Hispanopedia WikiUna placa de microcanales ( MCP ) se utiliza para detectar partículas individuales ( electrones , iones y neutrones [ 1 ] ) y fotones ( radiación ultravioleta y rayos X ). Está estrechamente relacionada con un multiplicador de electrones , ya que ambos intensifican partículas o fotones individuales mediante la multiplicación de electrones a través de la emisión secundaria [ 2 ] . Debido a que un detector de placa de microcanales tiene muchos canales separados, puede proporcionar resolución espacial.
Diseño básico
Una placa de microcanales es una lámina de material resistivo (generalmente vidrio) de 0,5 a 2 mm de espesor con una disposición regular de pequeños tubos (microcanales) que conectan ambas caras. Los microcanales suelen tener un diámetro de 5 a 20 micrómetros , son paralelos entre sí y entran en la placa con un pequeño ángulo respecto a la superficie (de 8 a 13° con respecto a la normal ). Las placas suelen ser discos redondos, pero se pueden cortar en cualquier forma, con tamaños que van desde los 10 mm hasta los 200 mm. También pueden ser curvas.
Modo de funcionamiento
A energías no relativistas, las partículas individuales generalmente producen efectos demasiado pequeños para permitir su detección directa. La placa de microcanales funciona como un amplificador de partículas, convirtiendo una sola partícula incidente en una nube de electrones. Al aplicar un campo eléctrico intenso a través de la placa de microcanales, cada microcanal individual se convierte en un multiplicador de electrones de dinodo continuo .
Una partícula o fotón que ingresa a uno de los canales a través de un pequeño orificio impactará inevitablemente contra la pared del canal, debido a que este se encuentra en ángulo con respecto a 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. Tras la cascada, el microcanal necesita tiempo para recuperarse (o recargarse) antes de poder detectar otra señal.
Los electrones salen de los canales en el lado opuesto de la placa, donde son recogidos en un ánodo. Algunos ánodos están diseñados para permitir la recolección de iones con resolución espacial, lo que produce una imagen de las partículas o fotones que inciden sobre la placa.
Si bien 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, puede desacoplarse del alto voltaje aplicado a la placa y medirse para generar 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 sucesivamente a menudo producirán magnitudes de señal muy diferentes. La fluctuación temporal resultante de la variación de la altura del pico se puede eliminar utilizando un discriminador de fracción constante . De esta forma, los MCP son capaces de medir los tiempos de llegada de las partículas con alta resolución, lo que los convierte en detectores ideales para espectrómetros de masas .
Chevron MCP
La mayoría de los detectores MCP modernos constan de dos placas de microcanales con canales angulados, giradas 180° entre sí, lo que produce una forma de chevrón poco profunda (en forma de V). En un MCP de chevrón, los electrones que salen de la primera placa inician la cascada en la siguiente. El ángulo entre los canales reduce la retroalimentación iónica en el dispositivo, además de producir una ganancia significativamente mayor a un voltaje dado, en comparación con un MCP de canal recto. Los dos MCP pueden presionarse juntos para preservar la resolución espacial, o bien tener un pequeño espacio entre ellos para distribuir la carga entre múltiples canales, lo que aumenta aún más la ganancia.
MCP de pila Z
Se trata de un conjunto de tres placas de microcanales con canales alineados en forma de Z. Las placas de microcanales individuales pueden tener una ganancia de hasta 10 000 (40 dB ), pero este sistema puede proporcionar una ganancia superior a 10 millones (70 dB ). [ 3 ]
El detector
Se utiliza un divisor de voltaje externo para aplicar 100 voltios a la óptica de aceleración (para la detección de electrones), a cada MCP, al espacio entre los MCP, a la parte posterior del último MCP y al colector ( ánodo ). El último voltaje determina el tiempo de vuelo de los electrones y, por lo tanto, el ancho del pulso .
El ánodo es una placa de 0,4 mm de espesor con un borde de 0,2 mm de radio para evitar campos magnéticos intensos. Su tamaño es suficiente para cubrir el área activa del MCP, ya que la parte posterior del último MCP y el ánodo actúan conjuntamente como un condensador con una separación de 2 mm, y una capacitancia elevada ralentiza la señal. La carga positiva en el MCP influye en la carga positiva de la metalización posterior. Un toroide hueco conduce esta carga alrededor del borde de la placa del ánodo. El toroide representa el compromiso óptimo entre baja capacitancia y corta trayectoria, y por razones similares, normalmente no se coloca ningún dieléctrico (Markor) en esta región. Tras un giro de 90° del toroide, es posible conectar una guía de onda coaxial de gran tamaño . Un cono permite minimizar el radio para poder utilizar un conector SMA . Para ahorrar espacio y reducir la importancia de la adaptación de impedancia, el cono suele reducirse a un pequeño cono de 45° en la parte posterior de la placa del ánodo.
Los típicos 500 voltios entre la parte posterior del último MCP y el ánodo no pueden alimentarse directamente al preamplificador; el conductor interno o externo necesita un bloque de CC , es decir, un condensador. A menudo se elige que su capacitancia sea solo 10 veces mayor que la capacitancia del ánodo del MCP y se implementa como un condensador de placas. Las placas metálicas redondeadas y electropulidas, junto con el vacío ultraalto, permiten intensidades de campo muy elevadas y una alta capacitancia sin necesidad de un dieléctrico. La polarización para el conductor central se aplica mediante resistencias que atraviesan la guía de ondas (véase el divisor de polarización ). Si el bloque de CC se utiliza en el conductor externo, se alinea en paralelo con el condensador de mayor capacidad de la fuente de alimentación. Suponiendo un buen apantallamiento, el único ruido se debe al ruido de corriente del regulador de potencia lineal. Debido a que la corriente es baja en esta aplicación y hay espacio disponible para condensadores de gran capacidad, y debido a que el condensador del bloque de CC es rápido, es posible obtener un ruido de tensión muy bajo, de modo que incluso las señales débiles del MCP pueden detectarse. A veces, el preamplificador está conectado a un potencial ( sin conexión a tierra ) y recibe 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 se hayan producido muchas multiplicaciones de electrones. Las últimas etapas de la cadena de amplificadores semiconductores subsiguiente también entran en saturación. Se envía un pulso de longitud variable, pero altura estable y un flanco de subida de bajo jitter al convertidor de tiempo a digital . El jitter se puede reducir aún más mediante un discriminador de fracción constante . Esto significa que el MCP y el preamplificador se utilizan en la región lineal (carga espacial despreciable) y se supone que la forma del pulso se debe a una respuesta impulsional , 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 útil, el segundo MCP, en particular, presenta un problema de vida útil. [ 4 ] Es importante utilizar MCP delgados, de bajo voltaje y, en lugar de voltajes mayores, amplificadores semiconductores más sensibles y rápidos después del ánodo. (véase: Emisión secundaria#Tubos amplificadores especiales , [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] ).
Con altas tasas de conteo o detectores lentos (MCP con pantalla de fósforo o fotomultiplicadores discretos ), los pulsos se superponen. En este caso, se utiliza un amplificador de alta impedancia (lento, pero con menos ruido) y un convertidor analógico-digital ( ADC ). Dado que la señal de salida del MCP suele ser 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 obtener información valiosa sobre la amplitud de la señal incluso a niveles de señal muy bajos, aunque no sobre la información de la estructura temporal de las señales de banda ancha .
Detector de línea de retardo
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, recorren 5 mm y se dispersan sobre un área de 2 mm. A continuación, se encuentra una rejilla. Cada elemento tiene un diámetro de 1 mm y consta de una lente electrostática que enfoca los electrones incidentes a través de un orificio de 30 μm en una lámina de aluminio conectada a tierra. Detrás de esta, se encuentra un cilindro del mismo tamaño. La nube de electrones induce un pulso negativo de 300 ps al entrar en el cilindro y uno positivo al salir. Después, se encuentra otra lámina, un segundo cilindro y, finalmente, una última lámina. En efecto, los cilindros están fusionados al conductor central de una línea de transmisión . Las láminas minimizan la diafonía entre las capas y las líneas adyacentes en la misma capa, lo que provocaría dispersión y oscilación de la señal. Estas líneas de transmisión 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 las curvas en la línea de transmisión afectan negativamente la calidad de la señal, su número es limitado y, para resoluciones más altas, se necesitan múltiples líneas de transmisión independientes. En ambos extremos, los meandros están conectados a la electrónica del detector. 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 tiempo de espacio muerto al disminuir la distancia máxima de recorrido y, por lo tanto, el retardo máximo, lo que permite mediciones más rápidas. El detector de placa de microcanales no debe operar a temperaturas superiores a 60 grados Celsius, ya que de lo contrario se degradará rápidamente; el horneado sin voltaje no tiene influencia.
Aplicaciones
La aplicación comercial de las placas de microcanales se encuentra en los tubos intensificadores de imagen de las gafas de visión nocturna , que amplifican la luz visible e invisible para hacer visibles los entornos oscuros al ojo humano . Los detectores MCP se emplean con frecuencia en instrumentación para la investigación física y se pueden encontrar en dispositivos como espectrómetros de electrones y de masas .
Un tubo de rayos catódicos (CRT) de 1 GHz para visualización en tiempo real en un osciloscopio analógico (el Tektronix 7104) utilizaba una placa de microcanales colocada detrás de la pantalla de fósforo para intensificar la imagen. Sin la placa, la imagen sería excesivamente tenue debido al diseño electroóptico.
Véase también
Referencias
- ↑ Tremsin, AS; McPhate, JB; Steuwer, A.; Kockelmann, W.; Paradowska, AM ; Kelleher, JF; Vallerga, JV; Siegmund, OHW; Feller, WB (28 de septiembre de 2011). "Mapeo de deformación de alta resolución mediante difracción de transmisión de neutrones por tiempo de vuelo con un detector de conteo de neutrones de placa de microcanales". Strain . 48 (4): 296–305 . doi : 10.1111/j.1475-1305.2011.00823.x . S2CID 136775629 .
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- ↑ SO Flyckt y C. Marmonier, Tubos fotomultiplicadores: principios y aplicaciones. Photonis, Brive, Francia, 2002, páginas 1-20 .
- ↑ Gemmeke, Hartmut (11 de noviembre de 1998). "Memorándum sobre fotomultiplicador" . web.physics.utah.edu . Consultado el 5 de noviembre de 2023 .
- ↑ Internet Archive Wayback Machine
- ↑ Matsuura, S.; Umebayashi, S.; Okuyama, C.; Oba, K. (1985). "Características del MCP recientemente desarrollado y su ensamblaje". IEEE Transactions on Nuclear Science . 32 (1): 350– 354. Bibcode : 1985ITNS...32..350M . doi : 10.1109/TNS.1985.4336854 . S2CID 37395966 .
Bibliografía
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- Patente estadounidense 7,420,147
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- Patente estadounidense 7,990,032
- Patente estadounidense 4.780.395
Enlaces externos
- Principios de funcionamiento de la placa de microcanales
- Imagina el Universo de la NASA
- Espectrometría de masas
- sensores de imagen
- Equipo de laboratorio
- Dispositivos ópticos
- Fotodetectores
- Química física