マイクロチャネルプレート検出器

マイクロチャネルプレート検出器
	マイクロチャネルプレートの動作の概略図
関連商品	デイリー検出器; 電子増倍管

マイクロチャネルプレート（MCP）は、単一粒子（電子、イオン、中性子^[1]）と光子（紫外線とX線）を検出するために使用されます。MCPは電子増倍管と密接な関係があり、どちらも二次放出による電子の増倍によって単一粒子または光子を増強します。^[2]マイクロチャネルプレート検出器には多くの独立したチャネルがあるため、空間分解能を提供できます。

基本設計

マイクロチャネルプレートは、厚さ 0.5 ～ 2 mm の抵抗材料 (通常はガラス)で作られたスラブで、一方の面からもう一方の面まで小さなチューブ (マイクロチャネル) が規則的に並んでいます。マイクロチャネルは通常、直径 5 ～ 20マイクロメートルで、互いに平行で、表面に対して小さな角度 (法線から 8 ～ 13°) でプレートに入ります。プレートは円形のディスクであることが多いですが、10 mm から最大 200 mm までのサイズに切断できます。また、湾曲している場合もあります。

動作モード

非相対論的エネルギーでは、単一粒子が生成する効果は一般に小さすぎて直接検出できません。マイクロチャネルプレートは粒子増幅器として機能し、衝突する単一粒子を電子の雲に変えます。MCP 全体に強い電界を印加すると、個々のマイクロチャネルが連続ダイノード電子増倍器になります。

小さな開口部からチャネルの 1 つに入る粒子または光子は、チャネルがプレートに対して斜めになっているため、必ずチャネルの壁に当たります。この衝撃により、チャネルを伝搬する電子のカスケードが始まり、電界の強さとマイクロチャネルプレートの形状に応じて、元の信号が数桁増幅されます。カスケードの後、マイクロチャネルは回復 (または再充電) するまでに時間がかかり、その後で別の信号を検出できるようになります。

電子はプレートの反対側のチャネルから出て、陽極に集められます。一部の陽極は、空間的に分解されたイオン収集を可能にするように設計されており、プレートに入射する粒子または光子の画像を生成します。

多くの場合、収集陽極は検出素子として機能しますが、MCP 自体も検出器として使用できます。電子カスケードによって生成されるプレートの放電と再充電は、プレートに印加される高電圧から切り離して測定することができ、単一の粒子または光子に対応する信号を直接生成します。

MCP のゲインは非常にノイズが多いため、連続して検出された 2 つの同一粒子は、多くの場合、大きく異なる信号強度を生成します。ピーク高さの変化によって生じる時間的ジッターは、定分数弁別器を使用して除去できます。このように使用すると、MCP は粒子の到着時間を高解像度で測定できるため、質量分析計に最適な検出器になります。

シェブロンMCP

最新の MCP 検出器のほとんどは、角度の付いたチャネルを持つ 2 つのマイクロチャネルプレートで構成されており、互いに 180° 回転して浅いシェブロン(V 字型) 形状を形成します。シェブロン MCP では、最初のプレートから出た電子が次のプレートでカスケードを開始します。チャネル間の角度によってデバイス内のイオンフィードバックが低減されるだけでなく、直線チャネル MCP と比較して、特定の電圧で大幅にゲインが増加します。2 つの MCP は、空間分解能を維持するために押し付けることも、間に小さな隙間を設けて電荷を複数のチャネルに分散させることでゲインをさらに増加させることもできます。

ZスタックMCP

これは、チャネルがZ字型に並んだ3つのマイクロチャネルプレートのアセンブリです。単一のMCPのゲインは最大10,000（40 dB）ですが、このシステムは1000万（70 dB）を超えるゲインを提供できます。^[3]

検出器

外部電圧分割器を使用して、加速光学系（電子検出用）、各 MCP、MCP 間のギャップ、最後の MCP の背面、およびコレクター（アノード）に 100ボルトを印加します。最後の電圧によって電子の飛行時間が決まり、パルス幅が決まります。

アノードは厚さ 0.4 mm のプレートで、高電界強度を避けるためエッジの半径は 0.2 mm です。MCP のアクティブ領域を覆うのに十分な大きさです。最後の MCP の背面とアノードは 2 mm離れたコンデンサとして機能し、大きな静電容量によって信号が遅くなるためです。MCP の正電荷は、背面の金属化部分の正電荷に影響します。中空のトーラスがこれをアノードプレートのエッジの周りに伝導します。トーラスは低静電容量と短い経路の間の最適な妥協点であり、同様の理由から、通常この領域には誘電体(Markor) は配置されません。トーラスを 90° 回転させると、大きな同軸導波管を取り付けることができます。テーパーにより半径を最小限に抑えることができるため、SMA コネクタを使用できます。スペースを節約し、インピーダンス整合の重要性を低下させるために、テーパーは多くの場合、アノードプレートの背面で小さな 45° コーンに縮小されます。

最後の MCP の背面とアノード間の一般的な 500 ボルトは、プリアンプに直接供給できません。内側または外側の導体には、DC ブロック、つまりコンデンサが必要です。多くの場合、MCP アノードの容量と比較して 10 倍の容量のみを持つように選択され、プレートコンデンサとして実装されます。丸みを帯びた電解研磨された金属プレートと超高真空により、誘電体なしで非常に高い電界強度と高い容量が可能になります。中心導体のバイアスは、導波管を通して垂れ下がっている抵抗器を介して適用されます (バイアスティーを参照)。DC ブロックを外側の導体で使用する場合、電源内のより大きなコンデンサと並列に配置されます。スクリーニングが適切であると仮定すると、ノイズはリニア電源レギュレータからの電流ノイズによるものだけです。このアプリケーションでは電流が低く、大きなコンデンサ用のスペースがあり、DC ブロックコンデンサは高速であるため、電圧ノイズを非常に低く抑えることができ、弱い MCP 信号でも検出できます。場合によっては、プリアンプは電位（オフグランド）上にあり、低電力絶縁トランスを介して電力を取得し、信号を光学的に出力します。

MCP のゲインは、特に単一粒子の場合、非常にノイズが多くなります。2 つの厚い MCP (>1 mm) と小さなチャネル (< 10 μm) では、多くの電子増倍が行われた後に、特にチャネルの端で飽和が発生します。後続の半導体増幅器チェーンの最終段階も飽和します。長さは変化するが高さは安定しており、先端のジッタが低いパルスが、時間/デジタルコンバーターに送信されます。ジッタは、定分数弁別器によってさらに低減できます。つまり、MCP とプリアンプは線形領域 (空間電荷は無視できる) で使用され、パルス形状は、高さは変化するが形状は固定された単一粒子からのインパルス応答によるものと想定されます。

MCPは寿命中に増幅できる電荷が固定されているため、特に2番目のMCPには寿命の問題があります。^[4]陽極の後に、高電圧ではなく、より高感度で高速な半導体増幅器を使用する代わりに、薄いMCP、低電圧を使用することが重要です。^[要出典]（参照：二次放出#特殊増幅管、^[5]^[6]^[7]）。

カウントレートが高い場合や検出器が遅い場合 (蛍光スクリーン付き MCP または個別の光電子増倍管)、パルスが重なります。この場合、高インピーダンス (低速だがノイズが少ない) のアンプとADCが使用されます。MCP からの出力信号は一般に小さいため、熱ノイズの存在により MCP 信号の時間構造の測定が制限されます。ただし、高速増幅方式では、非常に低い信号レベルでも信号振幅に関する貴重な情報を得ることができますが、広帯域信号の時間構造に関する情報は得られません。

遅延線検出器

遅延線検出器では、電子は最後の MCP の背面とグリッドの間で 500 eV まで加速されます。その後、電子は 5 mm 飛行し、2 mm の領域に分散されます。グリッドが続きます。各要素は直径 1 mm で、接地されたアルミニウムシートの 30 μm の穴を通過して到着する電子を集束させる静電レンズで構成されています。その後ろには、同じサイズのシリンダーが続きます。電子雲は、シリンダーに入るときに 300 ps の負のパルスを誘導し、シリンダーから出るときに正のパルスを誘導します。その後に別のシート、2 番目のシリンダー、最後のシートが続きます。実質的に、シリンダーはストリップラインの中心導体に融合されています。シートは、信号の分散やリンギングにつながるレイヤー間および同じレイヤー内の隣接ライン間のクロストークを最小限に抑えます。これらのストリップラインは、すべてのシリンダーを接続するためにアノードを横切って蛇行し、各シリンダーに 50 Ω のインピーダンスを提供し、位置に依存する遅延を生成します。ストリップラインのターンは信号品質に悪影響を与えるため、ターン数は制限されており、高解像度には複数の独立したストリップラインが必要です。両端の蛇行は検出器の電子機器に接続されています。これらの電子機器は、測定された遅延を X 座標 (第 1 層) と Y 座標 (第 2 層) に変換します。六角形のグリッドと 3 つの座標が使用される場合もあります。この冗長性により、最大移動距離と最大遅延が短縮され、デッドスペースタイムが短縮され、より高速な測定が可能になります。マイクロチャネルプレート検出器は、約 60 ℃ 以上で動作してはなりません。そうしないと、急速に劣化します。電圧なしのベークアウトは影響しません。^{[引用が必要]}

使用例

マイクロチャネルプレートの大量市場への応用は、可視光と不可視光を増幅して暗い周囲を人間の目で見えるようにする暗視ゴーグルの画像増強管です。
アナログオシロスコープ (Tektronix 7104) 用の 1 GHz リアルタイムディスプレイ CRT では、画像を鮮明にするために、蛍光スクリーンの後ろにマイクロチャネルプレートを配置していました。プレートがないと、電子光学設計のため、画像は非常に暗くなります。
MCP 検出器は物理学の研究のための計測機器によく使用され、電子分析計や質量分析計などの装置に使用されています。

参照

参考文献

^ Tremsin, AS; McPhate, JB; Steuwer, A.; Kockelmann, W.; Paradowska, AM ; Kelleher, JF; Vallerga, JV; Siegmund, OHW; Feller, WB (2011 年 9 月 28 日)。「マイクロチャネルプレート中性子計数検出器による飛行時間中性子透過回折による高解像度ひずみマッピング」。ひずみ。48 ( 4): 296–305。doi : 10.1111/j.1475-1305.2011.00823.x。S2CID 136775629 。
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文献

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米国特許 7,990,032
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外部リンク

マイクロチャネルプレートの動作原理
NASAの宇宙を想像する

[1] Tremsin, AS; McPhate, JB; Steuwer, A.; Kockelmann, W.; Paradowska, AM ; Kelleher, JF; Vallerga, JV; Siegmund, OHW; Feller, WB (2011 年 9 月 28 日)。「マイクロチャネルプレート中性子計数検出器による飛行時間中性子透過回折による高解像度ひずみマッピング」。ひずみ。48 ( 4): 296–305。doi : 10.1111/j.1475-1305.2011.00823.x。S2CID 136775629 。

[2] Wiza, J. (1979). 「マイクロチャネルプレート検出器」.原子力機器と方法. 162 (1–3): 587–601. Bibcode :1979NucIM.162..587L. CiteSeerX 10.1.1.119.933 . doi :10.1016/0029-554X(79)90734-1.

[3] Wolfgang Göpel; Joachim Hesse; JN Zemel (2008-09-26). センサー、光学センサー。John Wiley & Sons。pp. 260– 。ISBN 978-3-527-26772-9。

[4] SO Flyckt および C. Marmonier、「光電子増倍管 - 原理と応用」、Photonis、ブリーヴ、フランス、2002 年、1-20 ページ。

[5] Gemmeke, Hartmut (1998年11月11日). 「光電子増倍管に関するメモ」. web.physics.utah.edu . 2023年11月5日閲覧。

[6] インターネットアーカイブウェイバックマシン

[7] 松浦誠; 梅林誠; 奥山千恵; 大場健一 (1985). 「新開発MCPとその組立ての特性」. IEEE Transactions on Nuclear Science . 32 (1): 350–354. Bibcode :1985ITNS...32..350M. doi :10.1109/TNS.1985.4336854. S2CID 37395966.