تقویت کننده های الکترونی

شکل 1: تقویت کننده های الکترونی ثانویه، نوع کور ونیزی. 

تقویت کننده های الکترونی همانطور که از نامشان پیداست کار می کنند. یک الکترون منفرد یا ذره باردار دیگر وارد ضریب می شود و سپس ترکیبی از فیزیک و الکترومغناطیس برای القای ذرات باردار بیشتر برای حرکت استفاده می شود. هر مرحله از یک ضرب کننده الکترون می تواند یک تا سه الکترون اضافی تولید کند که در نتیجه تنها پس از چند مرحله تقویت باورنکردنی ایجاد می شود.

نمایش همه تولیدکنندگان تقویت کننده های الکترونی

تئوری عملیات

تقویت کننده های الکترونی وسیله‌ای است که در بسیاری از ابزارهای علمی برای تشخیص و تقویت سیگنال‌ها استفاده می‌شود. این بر اساس اصل انتشار ثانویه عمل می کند، جایی که برخورد یک ذره پرانرژی (در این مورد، یک الکترون) باعث انتشار چندین الکترون ثانویه از یک سطح می شود. ضرب کننده های الکترونی معمولاً با هر نوع ذره باردار به خوبی کار می کنند.

شکل 2: نمودار ساده شده یک ضرب کننده الکترون. 

در اینجا توضیح ساده ای از نحوه عملکرد ضرب کننده های الکترونی آورده شده است:

الکترون حادثه

این فرآیند با یک الکترون برخوردی آغاز می شود که می تواند سیگنالی از یک ابزار علمی مانند طیف سنج جرمی یا آشکارساز ذرات باشد. الکترون فرودی همان چیزی است که کل فرآیند را آغاز می کند.

اولین داینود

الکترون فرودی به اولین داینود (نوعی الکترود) برخورد می کند. داینود از ماده ای ساخته شده است که در اثر برخورد یک الکترون پرانرژی، الکترون های ثانویه ساطع می کند. تعداد الکترون‌های ثانویه معمولاً بیش از یک است، جایی که تقویت شروع می‌شود. هر ضربه معمولاً یک تا سه الکترون دیگر تولید می کند.

انتشار و تقویت ثانویه

سپس الکترون‌های ثانویه به سمت داینود بعدی شتاب می‌گیرند، جایی که هر کدام باعث گسیل الکترون‌های ثانویه بیشتری می‌شوند. این فرآیند در چندین داینود تکرار می شود و هر بار تعداد الکترون ها افزایش می یابد.

مجموعه سیگنال

در نهایت، الکترون‌ها در آند جمع‌آوری می‌شوند، جایی که جریانی قابل اندازه‌گیری ایجاد می‌کنند. جریان متناسب با تعداد الکترون ها و در نتیجه با سیگنال اصلی است، اما به شدت تقویت می شود.

تعداد دقیق الکترون های ثانویه گسیل شده به ازای هر الکترون برخوردی به ماده داینودها و انرژی الکترون برخوردی بستگی دارد. با این حال، تقویت می تواند بسیار بزرگ باشد، اغلب در حدود 10^6 یا بیشتر.

شکل 3: ضریب پیوسته الکترون. 

مشخصات

مشخصات ضرب‌کننده‌های الکترونی بسته به کاربرد و طراحی خاص دستگاه می‌تواند بسیار متفاوت باشد. با این حال، در اینجا برخی از مشخصات رایج وجود دارد که ممکن است پیدا کنید:

به دست آوردن

این ضریب تقویت کننده الکترون است. این نسبت سیگنال خروجی به سیگنال ورودی است. ضرب کننده های الکترونی با بهره بالا می توانند سیگنال ها را با ضریب 10^6 یا بیشتر تقویت کنند.

مراحل Dynode

تعداد مراحل داینود می‌تواند بر بهره و خطی بودن ضرب‌کننده الکترون تأثیر بگذارد. مراحل بیشتر می تواند منجر به سود بیشتر شود، اما ممکن است اندازه و پیچیدگی دستگاه را نیز افزایش دهد.

جریان تاریک

این جریانی است که وقتی سیگنال ورودی وجود ندارد، از ضرب‌کننده الکترون عبور می‌کند. این اساساً سطح نویز دستگاه است. جریان تاریک کمتر به طور کلی بهتر است.

طول عمر

طول عمر یک ضریب الکترون مدت زمانی است که می تواند قبل از کاهش بهره به یک سطح معین (اغلب نصف بهره اولیه) کار کند. این می تواند تحت تأثیر عواملی مانند مواد داینودها و شرایط عملیاتی قرار گیرد.

ولتاژ

ولتاژ کار ضریب الکترون. ولتاژهای بالاتر می تواند منجر به بهره بیشتر شود، اما ممکن است خطر آسیب به دستگاه را نیز افزایش دهد.

اندازه و شکل

ابعاد فیزیکی ضرب‌کننده الکترون می‌تواند مهم باشد، به‌ویژه برای کاربردهایی که فضا محدود است. شکل ضرب کننده الکترون (به عنوان مثال، خطی، دایره ای) نیز می تواند بر عملکرد آن تأثیر بگذارد.

زمان پاسخگویی

این مدت زمانی است که ضرب‌کننده الکترون به سیگنال ورودی پاسخ می‌دهد. زمان پاسخ سریعتر می تواند برای برنامه هایی که سیگنال به سرعت تغییر می کند مهم باشد.

دمای عملیاتی

محدوده دمایی که در آن ضرب‌کننده الکترون می‌تواند به طور موثر عمل کند.

انواع

چندین نوع ضرب کننده الکترون وجود دارد که هر کدام طراحی و کاربرد منحصر به فرد خود را دارند. در اینجا چند مورد از رایج ترین انواع آن آورده شده است:

ضریب پیوسته الکترون Dynode (ضریب الکترون کانال، CEM)

این نوع ضریب الکترون از یک تکه شیشه یا سرامیک ساخته می شود که به شکل یک قیف یا یک کانال منحنی شکل می گیرد. داخل کانال با ماده ای پوشیده شده است که الکترون های ثانویه ساطع می کند. همانطور که یک الکترون در کانال حرکت می کند، باعث ایجاد آبشاری از الکترون های ثانویه می شود که سیگنال را تقویت می کند. CEM ها اغلب در طیف سنجی جرمی و سایر کاربردهایی که به بهره بالا و نویز کم نیاز است استفاده می شود.

شکل 4: آشکارساز ضرب کننده الکترون داینود پیوسته. 

ضریب الکترون گسسته Dynode

این نوع ضریب الکترون دارای یک سری داینودهای مجزا است که هر کدام از آنها با برخورد الکترون الکترون های ثانویه ساطع می کنند. داینودها معمولاً در یک الگوی خطی یا دایره ای مرتب می شوند. ضرب‌کننده‌های الکترونی داینود گسسته می‌توانند بهره بسیار بالایی را ارائه دهند و اغلب در لوله‌های مولتی‌پلایر نوری و سایر کاربردهایی که حساسیت شدید مورد نیاز است، استفاده می‌شوند.

شکل 5: نمودار ضرب کننده الکترون گسسته و پیوسته.

ضریب الکترونی صفحه میکروکانال (MCP).

این نوع ضرب‌کننده الکترون از صفحه‌ای با میلیون‌ها کانال موازی کوچک تشکیل شده است. هر کانال مانند یک ضرب‌کننده الکترون داینود پیوسته کوچک عمل می‌کند. MCP ها می توانند بهره بالا و زمان پاسخ سریع را ارائه دهند و اغلب در برنامه های تصویربرداری مانند دستگاه های دید در شب و انواع خاصی از تلسکوپ ها استفاده می شوند.

لوله های مولتی پلایر نوری (PMT)

در حالی که از نظر فنی دستگاهی است که از ضرب‌کننده‌های الکترون داینود گسسته استفاده می‌کند، PMT‌ها به دلیل کاربرد گسترده‌شان شایسته ذکر جداگانه هستند. آنها آشکارسازهای بسیار حساس نور در محدوده فرابنفش، مرئی و نزدیک به فروسرخ هستند. فوتون های نور وارد PMT می شوند و به فوتوکاتد برخورد می کنند که الکترون هایی از خود ساطع می کند که سپس توسط داینودها ضرب می شوند.

شکل 6: نمای شماتیک یک فتومولتیپلایر جفت شده به یک سوسوزن، که تشخیص پرتوهای گاما را نشان می دهد. 

ویژگی ها

ضریب های الکترونی دارای چندین ویژگی کلیدی هستند که آنها را در انواع کاربردهای علمی و فنی مفید می کند. در اینجا برخی از مهم ترین ویژگی ها آورده شده است:

سود بالا

ضرب کننده های الکترونی می توانند سیگنال ها را با ضریب 10^6 یا بیشتر تقویت کنند. این باعث می شود که آنها برای تشخیص سیگنال های ضعیفی که در غیر این صورت اندازه گیری آنها دشوار است، ایده آل باشند.

زمان پاسخگویی سریع

ضرب‌کننده‌های الکترونی می‌توانند خیلی سریع به تغییرات سیگنال ورودی، اغلب در محدوده نانوثانیه، پاسخ دهند. این باعث می شود آنها برای برنامه هایی مفید باشند که سیگنال به سرعت تغییر می کند.

نویز کم

فرآیند انتشار الکترون ثانویه مورد استفاده در ضرب‌کننده‌های الکترون، ذاتاً نویز کم است، به‌ویژه در ضرب‌کننده‌های الکترونی داینود پیوسته. این بدان معنی است که سیگنال را می توان بدون اضافه کردن نویز اضافی تقویت کرد.

محدوده دینامیکی گسترده

ضرب‌کننده‌های الکترونی می‌توانند طیف وسیعی از سطوح سیگنال ورودی را کنترل کنند. این باعث می شود آنها همه کاره و مناسب برای کاربردهای مختلف باشند.

اندازه فشرده

بسیاری از انواع ضرب‌کننده‌های الکترونی، به‌ویژه انواع داینودی پیوسته و صفحات میکروکانالی، نسبتاً کوچک و سبک هستند. این باعث می شود آنها برای کاربردهایی که فضا محدود است مناسب باشند.

ماندگاری

ضرب‌کننده‌های الکترونی معمولاً از مواد مستحکم ساخته می‌شوند و می‌توانند در شرایط عملیاتی سخت مقاومت کنند. این باعث می شود که آنها برای استفاده در محیط های مختلف، از ابزار آزمایشگاهی گرفته تا کاوشگرهای فضایی، مناسب باشند.

تطبیق پذیری

از ضرب‌کننده‌های الکترونی می‌توان برای تشخیص سیگنال‌های مختلف، از فوتون‌های نور گرفته تا ذرات باردار استفاده کرد. این باعث می شود آنها در طیف گسترده ای از زمینه های علمی و فنی از جمله فیزیک، شیمی، نجوم و مهندسی مفید باشند.

حساسیت

ضرب‌کننده‌های الکترونی، به‌ویژه زمانی که در دستگاه‌هایی مانند لوله‌های فتو ضرب‌کننده استفاده می‌شوند، می‌توانند سطوح بسیار کم نور را تشخیص دهند و به آشکارسازهایی بسیار حساس تبدیل شوند.

ساخت

فرآیند تولید ضرب‌کننده‌های الکترون می‌تواند بسته به نوع ضریب (به عنوان مثال، داینود پیوسته، داینود گسسته، یا صفحه میکرو کانال) و الزامات طراحی خاص متفاوت باشد. با این حال، در اینجا یک مرور کلی از روند وجود دارد:

انتخاب مواد

اولین قدم انتخاب مواد مناسب است. داینودها (یا کانال‌ها، در مورد داینود پیوسته یا ضرب‌کننده صفحه میکروکانالی) معمولاً از ماده‌ای ساخته می‌شوند که در هنگام برخورد با یک الکترون پرانرژی، الکترون‌های ثانویه ساطع می‌کنند. این ماده همچنین باید دارای مقاومت کافی بالا باشد. این می تواند یک نوع شیشه یا سرامیک یا فلزی مانند مس یا نیکل باشد.

شکل دادن

سپس مواد به شکل دلخواه در می آیند. یک ضرب کننده داینود گسسته شامل تشکیل داینودهای مجزا و مرتب کردن آنها در یک الگوی خطی یا دایره ای است. برای یک داینود پیوسته یا ضرب‌کننده صفحه میکروکانال، این شامل تشکیل یک تکه ماده به شکل قیف یا کانال یا صفحه‌ای با کانال‌های موازی بسیار کوچک است.

پوشش

سپس داینودها یا کانال ها با یک ماده ثانویه تابش الکترون پوشیده می شوند. این اغلب نوعی ماده نیمه هادی است، مانند اکسید سزیم یا بریلیم. فرآیند پوشش می تواند شامل تکنیک هایی مانند کندوپاش یا رسوب بخار شیمیایی باشد.

مونتاژ

سپس داینودها یا کانال‌ها در دستگاه ضرب‌کننده الکترون نهایی مونتاژ می‌شوند. این شامل قرار دادن آنها در یک لوله خلاء و اتصال اتصالات الکتریکی لازم است. در مورد یک ضرب کننده داینود گسسته، داینودها معمولاً در یک سری با مقاومت ها متصل می شوند.

تست کردن

مرحله آخر آزمایش ضرب‌کننده الکترون برای اطمینان از مطابقت با مشخصات مورد نیاز است. این شامل اعمال یک ولتاژ به ضریب و اندازه گیری بهره، سطح نویز و سایر ویژگی های عملکرد است.

آب بندی

هنگامی که ضرب کننده الکترون آزمایشات را پشت سر گذاشت، برای حفظ خلاء و محافظت از اجزای داخلی، مهر و موم می شود.

این یک نمای کلی ساده از فرآیند است و مراحل دقیق بسته به تکنیک های طراحی و ساخت خاص می تواند متفاوت باشد. همچنین شایان ذکر است که تولید ضرب‌کننده‌های الکترونی به دقت و کنترل کیفیت بالایی نیاز دارد، زیرا حتی نقص‌های کوچک نیز می‌تواند عملکرد دستگاه را تحت تأثیر قرار دهد.

برنامه های کاربردی

ضرب‌کننده‌های الکترونی به دلیل توانایی در تشخیص و تقویت سیگنال‌های ضعیف در کاربردهای مختلفی استفاده می‌شوند. در اینجا برخی از رایج ترین برنامه ها آورده شده است:

طیف سنجی جرمی

در طیف‌سنجی جرمی، از ضرب‌کننده‌های الکترونی برای شناسایی و تقویت سیگنال‌های یون‌هایی که با نسبت جرم به بار آنها جدا شده‌اند، استفاده می‌شود. این امکان شناسایی و تعیین کمیت اجزای یک نمونه را فراهم می کند

شکل 7: طیف سنجی جرمی. 

آشکارسازهای ذرات

ضرب‌کننده‌های الکترونی در انواع مختلفی از آشکارسازهای ذرات، مانند آن‌هایی که در فیزیک هسته‌ای و ذرات استفاده می‌شوند، استفاده می‌شوند. آنها می توانند سیگنال های ذرات باردار را تشخیص داده و تقویت کنند و امکان تشخیص رویدادهای بسیار نادر را نیز فراهم کنند.

تلسکوپ و نجوم

ضرب‌کننده‌های الکترونی، به‌ویژه انواع صفحه میکروکانالی (MCP)، در برخی از انواع تلسکوپ‌ها برای شناسایی و تقویت سیگنال‌های نوری از ستارگان و کهکشان‌های دور استفاده می‌شوند. آنها همچنین می توانند در طیف سنج ها برای تجزیه و تحلیل نور این اجسام استفاده شوند.

دستگاه های دید در شب

ضرب‌کننده‌های الکترون MCP در دستگاه‌های دید در شب برای تقویت سیگنال‌های ضعیف نوری که در شب در دسترس هستند استفاده می‌شوند. این اجازه می دهد تا یک تصویر قابل مشاهده حتی در تاریکی تقریبا کامل ایجاد کنید.

شکل 8: یک لودر نیروی هوایی سلطنتی هنگام بلند شدن هلیکوپتر پوما از بغداد، عراق، به طور کامل از عینک دید در شب خود استفاده می کند. 

لوله های فتومولتیپلایر

این دستگاه‌ها که از ضرب‌کننده‌های الکترونی داینود گسسته استفاده می‌کنند، آشکارسازهای بسیار حساس نور در محدوده‌های فرابنفش، مرئی و نزدیک به فروسرخ هستند. آنها در طیف گسترده ای از کاربردها، از تصویربرداری پزشکی گرفته تا فیزیک ذرات استفاده می شوند.

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)

در SEM، یک ضرب‌کننده الکترون می‌تواند برای شناسایی الکترون‌های ثانویه استفاده شود که از یک نمونه هنگام اسکن توسط پرتو متمرکزی از الکترون‌ها ساطع می‌شوند. این امکان ایجاد تصاویر با وضوح بالا از سطح نمونه را فراهم می کند.

شکل 9: آزمایشگاه میکروسکوپ الکترونی (SEM) در موسسه شیمی فیزیک J. Heyrovsky از CAoS.

کاوشگرهای فضایی و ماهواره ها

ضرب‌کننده‌های الکترونی در ابزارهای روی کاوشگرهای فضایی و ماهواره‌ها برای شناسایی و اندازه‌گیری ذرات و تشعشعات در فضا استفاده می‌شوند. آنها به دلیل حساسیت، دوام و توانایی عملکرد در شرایط سخت فضا انتخاب می شوند.

منبع

globalspec