МКП ДЕТЕКТОР ВЫСОКОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ

Полезная модель относится к детекторам высокоточного определения координаты точки рождения исходной лавины с использованием усилителя электронов на основе микроканальной пластины (МКП). Детекторы на МКП широко используются для нужд физических экспериментов благодаря их чувствительности практически ко всем видам ионизирующего излучения, ультра фиолетовому излучению 30-110 нанометров и рентгеновского диапазона 0.12-50 ангстрем [1].
В случае, если перед поверхностью МКП детектора располагается фотокатод, МКП детектор становится позиционно чувствительным фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), чувствительным к фотонам диапазона волн от нескольких сотен до примерно тысячи нанометров. ФЭУ на МКП нашли широкое применение в астрономии [2] и микробиологии [3]. Детекторы на МКП сочетают в себе уникальные возможности по определению не только координаты точки рождения лавины на поверхности МКП с точностью несколько микрометров, но и получению временной информации о времени рождения лавины с пикосекундной точностью [4].
Известно несколько типов детекторов высокоточного определения координаты с использованием усилителя электронов на основе МКП - МАМА, вернье анод, состоящего из пересекающихся полосок, принцип работы которых основан либо на измерении центра тяжести электронной лавины, вылетевшей из МКП усилителя, либо на цифровом кодировании номеров сработавших анодов. Принцип работы таких анодных систем аналогичен работе широко распространенных проволочных камер, используемых в физике высоких энергий.
Типичная анодная система детектора высокоточного определения координаты состоит из большого количества перекрещенных проволочек (либо планарных металлических полосок или площадок), количество которых может доходить до тысячи: 360 на 1024, как описано в работе [5], либо 512 на 512 в работе [6]. Для определения координаты положения электронной лавины обычно используется достаточно большое количество каналов электроники - от нескольких десятков до нескольких сотен [5], [6]. Для анода из пересекающихся полосок [7], [8] количество анодных структур составляет порядка сотни при том же числе каналов электроники.
Для уменьшения количества каналов электроники используются различные методы кодирования поступающей с анодных систем информации такие, как схема для высокоточного декодирования для много-анодного МКП детектора [9]. Однако, использование кодирования может потребовать во-первых, изменения конструкции анодной системы, что не всегда экономически оправдано, и, во-вторых, может быть принципиально невозможно, как в случае анода из пересекающихся полосок.
Для утилизации одновременно временных и пространственных возможностей МКП детекторов обычно в качестве анодной системы используется линия задержки, обеспечивающая получение прецизионного временного (меньше 1 нс) и высокоточного пространственного (1000 на 1000 точек) разрешений [10]. Для этого измеряется относительная задержка времени распространения сигналов вдоль линии задержки с обоих концов. Двумерная координата получается путем считывания второй (перпендикулярной) линии задержки в совпадении. Временной сигнал, подобранный с МКП, дополняет информацию о детектируемой частице [11].
Предлагаемое техническое решение позволяет существенно уменьшить количество каналов электроники для вычисления координаты в детекторе высокоточного определения координаты, при сохранении уже достигнутого в данном типе детектора пространственного разрешения.
В работе [3] стр.106-107, в частности, показано, что время распространения наведенного импульса тока (электромагнитной волны) зависит от точки возникновения лавины. А именно: «…Коррекции измерения времени жизни….
Необработанное флуоресцентное изображение однородного образца [родамин 6G (Magde и др.., 2002), 10-4 М в воде] показано в Рис.За. Рисунок показывает разницу во времени жизни между 3 нс (черный пиксель) и 3,6 нс (белый пиксель), с большим количеством белых пикселей в середине изображения. …наблюдаемые непонятные задержки связаны с электроникой. Действительно, для каждой лавины время распространения наведенного импульса тока через микроканальные пластины к дискриминатору зависит от местонахождении лавины. Для того чтобы исправить эти вариации времени прохода сигнала, мы используем карту коррекции времени прохода сигнала которая хранится, а затем используется для дальнейших экспериментов…. На Рис.3а представлены: Коррекция времени распространения сигнала. (а) Грубая картинка образца родамина растворенного в воде. (b) Карта коррекции времени распространения, полученная при помощи измерения во времени пиксела к пикселу грубой картинки и средней величины ожидаемого времени жизни, (с) Скорректированное изображение первого образца с использованием карты коррекции времени распространения….»
Таким образом, статья [3] показывает способ использования времени распространения наведенного импульса тока через микроканальные пластины для восстановления истинного значения времени жизни биологического образца. Прямое получение карты распространения сигнала невозможно без использования информации от позиционно чувствительного анода ввиду наличия только одного вывода, подсоединенного к поверхности МКП.
Использование в предлагаемом автором решении по настоящей заявке дополнительных выводов, подсоединенных к поверхности МКП, дает и, следовательно, в совокупности с прочими признаками, обеспечивает возможность прямого измерения времени распространения сигнала по поверхности МКП и высокоточное определение координаты точки рождения исходной лавины.
Также, метод измерения пространственной координаты по времени распространения сигнала используется в анодах на линии задержки [7].
Однако и в указанном решении не обеспечена возможность прямого измерения времени распространения сигнала по поверхности МКП, с одновременным сокращением количества каналов электроники для высокоточного определения координаты точки рождения исходной лавины.
Известно решение, выбранное в качестве прототипа: RU 2002102781, МПК 7 G01J 1/42, G01T 1/29, G01T 3/06, приор. 05.02.2002
Дата публикации заявки: 20.10.2003
Время-позиционный детектор излучения, включающий оптически сопряженные фотокатод, блок позиционно-чувствительных усилителей, анод, электрически соединенный с усилителем, соединенный с блоком измерения заряда, блоком определения координат и блоком хранения, обработки и визуализации сигнала, блок ПЧУ последовательно соединен с широкополосным усилителем и блоком измерения времени, отличающийся тем, что в него введены блок предварительной обработки излучения, блок коррекции координат, время-координатный блок, блок измерения полного заряда, блок время-амплитудной коррекции, блок коррекции времени, блок анализа и блок принятия решения, блок предварительной обработки излучения установлен перед фотокатодом, анод выполнен в виде анодного блока, состоящего из основного анода, выполненного в виде пластины, и охватывающего его дополнительного анода, при этом между блоком определения координат и блоком хранения, обработки и визуализации сигнала установлены последовательно соединенные блок коррекции координат и время-координатный блок, блок измерения заряда соединен с блоком измерения полного заряда, один из выходов которого соединен с блоками определения и коррекции координат, выход блока коррекции координат соединен с блоком коррекции времени, выход которого соединен со входом время-координатного блока, блок измерения полного заряда соединен с входом блока время-амплитудной коррекции и широкополосным усилителем, выход блока определения времени соединен со входом блока время-амплитудной коррекции, выход которого соединен со входом блока коррекции времени, вход блока анализа соединен с широкополосным усилителем, а выход блока анализа соединен со входом блока принятия решений, выходы которого соединены с блоками предварительной обработки излучения, измерения зарядов, определения координат, коррекции координат, время координатным блоком, определения времени, измерения полного заряда, время-амплитудной коррекции и коррекции времени, причем блок позиционно-чувствительных усилителей выполнен в виде микроканальных пластин.
Однако, указанное решение также не обеспечивает оптимальной возможности прямого измерения времени распространения сигнала по поверхности МКП и высокоточное определение координаты точки рождения исходной лавины с одновременным сокращением количества каналов электроники.
Решаемая техническая задача состоит в обеспечении оптимальной возможности прямого измерения времени распространения сигнала по поверхности МКП и высокоточного определения координаты точки рождения исходной лавины с одновременным сокращением количества каналов электроники.
Решение указанной технической задачи обеспечивает изложенная ниже совокупность существенных признаков.
МКП детектор высокого пространственного разрешения, имеющий, взаимодействующие между собой, средства предварительной обработки излучения, средства измерения заряда, включающие многоанодную систему, блок определения и коррекции координат, блок определения и коррекции времени и электрические соединения средств, систем и блоков, причем многоанодная система выполнена в виде множества раздельных взаимно перпендикулярных проводников из проволочек или полосок, сгруппированных в двух слоях, при этом каждая третья или четвертая проволочка или полоска в слое электрически соединены между собой, на периферии входной поверхности МКП в четырех ортогональных точках сформированы электрические контакты с образованием не менее 4-х каналов измерения времени распространения сигналов по поверхности МКП для подсоединения введенных в устройство быстродействующих временных усилителей, дискриминаторов постоянной фракции, временных анализаторов, причем - из электрически соединенных между собой, каждой третьей или четвертой проволочки или полоски из множества раздельных проводников сформированы не менее 6 анодных каналов для Х-координаты и для Y-координаты;
- каждая третья или четвертая проволочка или полоска электрически соединены между собой таким образом, что образуют заданный шаг регулярной анодной системы, который выбран не меньшим, чем достижимая точность предварительной локализации положения электронной лавины, причем необходимая точность предварительной локализации положения электронной лавины выбрана не более, чем 2,4 мм.
Предложенное решение поясняется графически.
На фиг.1 показан детектор на двух МКП.
На фиг.2 показано рождение лавины.
На Фиг.3 показан измерительный тракт.
На Фиг.4 показан пример анодной системы.
Позициями на фигурах обозначены.
1 - микроканальная пластина.
2 - краевые электроды.
3 - четыре дополнительных вывода.
4 - канал МКП
5 - лавина электронов.
6 - электро-магнитная волна.
7 - усилитель импульсов.
8 - дискриминатор постоянной фракции.
9 - линия задержки.
10 - измеритель времени.
11 - вход «Стоп» измерителя времени 10.
12 - вход «Старт» измерителя времени 10.
13 - выход измерителя времени 10.
14 - исходное излучение
15 - чувствительный анод.
16 - приложенное электрическое поле
17 - входная поверхность.
18 - выходная поверхность.
19 - вертикально ориентированные электроды.
20 - горизонтальная группа электродов.
21 - один из каналов регистрации объединенной группы электродов.
22 - другой из каналов регистрации объединенной группы электродов.
Использование изложенной совокупности существенных признаков реализовано в описании предложенной конструкции.
Для использования поверхности МКП как подобие линии задержки, в настоящем решении предлагается присоединить четыре вывода 3 к поверхности краевого электрода 2, размещенного на входной поверхности 17 первой из МКП сборки, одновременно заземлив выходную поверхность 18 последней к аноду МКП по переменному току. К каждой паре выводов поверхности первой МКП подключается время измерительный тракт (Фиг.3), состоящий из усилителя импульсов 7, дискриминатора постоянной фракции 8, линии задержки 9 и измерителя времени 10. Задержка 9 подбирается более длительной, чем время распространения электро-магнитной волны 6 через всю поверхность МКП. Электрически задержанный сигнал подается на вход «Стоп» 11 измерителя времени 10. Другой сигнал, снимаемый с противоположного края МКП, обрабатывается таким же образом: усилитель импульсов 7, дискриминатор постоянной фракции 8, и без задержки подается на вход «Старт» 12 измерителя времени 10. Выход измерителя времени 13 подается на анализирующее устройство (АУ - не показано), которое получает также сигналы с анодной системы 15 по каналам регистрации 21 и 22. Таким образом, в АУ подается два типа сигналов для точного измерения координат центра тяжести электронной лавины, упавшей на нее, и полученные посредством измерения времени распространения сигналов по поверхности МКП, которые позволяют вычислить приблизительное положение точки рождения лавины 5. Точность определения приблизительного положение точки рождения лавины не может быть высокой ввиду короткого времени прохождения электро-магнитной волны по поверхности МКП, измерения которого дают величину в 7-10 пикосекунд на 1 мм поверхности МКП. Тем не менее, возможность измерения положения точки рождения лавины двумя способами одновременно дает возможность резко уменьшить количество каналов электроники, необходимой для создания детектора высокого пространственного разрешения.
Реализация предлагаемого технического решения продемонстрирована на примере анодной системы 15, показанной на Фигуре 4. Анод диаметром 25 миллиметров состоит из двух групп из 32-х электродов (показаны не все для простоты), перекрещенных под прямым углом. Горизонтальная группа электродов 20 служит для определения вертикальной координаты центра лавины по измеренным частям заряда и вычисления центра тяжести лавины. Вертикально ориентированные электроды 19 измеряют горизонтальную координату лавины. Подобный анод описан, например, в [7] и [8] и состоит из двух ортогонально расположенных групп проводящих полосок, расположенных одна под другой.
Достигаемое пространственное разрешение при использование подобного анода сопоставимо или меньше диаметра канала МКП и составляет величину около 5 микрометров [8].
Главный недостаток подобной анодной системы - большое количество электронных измерительных каналов (64), необходимое для получения координаты. Количество измерительных каналов, как правило, равно количеству электродов. Предлагаемое техническое решение позволяет существенно снизить количество каналов регистрации, путем объединения электродов в группы 21 и 22, как показано на фигуре 4. Для получения информации о приблизительной координате четыре дополнительных вывода 3 (проводника) подсоединяются ортогонально (припаиванием либо любым иным способом, обеспечивающим съем высокочастотного сигнала) к металлическому кольцу 2, контактирующему с входной поверхностью 17 первой МКП. Выходная поверхность 18 сборки МКП заземляется через высокочастотные конденсаторы по возможности в нескольких ортогонально расположенных точках. К каждой паре выводов поверхности первой МКП подключается время измерительный тракт (Фиг.3), состоящий из усилителя импульсов 7, дискриминатора постоянной фракции 8, линии задержки 9 и измерителя времени 10. Задержка 9 подбирается длиннее, чем время распространения электромагнитной волны 6 через всю поверхность МКП (более 350 пикосекунд). Электрически задержанный сигнал подается на вход «Стоп» 11 измерителя времени 10. Другой сигнал, снимаемый с противоположного края МКП, обрабатывается таким же образом: усилитель импульсов 7, дискриминатор постоянной фракции 8, и без задержки подается на вход «Старт» 12 измерителя времени 10. Измеритель времени определяет продольную и поперечную координату точки рождения лавины, что позволяет определить номер группы электродов, необходимых для прецизионного вычисления координаты. В самом деле, диаметр лавины существенно меньше геометрического размера анодной системы, и лавина локализуется на 2-3 продольных и 2-3 поперечных электродах. Следовательно, количество электродов, на которые попала данная конкретная лавина, будет мало. Точность измерения приблизительной координаты составляет величину около 2 миллиметров, что достаточно для уверенного определения группы электродов анодной системы. Измерение координаты внутри группы электродов затем производится с использованием известных и присущих данному конкретному типу анодной системы математических алгоритмов [12]. Таким образом, для получения максимально достижимого пространственного разрешения, для данного типа анодной системы необходимо и достаточно 9 каналов электроники, обслуживающих анодную систему, и 4 канала электроники для приблизительного определения точки вылета электронной лавины из МКП.
Список литературы
1. Joseph Ladislas Wiza. Microchannel plate detectors. Nuclear Instruments andMethods, 162(1-3):587{601, 1979.
2. V.G.Debur, G.M.Beskin, S.V.Karpov, V.L.Plokhotnichenko, A.S.Terekhov, S.S.Kosolobov, and G.E.Shaibler. High Temporal Resolution Coordinate-Sensitive Detector with Gallium-Arsenide Photocathode ISSN 1990-3413, Astrophysical Bulletin, 2009, Vol.64, No. 4, pp.386-391. c_ Pleiades Publishing, Ltd., 2009. Original Russian Text c_ V.G.Debur, G.M.Beskin, S.V.Karpov, V.L.Plokhotnichenko, A.S.Terekhov, S.S.Kosolobov, G.E.Shaibler, 2009, published in Astrofizicheskij Byulleten, 2009, Vol.64, No. 4, pp.404-410.
3. J-A Spitz, R Yasukuni, N Sandeau, M Takano, J-J Vachon, R Meallet-Renault, and R В Pansu. Scanning-less wide-_field single-photon counting device for uorescence intensity, lifetime and time-resolved anisotropy imaging microscopy. Microsc, 229(Pt 1):104{14, Jan 2008. Pages 106-107.
4. A.S.Tremsin, G.V.Lebedev, O.H.W.Siegmund, J.V.Vallerga, J.B.McPhate and Z.Hussain. High-resolution detection system for time-of-flight electron spectrometry. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. Volume 582, Issue 1, 11 November 2007, Pages 172-174. Proceedings of the 14th National Conference on Synchrotron Radiation Research - SRI 2007
5. Bing Feng, Kejun Kang, Kuilu Wang, Yanli Chen and Haibing Zhang. Design of a multi-anode microchannel array detector system. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. Volume 535, Issues 1-2, 11 December 2004, Pages 546-549 Proceedings of the 10th International Vienna Conference on Instrumentation
6. Timothy, J.Gethyn, Mount, George H., Bybee, Richard L.
Detector arrays for photometric measurements at soft X-ray, ultraviolet and visible wavelengths. Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Volume 183, 1979, Pages 169-181
7. О.Н.W.Siegmund, A.Tremsin, J.V.Vallerga, and J.Hull. Cross strip anode imaging readouts for microchannel plate detectors. Nuclear Science SymposiumConference Record, 2000 IEEE, 1:7/71{7/75 vol.1, 2000.
8. A.S.Tremsin, O.S.W.Siegmund, and J.V.Vallerga. A model of high resolution cross strip readout for photon and ion counting imaging detectors. In Nuclear Science Symposium Conference Record, 2004 IEEE, volume 3, pages 1610{1614 Vol.3, 16-22 Oct. 2004.
9. David V. Kasle. Circuit for high resolution decoding of multi-anode microchannel array detectors. United State Patent. Patent number 5,396,073. Date of patent - Mar. 7, 1995.
10. A.Czasch, J.Milnes, N.Hay, W.Wicking, and O.Jagutzki. Position- and time-sensitive single photon detector with delay-line readout. Nuclear Instruments andMethods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectorsand Associated Equipment, In Press, Uncorrected Proof:{, 2007.
11. O.Jagutzki, A.Cerezo, A.Czasch, R.Dorner, M.Hattass, M.Huang, V.Mergel, U.Spillmann, K.Ullmann-Peger, T.Weber, H.Schmidt-Bocking, and G.Smith. Multiple hit readout of a microchannel plate detector with a three-layer delay line anode. In Nuclear Science Symposium Conference Record, 2001 IEEE, volume 2, pages 850{854 vol.2,4-10 Nov. 2001.