eng
Выпуск #2/2025
А. И. Малдзигати, Г. В. Федотова, Д. Г. Самканашвили
Вторично-электронный умножитель канального типа с расширенным динамическим диапазоном
Вторично-электронный умножитель канального типа с расширенным динамическим диапазоном
Просмотры: 2575
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.2.148.153
Сообщается о результатах работы по расширению динамического диапазона вторично-электронного умножителя канального типа. Описаны конструкторские и технологические решения, благодаря которым удалось достичь увеличения значения выходного тока в линейном режиме. Предложен режим предварительной электронной тренировки детектора.
Сообщается о результатах работы по расширению динамического диапазона вторично-электронного умножителя канального типа. Описаны конструкторские и технологические решения, благодаря которым удалось достичь увеличения значения выходного тока в линейном режиме. Предложен режим предварительной электронной тренировки детектора.
Вторично-электронный умножитель канального типа с расширенным динамическим диапазоном
А. И. Малдзигати, Г. В. Федотова, Д. Г. Самканашвили
ООО ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия
Сообщается о результатах работы по расширению динамического диапазона вторично-электронного умножителя канального типа. Описаны конструкторские и технологические решения, благодаря которым удалось достичь увеличения значения выходного тока в линейном режиме. Предложен режим предварительной электронной тренировки детектора.
Ключевые слова: вторичные электронные умножители, канальные электронные умножители, динамический диапазон, масс-спектрометр, аналоговый режим, режим счета импульсов, электронная тренировка.
Статья получена: 13.11.2024
Статья принята: 23.01.2025
В настоящее время в качестве детекторов в масс-спектрометрии широкое распространение получили вторичные электронные умножители (ВЭУ) канального типа. Подавляющее большинство ВЭУ канального типа изготовлено из стекла, хотя некоторые из них изготовлены из керамических материалов с покрытием или представляют собой комбинацию стекла и керамики. Преимуществами этих детекторов являются компактность, низкое энергопотребление, долговечность, низкий уровень темновых шумов, отсутствие необходимости в делителе напряжения, возможность работы при невысоком уровне вакуума, способность выдерживать многократные циклы между вакуумом и атмосферой – все это позволяет создавать на базе ВЭУ канального типа весьма конкурентоспособные детекторы для различных областей применения [1].
Важной характеристикой для детекторов, используемых в масс-спектрометрии, является динамический диапазон, который является мерой максимальной скорости счета в режиме счета импульсов или максимального линейного выходного тока в аналоговом режиме.
Классическим представителем ВЭУ канального типа является изделие ВЭУ‑6 (рис. 1), выпускаемое ООО ВТЦ «Баспик», которое зарекомендовало себя как простой и надежный детектор заряженных частиц, ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Однако ВЭУ‑6 был сконструирован для работы в режиме счета импульсов, что в современных реалиях ограничивает область его применения, т. к. большинство современных ВЭУ работают в масс-спектрометрах в аналоговом режиме, что обуславливает требование большего выходного тока для расширения диапазона линейности.
Выходной ток в ВЭУ канального типа сохраняет линейность до значения, равного примерно 10% от значения тока проводимости [1]. Это ограничение связано с тем, что ток проводимости поставляет электроны, необходимые для компенсации положительного заряда, возникающего после ухода электронных лавин с выхода каналтрона, поддерживая процесс вторичной эмиссии. В свою очередь, ток проводимости зависит от сопротивления канала и растет с уменьшением сопротивления.
Для стандартного ВЭУ‑6, согласно ТУ, ток питания канала может варьироваться от 5 до 20 мкА при Uпит = 4 кВ, следовательно, линейный выходной ток может достигать 2 мкА.
Для получения больших токов проводимости канала необходимо снизить сопротивление канала, а этого можно добиться следующими способами:
изменить режим термоводородной обработки для более глубокого восстановления стекла;
уменьшить калибр канала за счет использования более короткого каналтрона.
Данная задача в ходе модернизации была решена за счет разработки технологии термоводородного восстановления каналтронов до уровня сопротивления порядка 1 · 107 Ом, что на порядок меньше, чем у стандартного ВЭУ‑6;
оптимизации калибра, что позволило иметь сопротивление каналтрона после термоводородного восстановления на уровне R = (0,8–0,9) · 107 Ом.
Кроме того, была установлена необходимость прерывания восстановленного слоя на внешней поверхности каналтрона, поскольку ток, протекающий по внешней поверхности, не участвует в восстановлении проводимости канала после прохождения электронной лавины, но вызывает разогрев и нестабильную работу. Практически прерывание проводимости по внешней поверхности осуществлялось механическим удалением с помощью абразивного материала восстановленного слоя на внешней поверхности в пределах 1–2 мм по ширине – «проточка».
На рис. 2 представлен график, иллюстрирующий разогрев каналтрона с «проточкой» и без «проточки» во время работы. Из графика видно, что каналтрон с большим током проводимости (около 300 мкА) без «проточки» разогревается намного больше, чем тот же каналтрон с «проточкой». Разогрев до 76 °C произошел без внешнего нагрева, а в установках применения может происходить еще разогрев от внешнего источника, следовательно, возможен разогрев прибора до неприемлемых значений.
На рис. 3 представлен график зависимости тока проводимости от времени работы одного и того же изделия до и после выполнения «проточки» на внешней поверхности.
Из графика на рис. 3 видно, что на каналтроне без «проточки» ток проводимости увеличился до значения более 1 000 мкА. Такие высокие токи проводимости помимо разогрева и нестабильной работы повышают потребляемую мощность изделия, что в некоторых случаях также критично.
После прерывания восстановленного слоя на внешней поверхности каналтрона сопротивление канала увеличилось до R = 3 · 107 Ом и позволило получить ток проводимости канала 100 мкА при Uпит = 3 кВ.
На рис. 4 представлена счетная характеристика для опытного образца. Счетная характеристика – зависимость скорости счета от напряжения на каналтроне – позволяет определить рабочую точку прибора, в которой достигается плато, в режиме счета импульсов. Дополнительные увеличения напряжения повышают коэффициент усиления, но скорость счета остается практически постоянной.
Из графика на рис. 4 видно, что скорость счета импульсов достигает плато при Uпит = 1,8 кВ и не меняется до Uпит = 3 кВ и более. Оптимальная рабочая точка находится примерно на 50–100 вольт за «коленом» кривой на рис. 4. По мере старения умножителя колено смещается вправо, и напряжение необходимо увеличивать.
Зависимость усиления от выходного тока позволяет определить максимальный линейный выходной ток в аналоговом режиме. На рис. 5 представлен график зависимости усиления от выходного тока для опытного образца при различных значениях начального коэффициента усиления М: 6,3 ∙ 107 и 1 ∙ 107. Видно, что чем меньше коэффициент усиления, тем больше выходной ток линейного режима.
На рис. 6 показаны для сравнения аналогичные зависимости для зарубежных каналтронов – шестиканального каналтрона Magnum и типового одноканального каналтрона (Channeltron 4700) [1]. Можно видеть, что характеристики разработанных ВЭУ при соответствующем усилении превосходят по линейности характеристики типовых одноканальных зарубежных аналогов.
При первоначальном включении каналтрона в работу наблюдается быстрое снижение усиления, обусловленное десорбцией адсорбированных рабочей поверхностью газов под действием электронной бомбардировки. Сбиваемые молекулы ионизируются проходящим электронным потоком, и образующиеся положительные ионы движутся в обратном направлении. Соударяясь со стенками каналтрона, эти ионы выбивают дополнительные электроны, порождающие паразитные импульсы – за счёт чего в первое время работы выходной сигнал имеет повышенный уровень, который по мере очистки каналтрона от поверхностных загрязнений сначала снижается, а затем стабилизируется. Поэтому для получения стабильных показаний на выходе, связанных только с уровнем поступающего сигнала, каналтрон необходимо перед работой кондиционировать. Это достигается за счет работы каналтрона при некотором заданном напряжении с входным сигналом в течение короткого периода времени, чтобы дегазировать устройство.
Была исследована динамика параметров в процессе электронной тренировки детектора и предложен режим предварительной обработки перед выполнением измерений.
На рис. 7 представлены зависимости усиления разработанных детекторов ионов от времени при различной величине начального усиления и различном уровне входного сигнала. Величина пропущенного заряда рассчитывалась по уровню измеряемого выходного тока.
Видно, что с увеличением величины выходного тока (следовательно, пропущенного заряда) стабилизация усиления происходит за более короткий период времени. Типичный режим «кондиционирования» изделий заключается в подаче на детектор напряжения, соответствующего усилению около М = 5 ∙ 107 с входным сигналом, обеспечивающим выходной ток на уровне 2,5–3 мкА в течении 30–40 минут, что соответствует съёму заряда порядка 0,007 Кл.
В результате внедрения разработанных конструкторско- технологических решений на базе вторично-электронного умножителя ВЭУ‑6М разработана модификация ВЭУ‑6М‑1 с расширенным динамическим диапазоном с типовыми параметрами, приведенными в табл.
Практическое опробование в приборах применения модернизированного изделия ВЭУ‑6М‑1 показало возможность его успешного применения для нужд современной масс-спектрометрии.
REFERENCES
Maldzigati A. I., Fedotova G. V., Samkanashvili D. G., Bigulaeva K. A. Vtorichno-elektronnye umnozhiteli kanal’nogo tipa s uluchshennymi harakteristikam. NAUChNOE PRIBOROSTROENIE: perspektivy razrabotki, sozdaniya, razvitiya i ispol’zovaniya. Materialy Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem. – Rostov-na-Donu: Izd-vo YuNC RAN 2024. 176–177. ISBN 978‑5‑4358‑0262‑7.
Малдзигати А. И., Федотова Г. В., Самканашвили Д. Г., Бигулаева К. А. Вторично-электронные умножители канального типа с улучшенными характеристикам. НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ: перспективы разработки, создания, развития и использования. Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН 2024. 176–177. ISBN 978‑5‑4358‑0262‑7.
Trovatello, C., Piccinini, G., Forti, S. et al. Ultrafast hot carrier transfer in WS2/graphene large area heterostructures. Npj 2D Mater Appl. 2022;6:24. DOI: 10.1038/s41699‑022‑00299‑4
Leimbach, D., Karls, J., Guo, Y. et al. The electron affinity of astatine. Nat Commun. 2020;11:3824. https://doi.org/10.1038/s41467‑020‑17599‑2
Michael Davino, Adam Summers, Tobias Saule, Jan Tross, Edward McManus, Brandin Davis, and Carlos Trallero-Herrero, “Higher-order harmonic generation and strong field ionization with Bessel–Gauss beams in a thin jet geometry. J. Opt. Soc. Am. B. 2021;38: 2194–2200.
Dan, Wang & He, Yongning & Guo, Junjiang & Cai, Yahui & Mao, Zhangsong & Ye, M. Investigation on secondary electron emission characteristics of double-layer structures. Journal of Applied Physics. 2021;129:093304. https://doi.org/10.1063/5.0023325.
АВТОРЫ
Малдзигати Алан Ильич, старший инженер, лаборатория «МКП – детекторов», ООО ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия.
ORCID 0009-0006-3267-9558
Федотова Галина Васильевна, начальник лаборатории «МКП – детекторов», ООО ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия.
Самканашвили Давид Геннадьевич, директор по науке и инноватике ООО ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия.
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива: Малдзигати А.И – проведение экспериментов, обработка и обсуждение результатов; Федотова Г. В. – обработка и обсуждение результатов; Самканашвили Д. Г. – организация работы.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании рукописи в части вклада каждого из них в работу и согласны с полным текстом рукописи.
А. И. Малдзигати, Г. В. Федотова, Д. Г. Самканашвили
ООО ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия
Сообщается о результатах работы по расширению динамического диапазона вторично-электронного умножителя канального типа. Описаны конструкторские и технологические решения, благодаря которым удалось достичь увеличения значения выходного тока в линейном режиме. Предложен режим предварительной электронной тренировки детектора.
Ключевые слова: вторичные электронные умножители, канальные электронные умножители, динамический диапазон, масс-спектрометр, аналоговый режим, режим счета импульсов, электронная тренировка.
Статья получена: 13.11.2024
Статья принята: 23.01.2025
В настоящее время в качестве детекторов в масс-спектрометрии широкое распространение получили вторичные электронные умножители (ВЭУ) канального типа. Подавляющее большинство ВЭУ канального типа изготовлено из стекла, хотя некоторые из них изготовлены из керамических материалов с покрытием или представляют собой комбинацию стекла и керамики. Преимуществами этих детекторов являются компактность, низкое энергопотребление, долговечность, низкий уровень темновых шумов, отсутствие необходимости в делителе напряжения, возможность работы при невысоком уровне вакуума, способность выдерживать многократные циклы между вакуумом и атмосферой – все это позволяет создавать на базе ВЭУ канального типа весьма конкурентоспособные детекторы для различных областей применения [1].
Важной характеристикой для детекторов, используемых в масс-спектрометрии, является динамический диапазон, который является мерой максимальной скорости счета в режиме счета импульсов или максимального линейного выходного тока в аналоговом режиме.
Классическим представителем ВЭУ канального типа является изделие ВЭУ‑6 (рис. 1), выпускаемое ООО ВТЦ «Баспик», которое зарекомендовало себя как простой и надежный детектор заряженных частиц, ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Однако ВЭУ‑6 был сконструирован для работы в режиме счета импульсов, что в современных реалиях ограничивает область его применения, т. к. большинство современных ВЭУ работают в масс-спектрометрах в аналоговом режиме, что обуславливает требование большего выходного тока для расширения диапазона линейности.
Выходной ток в ВЭУ канального типа сохраняет линейность до значения, равного примерно 10% от значения тока проводимости [1]. Это ограничение связано с тем, что ток проводимости поставляет электроны, необходимые для компенсации положительного заряда, возникающего после ухода электронных лавин с выхода каналтрона, поддерживая процесс вторичной эмиссии. В свою очередь, ток проводимости зависит от сопротивления канала и растет с уменьшением сопротивления.
Для стандартного ВЭУ‑6, согласно ТУ, ток питания канала может варьироваться от 5 до 20 мкА при Uпит = 4 кВ, следовательно, линейный выходной ток может достигать 2 мкА.
Для получения больших токов проводимости канала необходимо снизить сопротивление канала, а этого можно добиться следующими способами:
изменить режим термоводородной обработки для более глубокого восстановления стекла;
уменьшить калибр канала за счет использования более короткого каналтрона.
Данная задача в ходе модернизации была решена за счет разработки технологии термоводородного восстановления каналтронов до уровня сопротивления порядка 1 · 107 Ом, что на порядок меньше, чем у стандартного ВЭУ‑6;
оптимизации калибра, что позволило иметь сопротивление каналтрона после термоводородного восстановления на уровне R = (0,8–0,9) · 107 Ом.
Кроме того, была установлена необходимость прерывания восстановленного слоя на внешней поверхности каналтрона, поскольку ток, протекающий по внешней поверхности, не участвует в восстановлении проводимости канала после прохождения электронной лавины, но вызывает разогрев и нестабильную работу. Практически прерывание проводимости по внешней поверхности осуществлялось механическим удалением с помощью абразивного материала восстановленного слоя на внешней поверхности в пределах 1–2 мм по ширине – «проточка».
На рис. 2 представлен график, иллюстрирующий разогрев каналтрона с «проточкой» и без «проточки» во время работы. Из графика видно, что каналтрон с большим током проводимости (около 300 мкА) без «проточки» разогревается намного больше, чем тот же каналтрон с «проточкой». Разогрев до 76 °C произошел без внешнего нагрева, а в установках применения может происходить еще разогрев от внешнего источника, следовательно, возможен разогрев прибора до неприемлемых значений.
На рис. 3 представлен график зависимости тока проводимости от времени работы одного и того же изделия до и после выполнения «проточки» на внешней поверхности.
Из графика на рис. 3 видно, что на каналтроне без «проточки» ток проводимости увеличился до значения более 1 000 мкА. Такие высокие токи проводимости помимо разогрева и нестабильной работы повышают потребляемую мощность изделия, что в некоторых случаях также критично.
После прерывания восстановленного слоя на внешней поверхности каналтрона сопротивление канала увеличилось до R = 3 · 107 Ом и позволило получить ток проводимости канала 100 мкА при Uпит = 3 кВ.
На рис. 4 представлена счетная характеристика для опытного образца. Счетная характеристика – зависимость скорости счета от напряжения на каналтроне – позволяет определить рабочую точку прибора, в которой достигается плато, в режиме счета импульсов. Дополнительные увеличения напряжения повышают коэффициент усиления, но скорость счета остается практически постоянной.
Из графика на рис. 4 видно, что скорость счета импульсов достигает плато при Uпит = 1,8 кВ и не меняется до Uпит = 3 кВ и более. Оптимальная рабочая точка находится примерно на 50–100 вольт за «коленом» кривой на рис. 4. По мере старения умножителя колено смещается вправо, и напряжение необходимо увеличивать.
Зависимость усиления от выходного тока позволяет определить максимальный линейный выходной ток в аналоговом режиме. На рис. 5 представлен график зависимости усиления от выходного тока для опытного образца при различных значениях начального коэффициента усиления М: 6,3 ∙ 107 и 1 ∙ 107. Видно, что чем меньше коэффициент усиления, тем больше выходной ток линейного режима.
На рис. 6 показаны для сравнения аналогичные зависимости для зарубежных каналтронов – шестиканального каналтрона Magnum и типового одноканального каналтрона (Channeltron 4700) [1]. Можно видеть, что характеристики разработанных ВЭУ при соответствующем усилении превосходят по линейности характеристики типовых одноканальных зарубежных аналогов.
При первоначальном включении каналтрона в работу наблюдается быстрое снижение усиления, обусловленное десорбцией адсорбированных рабочей поверхностью газов под действием электронной бомбардировки. Сбиваемые молекулы ионизируются проходящим электронным потоком, и образующиеся положительные ионы движутся в обратном направлении. Соударяясь со стенками каналтрона, эти ионы выбивают дополнительные электроны, порождающие паразитные импульсы – за счёт чего в первое время работы выходной сигнал имеет повышенный уровень, который по мере очистки каналтрона от поверхностных загрязнений сначала снижается, а затем стабилизируется. Поэтому для получения стабильных показаний на выходе, связанных только с уровнем поступающего сигнала, каналтрон необходимо перед работой кондиционировать. Это достигается за счет работы каналтрона при некотором заданном напряжении с входным сигналом в течение короткого периода времени, чтобы дегазировать устройство.
Была исследована динамика параметров в процессе электронной тренировки детектора и предложен режим предварительной обработки перед выполнением измерений.
На рис. 7 представлены зависимости усиления разработанных детекторов ионов от времени при различной величине начального усиления и различном уровне входного сигнала. Величина пропущенного заряда рассчитывалась по уровню измеряемого выходного тока.
Видно, что с увеличением величины выходного тока (следовательно, пропущенного заряда) стабилизация усиления происходит за более короткий период времени. Типичный режим «кондиционирования» изделий заключается в подаче на детектор напряжения, соответствующего усилению около М = 5 ∙ 107 с входным сигналом, обеспечивающим выходной ток на уровне 2,5–3 мкА в течении 30–40 минут, что соответствует съёму заряда порядка 0,007 Кл.
В результате внедрения разработанных конструкторско- технологических решений на базе вторично-электронного умножителя ВЭУ‑6М разработана модификация ВЭУ‑6М‑1 с расширенным динамическим диапазоном с типовыми параметрами, приведенными в табл.
Практическое опробование в приборах применения модернизированного изделия ВЭУ‑6М‑1 показало возможность его успешного применения для нужд современной масс-спектрометрии.
REFERENCES
Maldzigati A. I., Fedotova G. V., Samkanashvili D. G., Bigulaeva K. A. Vtorichno-elektronnye umnozhiteli kanal’nogo tipa s uluchshennymi harakteristikam. NAUChNOE PRIBOROSTROENIE: perspektivy razrabotki, sozdaniya, razvitiya i ispol’zovaniya. Materialy Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem. – Rostov-na-Donu: Izd-vo YuNC RAN 2024. 176–177. ISBN 978‑5‑4358‑0262‑7.
Малдзигати А. И., Федотова Г. В., Самканашвили Д. Г., Бигулаева К. А. Вторично-электронные умножители канального типа с улучшенными характеристикам. НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ: перспективы разработки, создания, развития и использования. Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН 2024. 176–177. ISBN 978‑5‑4358‑0262‑7.
Trovatello, C., Piccinini, G., Forti, S. et al. Ultrafast hot carrier transfer in WS2/graphene large area heterostructures. Npj 2D Mater Appl. 2022;6:24. DOI: 10.1038/s41699‑022‑00299‑4
Leimbach, D., Karls, J., Guo, Y. et al. The electron affinity of astatine. Nat Commun. 2020;11:3824. https://doi.org/10.1038/s41467‑020‑17599‑2
Michael Davino, Adam Summers, Tobias Saule, Jan Tross, Edward McManus, Brandin Davis, and Carlos Trallero-Herrero, “Higher-order harmonic generation and strong field ionization with Bessel–Gauss beams in a thin jet geometry. J. Opt. Soc. Am. B. 2021;38: 2194–2200.
Dan, Wang & He, Yongning & Guo, Junjiang & Cai, Yahui & Mao, Zhangsong & Ye, M. Investigation on secondary electron emission characteristics of double-layer structures. Journal of Applied Physics. 2021;129:093304. https://doi.org/10.1063/5.0023325.
АВТОРЫ
Малдзигати Алан Ильич, старший инженер, лаборатория «МКП – детекторов», ООО ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия.
ORCID 0009-0006-3267-9558
Федотова Галина Васильевна, начальник лаборатории «МКП – детекторов», ООО ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия.
Самканашвили Давид Геннадьевич, директор по науке и инноватике ООО ВТЦ «Баспик», г. Владикавказ, Россия.
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива: Малдзигати А.И – проведение экспериментов, обработка и обсуждение результатов; Федотова Г. В. – обработка и обсуждение результатов; Самканашвили Д. Г. – организация работы.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании рукописи в части вклада каждого из них в работу и согласны с полным текстом рукописи.
Отзывы читателей
