通道電子倍增器

電子倍增器廣泛的應用於各種分析儀器中，用來探測微弱的離子、電子和紫外光信號。這些分析儀器包括氣相和液相色譜-質譜聯用儀(GC or LC MS)、基質輔助激光解析電離飛行時間質譜儀(MALDI-TOF)、殘餘氣體分析儀(RGA)、電子能譜儀和掃描電子顯微鏡(Auger and SEM)。這些儀器都是用來輔助分辨未知材料的，在某些情況下檢測微量雜質可以達到十億分之幾的水平。最常用的探測器是通道式電子倍增器(CEM)。Burle Electro Optics的工程師發明了一種新的電子倍增器(MAGNUM? Electron Multiplier)，這種探測器增大了線性輸出電流，減小了噪聲，延長了探測器壽命，從而整體的提升了探測器的性能。

電子倍增器的發展可以上溯到人們發現某些材料在受到高能帶電粒子轟擊後能夠大量發射二次電子的時候。這之後，物理學家就很快就開始了使用帶有多重碰撞級裝置的探測器製作分析儀器的工作。這種帶有多重碰撞級的裝置有一系列經過特殊處理的金屬表面，這樣就可以達到放大微弱信號的目的。上世紀50年代，Bendix Research Labs in Ann Arbor Michigan(later Galileo Corp., now BURLE Electro-Optics, Inc.)的工程師開始了把摻雜了鹼金屬的鉛玻璃作為倍增表面的試驗，這在當時是個很偉大的突破。不同於當時的離散打拿極，這種材料甚至在大氣壓強下時仍能維持其二次電子發射性能，這樣就使得特殊處理的金屬打拿極無用武之地。這種裝置很快就從平行板連續倍增器——利用電磁場推進級聯電子到陽極的磁電子倍增器，發展到了不需要磁場的導電鉛玻璃管。我們知道這種裝置就是單通道電子倍增器(SCEMs)，Channeltron?就是單通道電子倍增器的的著名商標。Figure 1列舉了今天使用到的各種型號。

當電子倍增器工作的時候，先是一個帶電粒子或載能光子撞擊到倍增器的輸入表面，然後向真空激發出數個二次電子。摻雜了鹼金屬的發射層有更小的表面逸出功，增加了激發出的二次電子的數量。在二次電子穿越通道管的過程中，它會多次碰撞到通道管的管壁上，這樣就能連續的產生大量的二次電子。在發射層的下方是電阻鉛玻璃層，它能在通道管內部產生從輸入端到陽極逐漸增高的電勢，在這個電勢差下電子被加速。上述過程不停的重複，直到產生的電子雲全部離開通道管，被陽極接收。(See Figure 2)

改變加在電子倍增器上的電壓會同時改變電子軌跡和每次碰撞產生的二次電子數目。這樣，倍增器的增益就是可調的。選擇合適的偏壓可使單一離子從撞到倍增器的輸入端開始到陽極接收，共產生一億個電子。

然而，一些因素會限制CEM的應用：輸出電流、探測器壽命和噪聲。倍增器能產生的最大線性輸出電流受到通道管內存儲的電荷量和通道管的電荷補充速度的限制。通道管可以看作是一個RC電路，當通道管釋放了所有存儲的電荷後，它必須從流過導電層的電流中獲得補充。如果能在老化前的倍增過程中提供更多的電荷，也就能給通道管帶來更長的壽命。

實際上，電子倍增器的壽命是有限的。倍增器的壽命是一個重要的性能參數。即使在正常情況下，倍增器的增益也會由於使用而逐漸變小，這就需要根據儀器靈敏度的要求定期的調整電壓，使增益保持在適當的水平。最終，電壓不能再繼續增加，這時候就只能更換倍增器了。在很多儀器裏，要想更換倍增器，就需要停機4 – 24小時。今天，大多數儀器更換倍增器的時間間隔會依據使用情況的不同，一般在3個月到2年之間。

因此，倍增器的長壽命就成了很有實際價值的參數，即能減少更換探測器的頻率。探測器最初的增益也會影響到倍增器的壽命。如果最初的增益比較高，就要讓儀器的工作電壓適當的低一些。更低的初始電壓設置能夠在更大程度上補償後來必然發生的探測器增益下降。

倍增疲勞，表現為在使用過程中的增益下降。它的發生有兩種理論機制：第一種，是由二次電子持續轟擊發射表面所產生的放射損傷引起的，這種退化來自於發射表面的鹼金屬耗盡，偶爾也會出現發射表面被完全濺蝕的情況。這種損傷正比於從單位面積的通道管上萃取的電荷總數。因此，增加有效的通道管面積就能延長探測器壽命。第二種倍增疲勞的機制是真空環境中的污染物覆蓋了發射表面。應用和分析技術的不同使得清潔環境也不一樣。

最後，探測器的信噪比會限制對微弱信號的探測。離子反饋對探測器噪聲的貢獻很大。離子反饋發生在通道管內的殘餘氣體在電場中被電離的時候，這些離子被向二次電子的反方向加速，最終撞擊到通道壁上。如果這些離子在碰撞前獲得了足夠的能量，那它們也會在撞擊到通道壁上的時候激發出二次電子。這些由殘餘氣體離子激發的二次電子經過倍增後也同樣產生輸出信號，但這些信號並不反映真正的輸入事件。

除了能夠工作在更差的真空環境中之外，更高的動態範圍、更低的噪聲、更便宜和更小的體積，這些都是分析儀器產業的需求。

Burle Electro-Optics發明了一種革命性的新型倍增器，來迎接現在和未來儀器設計的挑戰。The MAGNUM? Electron Multiplier? (Figure 3)是由六個纏繞在一根中心軸上的螺旋形倍增通道管組成的。這六根通道管是通過一個整體收集錐在輸入端連接在一起的。六個通道管共用一個收集彙總電荷、輸出電信號的陽極(Figure 4)。

這種倍增器是由一種可以扭曲並同時拉伸到最終尺寸的玻璃預製件加工而成的。用這種複雜的工藝製成的固體玻璃坯再進一步加工成整體錐和最終封裝結構。使用這種獨特的生產工藝意味着製造這種倍增器要比製造傳統倍增器更加經濟。

六根通道管的長徑比與其他Channeltron?產品非常接近，因此在增益/電壓曲線上會出現一個陡峭的下降沿。六根通道管形成的螺旋體擁有較小的曲率半徑，這樣可以有效防止離子反饋，使倍增器工作在較差的真空環境中時有較低的噪聲水平。另外由通道管形成的螺旋體使具有最佳長徑比的通道管能封裝在更低剖面的器件中。沿着中心軸纏繞的通道管同樣使倍增器可以沿軸向工作，這樣儀器工程師就可以設計非常小的真空室（成本更低）。大口徑的整體收集錐能夠收集到所有有用離子。

MAGNUM?有兩點特性，其線性輸出電流和動態範圍都有了改進。MAGNUM?產生增益的是六根通道管，而不是通常的單根。這就使從每一根單獨的通道管中發出的電荷減少了，因此就能夠提高最大線性輸出電流水平。另外，MAGNUM?組合了一種特殊的擴展動態範圍的功能，這種功能使通道管再充電的速度比傳統的裝置要快10倍。Figure 5顯示了MAGNUM?和其它相似倍增器關於最大線性輸出電流的實測差異。

MAGNUM?產生的背景噪聲同樣很小(Figure 6)，這是由於MAGNUM?使用了獨特的玻璃成型技術，同時精確的通道管曲率半徑也有效的抑制了離子反饋噪聲。這種螺旋形的設計也讓探測器能夠在較差的真空條件下工作。

倍增疲勞表現為增益的減小。由於探測器壽命和通道管的總表面積成正比，把萃取到的電荷分配到六個通道管的面積上，就能成比例的延長壽命。實際上，在任意電壓下MAGNUM?能提供更大的增益(Figure 7)。這就使初始偏置電壓能設置得更低，而在探測器必須更換前儀器電源能補償更多的增益下降。