MCP Skrabing

Mikrokanalna pločica skrabing

Šta je mikrokanalna pločica? • Mikrokanalna pločica (MCP) je staklena pločica koja se koristi za detekciju čestica (elektrona ili jona) i upadnog zračenja (ultraljubičastog – UV ili X-zračenja). Srodnik je elektronskog multiplikatora, pošto se pojačanje vrši putem umnožavanja elektrona preko sekundarne emisije. Za razliku od prostih / single / elektronskih multiplikatora (SEM), mikrokanalne pločice imaju mnogo odvojenih kanalića (cevčica, otvora . . .), tako da dodatno daju prostorno razlaganje.

Od kog je materjala? • Materjal koji se koristi za proizvodnju mikrokanalnih pločica je staklo, što znači da je u osnovi silicijum, sa velikom električnom otpornošću. Da bi se načinilo provodnim, staklu se dodaju odreĎene količine olovo i / ili bizmut oksida i manje količine oksida alkalnih i zemnoalkalnih metala. Alkalni joni se dodaju da bi se dobila potrebna (željena) temperatura omekšavanja i topljenja.

Hemijski (procentualni) sastav nekih stakala za proizvodnju mikrokanalnih pločica 8161 (patent)

8161-staro (Varian)

8161-novo (Varian)

8531 (Shott)

3502 (Fillips)

GE-821 (Varian)

2364

SG-16

PbO

51,50

48,38

48,68

58,77

27,35

54,50

57,60

57,50

SiO2

39,00

38,52

38,76

34,50

49,41

36,73

35,84

35,70

K2O

5,10

5,00

4,70

5,40

7,62

5,94

4,86

5,66

BaO

1,80

3,30

3,30

0,33

0,05

Rb2O

2,00

3,20

3,10

Na2O

0,20

0,31

0,72

0,05

4,51

0,47

0,23

0,30

Cs2O

0,20

1,00

0,85

2,32

1,11

0,27

0,21

0,02

Bi2O3 Al2O3 MgO CaO

10,95

0,06

Tehnologija izrade • Proizvodi se tehnologijom dvostrukog izvlačenja vlakana. • Prvi korak je izrada cilindričnih odlivaka: šupljeg – omotača od olovnog stakla sa dodatkom alkalija i punog – jezgra od barijum-silikatnog stakla. • Spajanjem odlivaka dobija se predforma od koje se izvlači vlakno prečnika oko 1 mm. Ova se vlakna seku na segmente odreĎene dužine i slažu u heksagonalne snopove od kojih se ponovo izvlači vlakno – snopić sa heksagonalnim profilom debljine oko 1 mm. Snopići se pakuju u šestougaonu formu u kalibrisanoj cevi od olovnog stakla (ivično staklo) radi pogodnijeg rukovanja pločicama i formira se čaura.

• Čaura se žari najpre na vazduhu da bi se izvršila oksidacija organskih materija, a zatim u vakuumu radi eliminisanja zaostalih gasova i konačno se vrši presovanje pod pritiskom da bi se uklonili meĎuprostori izmeĎu snopića. • Stopljena čaura se seče na listove debljine oko 1 mm pod uglom od 5-15°. Bela pločica se brusi i polira, a zatim se vrši rastvaranje stakla jezgra u hloro-vodoničnoj i azotnoj kiselini čime se dobija perforirana pločica. Sada se vrši redukcija u vodoniku čime se postiže redukcija olovo-oksida i pločica dobija odreĎenu električnu provodnost. U ovom procesu pločica dobija karakterističnu crnu boju, a ispod površinskog sloja kanala formira se poluprovodna zona koja igra glavnu ulogu u procesu sekundarne emisije. • Poslednja faza je naparavanje elektroda od nihroma ili inkonela koje na ulaznoj strani pločice zadiru u kanale do dubine do oko jednog prečnika kanala, a na izlaznoj strani do dubine do oko dva prečnika kanala.

Princip rada mikrokanalne pločice • Svaki mikrokanal predstavlja kontinualni elektronski multiplikator, u kome se multiplikacija (umnožavanje) vrši u prisustvu jakog električnog polja. Čestica ili foton koji uĎe u kanalić pogaĎa zid kanalića. Iz ovog sudara dolazi do oslobaĎanja novih elektrona, koji krećući se kroz kanalić po paraboličnim putanjama ponovnim sudarom sa zidom kanalića kreiraju nove sekundarne elektrone. Na ovaj način prvobitni signal koji je stigao na ulaz kanalića, na izlazu iz njega postaje za nekoliko redova veličine pojačan zavisno od jačine primenjenog električnog polja i geometrije mikrokanalne pločice. Po prolasku jedne kaskade elektrona kroz kanalić, potrebno je odreĎeno vreme za obnavljanje (reda veličine nanosekunde) da bi mogao da bude registrovan novi signal.

emisija sekundarnih elektrona

Parametri mikrokanalne pločice • L/d – odnos dužine (u praksi debljina pločice) i prečnika kanala. Tipične vrednosti su 40:1, 60:1 i 80:1 (za naše pločice oko 50:1). Ovaj parametar utiče na pojačanje i odreĎuje maksimalni radni napon. • Nagib kanala – kanali mikrokanalne pločice sa normalom na njenu površinu zaklapaju odreĎeni ugao. Kanali imaju nagib da bi se obezbedilo da ulazni snop elektrona pogaĎa zid kanala mikrokanalne pločice na kome će se izazvati sekundarna emisija.

Parametri mikrokanalne pločice • Prodiranje elektrode – end spoiling. Sloj metalizacije koji se naparava na ulaznoj i izlaznoj površini mikrokanalne pločice, a služi da obezbedi kontakt za priključivanje spoljašnjeg izvora napajanja, treba da bude deponovan i u unutrašnjost kanala do odreĎene dubine. Sloj metalizacije koji ulazi u kanale na ulaznoj strani mikrokanalne pločice obezbeĎuje da će se prvi sudar primarnog elektrona dogoditi unutar kanala gde će pokrenuti lavinu sekundarnih elektrona, a ne na njenoj površini gde bi se rasejao. Na izlaznoj strani ovaj sloj ima sličnu ulogu da obezbedi da se poslednji sudar dogaĎa na zidu unutar kanala, a veća dubina prodiranja metalizacije obezbeĎuje kolimisanje (sakupljanje) elektronskog snopa koji napušta kanal i na taj način utiče na razlaganje.

Parametri mikrokanalne pločice • Pojačanje – odnos amplituda ulaznog i izlaznog signala. Zavisi od napona primenjenog na mikrokanalnu pločicu. • Struja kanala – strip struja. Jednosmerna struja koja teče u zidovima kanala mikrokanalne pločice kao rezultat razlike potencijala (napona) na ulazu i izlazu. Odnos napona primenjenog na mikrokanalnu pločicu i strip struje definiše otpor (R) mikrokanalne pločice. • Tamna struja – izlazna struja koja se javlja bez pobude na ulazu. Može da bude izazvana spoljnim faktorima, kao što je na primer struja curenja u kolektorskom sklopu.

Parametri mikrokanalne pločice • Linearnost – sposobnost pločice da proizvede izlaznu struju koja je linearna funkcija ulazne struje. Smatra se da mikrokanalna pločica radi u linearnom režimu ako izlazna struja iznosi manje od 10% strip strije. • Vek – granica iznad koje više ne može da se dobije korisan signal pri maksimalnom preporučenom radnom naponu. Vek može da se izrazi kao mera ukupnog akumuliranog naelektrisanja na izlazu ili u radnim satima pri navedenim uslovima pritiska, pojačanja i ulazne pobude. Vek veoma zavisi od uslova sredine u toku rada.

Presek ulazne strane mikrokanalne pločice

Kalijum – glavni izvor sekundarne emisije • Metodom Ožeove spektrometrije vršena je analiza površine uzorka mikrokanalne pločice i pokazano je da površinska oblast sadrži veliku koncentraciju kalijuma (koncentracija kalijuma u provodnom sloju iznosi 0,3 – 0,4 monosloja), dok olovo i bizmut nisu registrovani. Kao kontaminanti u površinskom sloju su registrovani: ugljenik, sumpor i kalcijum. Olovo i bizmut se ne javljaju do dubine od 10 – 20 nm. Koeficijent emisije sekundarnih elektrona je jako zavisan od sadržaja kalijuma u površinskom sloju. Pri kontinuiranom bombardovanju elektronima smanjuje se sadržaj kalijuma, a sa time i koeficijent sekundarne emisije i pojačanje.

Ožeov elektronski spektar površine stakla mikrokanalne pločice – uočavaju se pikovi silicijuma i kalijuma

Koncentracija elemenata u funkciji dubine

Sekundarna emisija iz mikrokanalne pločice • Verovatnoća izlaska sekundarnih elektrona u funkciji dubine

• Prinos sekundarnih elektrona u funkciji koncentracije kalijuma

Uticaj elektronskog bombardovanja (skrabinga) na koncentraciju pojedinih komponenata u sastavu mikrokanalne pločice Ožeov spektar

a) oblast na uzorku koja nije bila izložena bombardovanju elektronima – uočava se pik kalijuma i kontaminanata: sumpora, hlora, ugljenika, kiseonika

b) oblast na istom uzorku koja je bila izložena elektronskom bombardovanju – pik koji odgovara kalijumu je znatno manji dok je pik koji odgovara ugljeniku ostao gotovo nepromenjen

Kontaminacija mikrokanalne pločice

• Isparljiva kontaminacija

• Neisparljiva kontaminacija

Isparljiva kontaminacija • Isparljive komponente prisutne u vazduhu teže da se akumuliraju na površini mikrokanalne pločice. Glavne komponente koje se akumuliraju su: vodonik, azot, voda – vodena para i ugljen-dioksid. Glavna komponenta u procesu temperaturne degazacije je voda sa parcijalnim pritiskom reda veličine 10-7 torr-a. (Galileo 1999. god. upozorava da je skladištenje mikrokanalne pločice sa isušivačem opasno jer je MCP toliko higroskopna da će izvući vlagu iz isušivača.) • Adsorbovana vodena para na emisivnim površinama prouzrokuje jonizaciju a primenom napona joni migriraju prema elektrodama, doprinoseći anomalnoj potrošnji struje. Nekontrolisana inicijalna raspodela naelektrisanja koja je rezultat formiranja i dalje migracije jona prouzrokuje distorziju lokalnog polja. Ovo bi moglo da bude izvor primećenih lažnih proboja usled loših uslova lokalnog vakuuma, moglo bi takoĎe da indukuje privremenu auto-ekscitaciju usled mehanizma jonskog fidbeka i eratički (lutajući) šum kao rezultat.

• Drugi efekat vode prisutne na zidovima kanala mikrokanalne pločice je gubitak mehaničke stabilnosti. Molekuli vode ulazeći u svaku prisutnu mikro pukotinu kreću se duž nje sve do kraja. Interagujući hemijski sa atomima silicijuma, kidaju atomske veze u lancu silicijum-kiseonik u staklu i kao rezultat pukotina se proteže dalje. • Zbog toga je neophodno da se količina prisutne vode u mikrokanalnim pločicama minimizira pre njihovog korišćenja. Sve nove MCP se podvrgavaju procesu predkondicioniranja koji je izuzetno značajan za stabilizaciju njihovih karakteristika i održavanje veka. Ovo se u osnovi sastoji od dva procesa: žarenja na 250°C-300°C i elektroskog skrabinga.

Neisparljiva kontaminacija • Neisparljivi kontaminanti su ulje i druga jedinjenja viših ugljovodonika koja daju najopasniju kontaminaciju. Oni ne mogu da se uklone žarenjem mikrokanalne pločice u tolerantnom opsegu temperature. Kontaminirana MCP postaje nepovratno oštećena. Pod uticajem elektronskog bombardovanja organske materije kao što su ulje i neki drugi ugljovodonici absorbovani na aktivnim površinama mikrokanalne pločice polimerizuju formirajući sloj koji sam ima veoma mali prinos sekundarnih elektrona a suzbija emisiju sekundarnih elektrona iz podloge. Efikasnost mikrokanalne pločice značajno opada i opada pojačanje. • Zapažen je pad efikasnosti od 40% prouzrokovan jakim povratnim strujanjem ulja posle otkaza u napajanju u vakuumskim sistemima sa difuzionim pumpama. Pokušaj da se pločice očiste doveo je do daljeg smanjenja efikasnosti. • ProizvoĎači mikrokanalnih pločica ne navode kritične koncentracije ulja i ugljovodonika, samo kažu da ureĎaji moraju da rade u atmosferi bez ulja.

Jonski fidbek • U multiplikatoru koji radi na principu sekundarne emisije elektrona, gustina elektrona je najveća u poslednjem stepenu pojačanja (kod mikrokanalne pločice na izlaznoj strani). Ukoliko je pritisak rezidualnih gasova u pojačavačkom ureĎaju veliki pri sudaru sa elektronima generišu se joni koji mogu da steknu dovoljnu energiju za prikazivanje lažnih efekata u procesu sekundarne emisije. Kod pojačavača slike joni generisani u procesu sekundarne emisije u mikrokanalnoj pločici mogu da steknu dovoljnu energiju za fidbek na fotokatodu i na njoj generišu sekundarne elektrone.

Degazacija mikrokanalne pločice • ispumpavanje • zagrevanje na povišenim temperaturama – žarenje • bombardovanje elektronima – skrabing

Ispumpavanje

• Ovim postupkom se odstranjuju gasovi koji su fizički (slabo) vezani na površini.

Žarenje • Žarenjem se uklanja isparljiva kontaminacija. Temperatura žarenja mikrokanalne pločice ne bi trebalo da prevazilazi 350°C, jer na višim temperaturama može da doĎe do narušavanja njene strukture. U ovom procesu iz mikrokanalne pločice u najvećoj meri se oslobaĎa voda – vodena para.

OslobaĎanje gasova iz mikrokanalne pločice u procesu žarenja • Promena brzine degazacije mikrokanalne pločice u funkciji vremena u toku procesa žarenja. Krive istovremeno predstavljaju učešće pojedinih komponenata u atmosferi rezidualnog gasa.

Skrabing • Skrabingom se vrši degazacija zidova kanala mikrokanalne pločice. Skrabing se vrši uključivanjem multiplikatora da radi (napon na mikrokanalnoj pločici) i pobudom na ulazu (zlatna katoda i UV lampa) na ulaznoj strani kao izvor primarnog signala. OslobaĎanje gasova u ovom procesu je najintenzivnije na izlaznoj strani mikrokanalne pločice pošto je usled multiplikacije elektrona u procesu sekundarne emisije duž kanala ova strana pločice izložena najintenzivnijem bombardovanju. Maksimalna struja na izlazu se postiže u uslovima zasićenja (kada izlazna struja dostigne oko 10% strip struje).

Posle skrabinga, gustina rezidualnog gasa je manja na kraju mikrokanalne pločice sa velikom gustinom izlazne struje

Oslobađanje gasova u procesu skrabinga • Gasovi koji se oslobaĎaju u procesu skrabinga: • • • •

CO: CO2: H2: CH4:

30 – 40% 25 – 30% 10 – 20% 10 – 35%

•

Kao kod temperaturne degazacije i kod skrabinga se najbrža desorpcija gasova vrši na početku (u prvim satima) procesa

Brzina degazacije u funkciji izlazne struje

• Promena brzine degazacije kada izlazna struja iznosi oko 20% strip struje

•

Promena brzine degazacije kod izlazne struje od 5% strip struje posle degazacije iz uslova levo u određenom trajanju

Efikasnost degazacije u funkciji režima rada mikrokanalne pločice • Efikasnost desorpcije u procesu elektronskog bombardovanja (skrabing) • 1 – mikrokanalna pločica radi u linearnom opsegu strujne prenosne karakteristike • 2 – mikrokanalna pločica radi u nelinearnom opsegu strujne prenosne karakteristike (zasićenje)

Promena totalnog pritiska u sistemu u funkciji napona na mikrokanalnoj pločici • Promena totalnog pritiska u vakuumskom sistemu u funkciji napona na mikrokanalnoj pločici za različite ulazne struje – veća ulazna struja, veće kvarenje vakuuma u sistemu sa povećanjem napona na mikrokanalnoj pločici

Parcijalni pritisci gasova u funkciji napona na mikrokanalnoj pločici

Parcijalni pritisci gasova u funkciji napona na mikrokanalnoj pločici • Parcijalni pritisci komponenata sa masenim brojem 18 (voda/vodena para) i 36 (čije poreklo nije odreĎeno) se ne menjaju sa povećanjem napona na mikrokanalnoj pločici što ukazuje da se one ne desorbuju u procesu bombardovanja elektronima – skrabingu. • Parcijalni pritisci komponenata sa masenim brojem 16 (metan), 28 (azot i ugljen-monoksid) rastu najpre polako a zatim brže, ukazujući da je za njihovu desorpciju potreban neki minimum energije elektrona. • Parcijalni pritisak komponente sa masenim brojem 2 (vodonik) se kontinuirano povećava sa povećanjem napona na mikrokanalnoj pločici, što ukazuje da desorpcija vodonika zavisi samo od broja sekundarnih elektrona ali ne i od njihove energije.

Faze u procesu degazacije U toku dugotrajne degazacije uočene su tri faze: • u prvoj fazi koja je označena kao čišćenje pojačanje opada i stabilizuje se na odreĎenoj vrednosti koja se naziva plato; faktor opadanja je oko 3 i ne postoji korelacija izmeĎu početne (pre degazacije) i krajnje (posle degazacije) vrednosti pojačanja; u ovoj fazi može da doĎe do delimičnog obnavljanja pojačanja usled ponovne adsorpcije gasa na površini; • u drugoj fazi posle čišćenja pojačanje ostaje konstantno; • i konačno u trećoj fazi se javlja efekt zamora: pojačanje opada neprekidno i nepovratno.

Uticaj degazacije na parametre mikrokanalne pločice • opadanje koncentracije kalijuma • opadanje koeficijenta sekundarne emisije

• opadanje pojačanja • opadanje strip struje

Rezultati merenja za uslove: vakuum u komori ulazna struja struja curenja u ulaznom kolu struja curenja u izlaznom kolu

5x10-8 mbar 10x10-12 A 2x10-12 A 1,5x10-9 A

Pre degazacije Napon MCP (V)

Izlazna struja ( 10-9A)

Strip struja ( 10-6A)

600

4,5

650

Posle degazacije

Pojačanje

Izlazna struja ( 10-9A)

Strip struja ( 10-6A)

Pojačanje

1,8

300

4

1,5

250

8

1,9

650

6

1,6

450

700

14

2,0

1250

10

1,8

850

750

24

2,2

2250

16,5

1,9

1500

800

41,5

2,3

4000

27

2,0

2550

850

69

2,5

6750

44

2,2

4250

900

107

2,65

10550

62

2,3

6050

950

144,5

2,8

14300

91

2,4

8950

1000

200

3,0

19850

128

2,6

12650

Dijagrami promene pojačanja i strip struje