsterker, og gjør en enkelt impingende partikkel til en sky av elektroner. Ved å påføre et sterkt elektrisk felt over MCP blir hver enkelt mikrokanal en kontinuerlig-dynod elektronmultiplikator.

En partikkel eller foton som kommer inn i en av kanalene gjennom en liten åpning, er garantert å treffe veggen til kanalen på grunn av at kanalen er i en vinkel mot platen. Påvirkningen starter en kaskade av elektroner som forplanter seg gjennom kanalen, og forsterker det originale signalet med flere størrelsesordener, avhengig av den elektriske feltstyrken og geometrien til mikrokanalplaten. Etter kaskaden tar mikrokanalen tid å gjenopprette (eller lade opp) før den kan oppdage et nytt signal.

Elektronene går ut av kanalene på motsatt side av platen, der de samles på en anode. Noen anoder er designet for å tillate romlig oppløst ionesamling, og produserer et bilde av partiklene eller fotonene som kommer inn på platen.

Selv om samleanoden i mange tilfeller fungerer som detekteringselementet, kan selve MCP også brukes som en detektor. Utladning og oppladning av platen produsert av elektronkaskaden, kan kobles fra høyspenningen som påføres platen og måles, for direkte å produsere et signal som tilsvarer en enkelt partikkel eller foton.

Gevinsten av en MCP er veldig støyende, noe som betyr at to identiske partikler oppdaget etter hverandre ofte vil gi veldig forskjellige signalstørrelser. Temporal jitter som resulterer fra topphøyde variasjonen kan fjernes ved å bruke en konstant brøkdiskriminator. MCP-er brukt på denne måten er i stand til å måle ankomsttidene for partikler med veldig høy oppløsning, noe som gjør dem til ideelle detektorer for massespektrometre.

Chevron MCP 

De fleste moderne MCP-detektorer består av to mikrokanalplater med vinklede kanaler, rotert 180° fra hverandre - og produserer en grunn chevron (v-lignende) form. I en chevron MCP starter elektronene som går ut av den første platen kaskaden i neste plate. Vinkelen mellom kanalene reduserer ionetilbakemeldinger i enheten, samt produserer betydelig mer forsterkning ved en gitt spenning, sammenlignet med en MCP med rett kanal. De to MCP-ene kan enten trykkes sammen for å bevare romlig oppløsning, eller ha et lite mellomrom mellom seg for å spre ladningen over flere kanaler, noe som ytterligere øker forsterkningen.

Detektoren 

En ekstern spenningsdeler brukes til å påføre 100 volt på akselerasjonsoptikken (for elektrondeteksjon), hver MCP, gapet mellom MCPene, baksiden av den siste MCP og samleren (anoden). Den siste spenningen dikterer elektronens flytid og på denne måten pulsbredden.

Anoden er en 0,4 mm tykk plate med en kant på 0,2 mm radius for å unngå høye feltstyrker. Den er akkurat stor nok til å dekke det aktive området til MCP, fordi baksiden av den siste MCP og anoden, sammen fungerer som en kondensator med 2 mm separasjon - og stor kapasitans bremser signalet. Den positive ladningen i MCP påvirker den positive ladningen i metalliseringen på baksiden. En hul torus leder dette rundt kanten av anodeplaten. En torus er det optimale kompromisset mellom lav kapasitans og kort vei, og av lignende grunner er vanligvis ingen dielektrikum (Markor) plassert i denne regionen. Etter en 90 ° sving av torus er det mulig å feste en stor koaksial bølgeleder. En avsmalning tillater å minimere radiusen slik at en SMA-kontakt kan brukes. For å spare plass og gjøre impedansen mindre kritisk, reduseres konusen ofte til en liten 45 °-kjegle på baksiden av anodeplaten.

De typiske 500 voltene mellom baksiden av den siste MCP og anoden kan ikke mates direkte inn i forforsterkeren; den indre eller ytre leder trenger en DC-blokk, det vil si en kondensator. Ofte er det valgt å bare ha 10 ganger kapasitans sammenlignet med MCP-anodekapasitans og er implementert som en platekondensator. Avrundede, elektropolerte metallplater og det ultrahøye vakuumet tillater svært høye feltstyrker og høy kapasitans uten dielektrikum. Forspenningen for senterlederen påføres via motstander som henger gjennom bølgelederen. Hvis DC-blokken brukes i den ytre lederen, justeres den parallelt med den større kondensatoren i strømforsyningen. Forutsatt god skjerming, skyldes den eneste støyen strømstøy fra den lineære effektregulatoren. Fordi strømmen er lav i denne applikasjonen og det er plass til store kondensatorer, og fordi DC-blokk kondensatoren er rask, er det mulig å ha veldig lav spenningsstøy, slik at selv svake MCP-signaler kan oppdages. Noen ganger er forforsterkeren på et potensial (utenfor bakken) og får sin kraft gjennom en isolasjonstransformator med lav effekt og sender ut signalet optisk.

Gevinsten av en MCP er veldig støyende, spesielt for enkeltpartikler. Med to tykke MCPer (> 1 mm) og små kanaler (<10 µm), oppstår metning, spesielt i endene av kanalene etter at mange elektronmultiplikasjoner har funnet sted. De siste trinnene i følgende halvlederforsterkerkjede går også inn i metning. En puls av varierende lengde, men stabil høyde og en lav jitter-forkant sendes til "tid til digital omformer". Jitteren kan reduseres ytterligere ved hjelp av en konstant brøkdiskriminator. Det betyr at MCP og forforsterkeren brukes i det lineære området (romladning ubetydelig) og at pulsformen antas å være på grunn av en impulsrespons, med variabel høyde, men fast form, fra en enkelt partikkel.

Fordi MCP-er har en fast ladning som de kan forsterke i livet, har spesielt den andre MCP-en et livstidsproblem. Det er viktig å bruke tynne MCPer, lavspenning og i stedet for større spenning, mer følsomme og raske halvlederforsterkere etter anoden.

Med høye tellehastigheter eller sakte detektorer (MCP med fosforskjerm eller diskrete fotomultiplikatorer) overlapper pulser. I dette tilfellet brukes en høy impedans (langsom, men mindre støyende) forsterker og en ADC. Siden utgangssignalet fra MCP generelt er lite, begrenser tilstedeværelsen av termisk støy målingen av tidsstrukturen til MCP-signalet. Med raske forsterkningsskjemaer er det imidlertid mulig å ha verdifull informasjon om signalamplituden selv ved svært lave signalnivåer, men ikke om tidsstrukturinformasjonen til bredbåndssignalene.

Referanser 

Massespektrometri
Laboratorieutstyr
Fysikalsk kjemi