CERN LIBRARIES, GENEVAcds.cern.ch/record/126147/files/CM-P00100700.pdf · cern libraries, geneva cm-p00100700 ussr academy of sciences, i.v. kurchatov atomic energy institute (order

CERN LIBRARIES, GENEVA

CM-P00100700

USSR ACADEMY OF SCIENCES, I.V. KURCHATOV ATOMIC ENERGY INSTITUTE (ORDER OF LENIN)

IAE - 3124

EFFECTS OF MAGNETIC FIELDS UPON CHANNEL ELECTRON MULTIPLIERS AND MICROCHANNEL PLATES

V.Kh. Liechtenstein, G.V. Alekseev

Moscow 1979

Translated at CERN by B.C. Hodge (Original: Russian)

Owing to a shortage of staff and in order to avoid errors, mathematical formulae are no longer inserted in the translation but are replaced by reference numbers corresponding to those indicated in the attached original.

(CERN Trans. 80-02)

Geneva October 1980

Key words: radiation detection, channel electron multipliers, micro-channel plates, magnetic field, division, recording efficiency, α-particles.

When using radiation detectors based on channel electron multipliers and microchannel plates in plasma research, an important question arises concerning the effect of external magnetic fields on their characteristics. The present paper is devoted to a systematic study of this question, with regard to two Soviet instruments using a continuous emitter: the type VEU-6 spiral multiplier and the type MKP-28-19 microchannel plate (channel diameter 20 microns). For the first time in such experiments, using the same specimens, measurements were carried out in both the analog and counting recording modes. The present paper makes a detailed study of the main laws of the influence of magnetic fields in a wide range of values (magnetic induction ranging from 10 to 2500 G) and directions (slope angle ranging from О to 360°) on the amplification factor, recording efficiency and shape of the amplitude distribution of the detector output pulses. An analysis is made of the role of the supply voltage and parameters of the counting/recording circuit. An examination is made of the contribution of the individual parts of the channel electron multiplier to the general variation in the amplifica-tion factor of the multiplier. A comparison is made of the analog and counting recording modes, from the standpoint of the effect of the magnetic field on the detector reading. A discussion is included of the physical mechanisms which are responsible for the change in the amplifica-tion of channel electron multipliers and microchannel plates in the presence of magnetic fields. On the basis of the results obtained in this work, practical recommendations are established in order not only to minimize the effect of magnetic fields on channel electron multipliers and microchannel plates, but also, in certain cases, to use them in order to improve the characteristics of the detectors.

1. INTRODUCTION

At present, increasing use is being made of channel electron multipliers (СЕМ) and microchannel plates (MP) as small-current secondary-emission

detectors of corpuscular, soft X-ray and ultra-violet radia-tion of plasma. These detectors have a number of well-known advantages over multipliers based on discrete diode systems (see, for example,/1/).

In order to make effective use of СЕМ's and MP's in plasma experiments, it is essential to ascertain their sensitivity to scattered magnetic fields, the source of which may be both the dispersion elements of the various analysers used in conjunction with the detectors mentioned, and the actual experimental installations.

It should be pointed out that, in view of the complex nature of the electronic multiplication process in the channel, and the presence of non-linear effects (the influence of space and surface charges, feed-back ion effects), as well as the two-dimensional space configuration of the continuous СЕМ emitter, a theoretical calculation of the effect of the magnetic field on the СЕМ and MP is particularly difficult. There are a number of experimental papers/1-8/, produced outside the USSR, dealing with the behaviour of СЕМ's and MP's in a magnetic field, but the data published are extremely limited (they give only the counting mode, a short range of magnetic field variations, and no systematic data concerning the field direction), and in a number of cases (see for example /2/ and /3/, /7/ and /8/) are even contradictory. This is, in our opinion, due to the different and uncontrolled conditions in which the experiments were performed, and to a number of method errors which crept into the measurements. Thus, in paper /7/, the effect of the magnetic field on the MP was assessed by means of a type СЕМ model, and no account was taken of the possible losses of photo-electrons in the fairly wide photocathode-MP gap. The authors of paper /8/ dispensed with the use of a photocathode; however, here too, as in /7/, the experiments were carried out on a herringbone block of two MP's separated by a 0.2 mm gap, which with large transverse magnetic fields, could also distort measurement results.

The present paper attempts to perform a systematic study of the effect of magnetic fields on СЕМ's and MP's both in the counting and analog modes using a method which ensures an unambiguous interpretation of the measurement results. The purpose of the paper is to study experi-mentally the fundamental laws of the behaviour of СЕМ's and MP's in magnetic fields and the drawing up of corresponding recommendations for specialists who use these instruments. In order to carry out the studies, the choice fell on the two most promising series-produced instruments (from the standpoint of their use for the diagnosis of plasma): the VEU-6* channel multiplier and the MKP-28-19 microchannel plate.

II. APPARATUS AND EXPERIMENTAL PROCEDURE

1. Magnet

In order to provide a uniform magnetic field, an electromagnet was made with round pole-pieces having a diameter D = 230 mm and an inter-pole gap of d = 48 mm. The inter-pole gap dimension made it pos-sible to accommodate the vacuum chamber with the instruments which were being studied, and set them at any angle in relation to the magnetic field vector. The geometry of the magnet satisfies the well-known condi-tion of field uniformity: D ≥ 4 d + A (A= dimension of the working region); in our case A 35 mm. The size and uniformity of the mag-netic field in the working region was checked by a type SH1-7 magnetic induction meter, having an absolute error of ±(1.5 + )%. It was established that the non-uniformity in the magnetic field in the magnet working region did not exceed 1.5%. The maximum size of the magnetic field in the gap was 2500 G. The magnet supply was provided by a type VS-26 stabilized rectifier. There was no compensation of the earth's magnetic field.

*This СЕМ was produced on the initiative and with the participation of our Institute.

2. Equipment examined and source of radiation

Two series-type instruments were selected for the investiga-tions: a channel multiplier in the form of a spatial spiral with a funnel-type input of the type VEU-6 /9/ (inside diameter of channel: 1.5 mm) and a microchannel plate MKP-28-19 (channel diameter 20 microns, angle between channel axis and surface of the plate: 84°).

The experiments were performed using an α-particle radioactive source having an energy of 5 MeV on a plutonium Pu239 isotope base, with a radioactivity of 1 millicurie. The half-life of Pu239 is 2.4 × 104 years. The source was in the form of an armoured stainless steel disc measuring 22 mm in diameter, with an active surface area of 3.14 cm2. The source was fixed at a distance of 5 mm in front of the instrument being examined, and the entire input part of the СЕМ or MP was uniformly irradiated. The flow of incident α-particles could be adjusted by a collimator with an intensity range of 10-106 particles/ second, and this made it possible to produce a multiplier output signal, in the absence of a magnetic field, which was 4 - 5 orders of magnitude greater than the background. The large energy of the α-particle in combination with the small distance between the source and the instru-ment being examined ensured that the incident flow of particles did not vary during a modification in the magnetic field throughout the range of values examined.

3. Test procedure

The external appearance and schematic layout of the experi-mental equipment are shown in figures 1 and 2 respectively. The instru-ment under examination, together with the α-source firmly secured in front of it, were inserted in a vacuum chamber (p 5 × 10-6 torr), lo-cated between the poles of the magnet, and a mobile drive system enabled them to be rotated in the magnetic field.

In view of the geometry of the experiment (see figure 3) it was possible to produce all of the magnetic field directions which

were most characteristic of the specific design of equipment. In the experiments on the СЕМ (figure 3a), the instrument was located in such a manner that the magnetic induction vector lay in a plane which passed through the axis of the cone-shaped input and the axis of the spiral part of the channel. The magnetic field slope angle Ø was calculated

from the input axis of the СЕМ and the three field directions were ascertained: the longitudinal direction (the magnetic induction vec-tor is parallel to the input axis of the СЕМ), the transverse direction (the magnetic induction vector is perpendicular to the input axis of the СЕМ) and the axial direction (the magnetic induction vector is parallel to the axis of the spiral part of the channel). In the case of the MP (figure 3b) the only directions determined were the longitudinal (magnetic induction vector parallel to the normal to the MP surface) and the transverse directions (magnetic induction vector perpendicular to the normal to the MP surface).

In view of the possibility of using the СЕМ's and MP's in two different radiation recording modes, the effect of the magnetic field on their characteristics was studied both in the multiplier's average- output current measurement mode (analog mode), and in the individual pulse counting and amplitude analysis mode. A block diagram of the measure-ments and the apparatus used is shown in figure 4. In the analog mode, the measurements were performed with a series-type U-l-2 current ampli-fier. In order to amplify the СЕМ and MP pulses use was made, in the counting mode, of a laboratory charge-sensitive pre-amplifier with a low noise level (Qn 5 × 10-17 К). From the pre-amplifier output the signal was fed to a counting spectrometer circuit (see figure 4) with

a dynamic range of ~ 1000. The parameters indicated for the counting-recording apparatus provided /12/ a sufficient overlap of the curves of

the amplitude distributions of the output pulses from the СЕМ's and MP's in a wide range of variation in the average amplification of the multi-pliers.

In the analog mode, studies were made of the influence of the magnetic field on the amplification factor of the СЕМ and MP. The variation in the amplification factor was determined according to the

size of the variation in the output current of the multiplier in the presence of a magnetic field (for a constant input of α-particles).

In the counting mode, studies were made of the influence of the magnetic field on recording efficiency (by varying the counting rate) and shape of the output pulse amplitude distribution. After calibrating the spectrometer circuit used by the well-known technique /10/, we were also able tc determine the absolute value of the mean amplification factor of the СЕМ and MP in the presence of a magnetic field.

During all the measurements, the multiplier input was fed with a high negative voltage, and the output signal was taken from an anode located under the earth potential. In the experiments with the MP, the design used was based on a single plate, and in order to minimize the effect of the anode unit on measurement results, the anode was located at 40 microns from the output end of the MP.

The relative error when performing measurements of the effect of the magnetic field on the СЕМ and MP characteristics is comprised,

in our conditions, of the relative error due to random variations in the working mode of the magnet,the instrument under examination or measuring circuit, and the error when measuring the output signal. As the ap-paratus used was stabilized (see figure 4), the first component of the measurement error did not exceed 3%, the second was practically entirely due to statistical fluctuations in the output signal and consequently depended both on the size of the incident particle flux and on the multiplier amplification factor (in the analog mode).

The overall error in determining the variation in the ampli-fication factor and the recording efficiency in the presence of a magnetic field was estimated to be 20 and 30% respectively.

III. EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION

1. Effect of magnetic fields on the СЕМ in the analog recording mode

The effect of magnetic fields on the СЕМ readings in the analog recording mode is determined by the variation of its amplifica-tion factor in the presence of the field. As the measurements showed, the effect of the magnetic field on the amplification of the СЕМ depends, to a considerable extent, on its size and direction, and on the supply voltage. Despite the fact that the influences of all of these three factors are interlinked, it is worthwhile examining the part played by each of them separately.

1.1. Influence of the size of the magnetic field

Figures 5, 6 and 7 show the dependence of the amplification factor of the СЕМ on the size of the magnetic field of three character-istic directions, recorded at different supply voltages. These curves, like of all of the subsequent curves, were normalized to the size of the СЕМ amplification factor in the absence of a magnetic field. It can be seen that at fields of up to 200 G, depending on their direc-tion and on the supply voltage of the СЕМ, there may be either a reduc-tion in the amplification by one order of magnitude (figure 5a, curve 3) and an increase in it by several times (figure 6b, curve 3). A further increase in the magnetic field in any direction leads to a steady reduc-tion in the amplification of the СЕМ, and at В = 250-350 G (depending on the supply voltage) the amplification does not exceed 1% of the initial value.

1.2. Effect of the direction of the magnetic field

As can be seen from the curves shown in figures 5, 6 and 7, the orientation of the СЕМ in a magnetic field may have a qualitative and quantitative effect on the variation in the amplification factor, and the pattern is essentially asymmetrical in relation to the direction

of the magnetic field. This effect is particularly marked in the case

of the transverse (figure 6) and axial (figure 7) directions of the

field for a supply voltage of 4 kV: thus, at an angle of Ø = 270° (255°)

and a field value of 250 G, the СЕМ amplification factor still exceeds its initial value, but when the field changed to the opposite direction (Ø = 90° or Ø = 75°) the amplification falls by almost three orders of

magnitude.

The influence of the magnetic direction is

very fully illustrated in figure 8, which shows the dependence of

the amplification factor of the СЕМ on a magnetic field slope angle Ø

which has a different value in relation to the input axis of the instru-

ment. An analysis of the curves shown in figure 8 reveals a number of

important laws.

1. As follows from figure 8, the dependence of the amplifica-

tion of the СЕМ on the magnetic field slope angle is of a regular character, and the general functional appearance of the dependence ( 1 ) is identical for the whole range of magnetic fields examined. At the same time, the extent of the influence of the direction of the magnetic field on the СЕМ's amplification increases as the value В grows.

2. The greatest influence on the amplification of the СЕМ is provided by a magnetic field directed along the axis of the spiral part of the multiplier (Ø = 75°, 255°), in which case, depending on the direction of the magnetic induction vector, the axial field may be

both very favourable (from the standpoint of the possibility of ob-

taining the maximum amplification for a given magnetic field value) at

Ø = 255°, and very undesirable (Ø = 75°). The transverse field has

approximately the same action on the СЕМ as the axial field.

3. The longitudinal field (Ø = 0°, 180°) has less influence on the amplification of the СЕМ than the transverse and axial fields, although in this case too the change in the direction of the field to the opposite one may have a marked effect on the amplification of the СЕМ. Corresponding to the most favourable direction of the longitudinal

field is the value Ø = 180°, and corresponding to the least desirable, the value Ø = 0°.

The particularly strong influence of the axial (and of the near-

by transverse) magnetic field on the amplification of the СЕМ can be explained as follows. As shown in paper /15/, the amplification of the electron flux in the curved channel without a magnetic field results from the interaction of electrons with both the internal and external walls of the channel, but the contribution of the processes on the internal and external walls to the general amplification of the СЕМ may not be identical. In the presence of a magnetic field component which is perpendicular to the axial electrical field in the channel, there may occur a transverse transfer of electrons, which, when the magnetic field is favourably directed, leads to an increase in the amplification of the СЕМ owing to the supplementary multiplication of electrons on the internal wall of the channel, and when placed in an unfavourable field direction may lead to a sharp drop in the amplification owing to the small transit of electrons. The unsteady character of the effect of the transverse fields in the range up to 180 G (see figure 6.7) is probably due to the optimization (from the standpoint of obtaining the maximum amplification) of the number of effective secondary electron collisions with the internal and external walls of the channel. A certain contribution to the variation in the amplification of the СЕМ in the presence of transverse fields is also provided (as will be seen later) by the processes of multiplication and spillage of electrons in the input portion of the СЕМ (cone and straight section of the channel).

In the presence of a longitudinal magnetic field, the slight increase in the amplification of the СЕМ is, apparently, due to the rise in the secondary-electron emission factor, due to the grazing angle of incidence of the electrons,which begin to move in the channel along helical trajectories. With the increase in the longitudinal magnetic field, when the Larmor radius of a secondary electron ( 2 ) falls to a value of the order of the radius of the channel ( 3 ) , the amplification of the СЕМ should start to fall owing to a drop in the number of effective collisions of electrons with the wall. Having posed ( 4 )

we obtain, taking into account the channel dimensions ( 5 )

and the data concerning the average energy of the electrons emitted in

the channel made of high-lead glass (6 eV) taken from paper /14/,

( 7 ) G , which agrees well (see figure 5) with the results of

the experiment described.

The simple considerations set out above should, generally

speaking, be invariant in respect of the vector , but this is not

observed during measurements. In order to explain this, one should bear

in mind the fact that Ø angle values of О° and 180° (see figure 3), the magnetic field is strictly longitudinal only for the input cone of the СЕМ and the straight section of the channel which follows it (the dimensions of which do not, altogether, exceed 30% of the total length of the СЕМ), and in the remaining (spiral) part, the СЕМ has a marked transverse component, whose action (as was shown above) may already depend on the field direction.

1.3. Effect of the supply voltage for the СЕМ

As follows from the curves given in figures 5, 6 and 7, the supply voltage has a substantial effect on the variation in the amplifica-tion of the СЕМ in the presence of a magnetic field, and the character of this influence depends both on the size and direction of the latter. In the range of magnetic fields measured (< 100 G), an increase in the supply voltage leads both to a rise and to a fall in the amplification of the СЕМ as a function of the field direction. For larger magnetic fields, the dependence of the amplification on the supply voltage steadily increases.

A most complete illustration of the effect of the supply voltage on the stability of the СЕМ's amplification factor when sub-jected to various magnetic fields is given in figure 9, which shows the changes in the amplification of the СЕМ in the presence of a mag-netic field, as a function of the supply voltage. Here, to simplify comparison, the relative amplification coefficient M/M0 at various voltages was normalized to the value of the relative coefficient of

amplification of the СЕМ at a supply voltage of 2.4 kV. As follows from figure 9, an increase in the supply voltage normally leads to an in-crease in the stability of the СЕМ in the presence of magnetic fields, which is explained by the increase in the speed of the secondary electrons in the channel, and in large magnetic fields the influence of the supply voltage is particularly great. It can also be seen that the degree of influence exerted by the supply voltage on amplification depends also on the orientation of the СЕМ in the magnetic field: the most effective is the voltage increase in the presence of an axial magnetic field where

Ø = 75°, and the least effective in the presence of a transverse field

where Ø = 270°.

In certain directions of the magnetic field, if its value

does not exceed 75 G, there may occur a slight reduction in the relative

amplification of the СЕМ when the supply voltage is increased (transverse field, curve 1 in figure 9).

Figure 10 shows the measurement results of the СЕМ's amplifica-tion as a function of the magnetic field slope angle at various supply voltages and a fixed value B.

As follows from the curves shown in figure 10, a variation in the supply voltage of the СЕМ does not have any effect on the overall character of the dependence of amplification on field direction, and at the same time the degree of influence exerted by the orientation of the СЕМ on amplification depends strongly on supply voltage. Thus at a voltage of 4 kV and a field of 150 G (curve 3) the amplification factor of the СЕМ in the case of the most favourably directed magnetic field is approximately 10 times greater than the value given by the least desirable direction. However, this ratio is 28 in the case of a voltage of 3 kV (curve 2) and already exceeds 800 at a voltage of 2.4 kV.

2. Effect of the magnetic field on the СЕМ in the counting record-ing mode

When the СЕМ is operating in the pulse counting mode,the in-fluence of the magnetic field is characterized above all by the dependence of the recording efficiency on the value and direction of .

Figure 11 sets out normalized dependences for the counting rate of the output pulses of the СЕМ (recording efficiency) on the size of the magnetic field of two characteristic orientations, at a supply voltage of 3 kV and a discrimination threshold corresponding to 0.02 of the most probable amplitude of the pulses*. It is obvious that for a constant intensity of α-particles at the СЕМ input, the variation in the counting rate under the effect of the magnetic field characterizes the variation in recording efficiency. This same figure provides the data taken from paper /3/ concerning the effect of the magnetic field on a СЕМ of the Bendix 4010 type, in the form of a flat spiral, for the same supply voltage. As follows from the curve shown, for a longitudinal field and an angle Ø = 0°, the recording efficiency of the

СЕМ studied remains constant up to 150 G, and then falls fairly sharply, falling to half at B11 = 180 G, and becoming close to zero at B 1 1 = 225 G. For an axial field at Ø = 255° (the most favourable

direction) the recording efficiency does not change up to 260 G and

reaches zero at 325 G. It can also be seen that for a СЕМ of the Bendix 4010 type (figures 4 and 3), the length of the plateau of the dependences ( 7 a ) for the longitudinal and transverse direc-tions of the magnetic field is 50 and 75 G respectively, i.e. 3 times less than in the VEU-6 studied. It should, however, be pointed out that

*Before this, measurements were made of the counting charac-teristics and amplitude distributions of the СЕМ pulses, and it was established, in the absence of a magnetic field, that in our conditions this mode provides a recording efficiency close to maximum for a minimum background signal level.

in view of the different geometry of the input portion of the СЕМ, and also the uncontrolled differences in the parameters of the counting/ amplifying circuit and other experimental conditions, the conclusion drawn from the above comparison concerning the higher stability to external magnetic fields of the СЕМ with a cone-shaped input and an emitter in the form of a spatial spiral (VEU-6) is of a preliminary nature and calls for additional experimental verification.

It is of interest, in particular from the practical standpoint, to compare the sensitivity of the VEU-6 to magnetic fields in the same conditions in the analog and counting modes. If we turn to the experi-mental data we obtained, it can be seen that, for example, in the case of a longitudinal magnetic field where Ø = 0° and the supply voltage is

3 kV (figure 5a, curve 2), the value of the magnetic field corresponding

to a two-fold reduction in the sensitivity of the СЕМ in the analog mode is about 100 G; in the same conditions (figure 11, curve 1) a two-fold reduction in recording efficiency in the individual particle count-ing mode is observed at В = 180 G, i.e. in a magnetic field which is almost twice as large.

As will be shown below, the varying stability of the СЕМ to magnetic fields in the analog and counting modes is explained by the shape of the amplitude distribution (AD) of the СЕМ pulses and by the character of its variation in the absence of a magnetic field.

Figure 12 shows photographs of the typical amplitude distribu-tions of СЕМ pulses, which reflect the dynamics of the variation in the amplitude distribution under the influence of magnetic fields, in a longi-tudinal (Ø = 0°) and axial (transverse) direction. It also indicates the

value of the average amplification factor of the СЕМ (for α-particles with an energy of 5 MeV), calculated according to the value of the most probable charge in the pulse.

It can be seen that at a voltage of 3 kV, in the absence of a magnetic field, the amplitude distribution has a clearly marked maximum (figure 12.1); this, as we know, is due to the amplification saturation

effects /11/ in the output part of the channel. The value of the relative dispersion (3) (A0 = pulse amplitude at the AD maxi-mum, ΔA = half-width of the AD) of the pulse amplitudes of the СЕМ does not exceed in this mode the value (9). When a longitudinal magnetic field is present (figure 12.2) the AD widens uniformly, the amplification coefficient - and consequently also the value of the most probable pulse amplitude - fall, but as long as the majority of the C M pulses retain an amplitude which exceeds the discrimination threshold the variation in the counting rate is insignificant. A further increase in the longitudinal magnetic field (figure 12.3) is accompanied by a spreading of the maximum of the spectrum owing to an increase in the statistical fluctuations in the time-of-flight of the electron avalanche in the СЕМ channel, and also by a shift of the maximum towards the re-gion of the small amplitudes, which in size are comparable with the discrimination threshold. The combination of these two processes leads to a sharp increase in the number of pulses which are counted by the electronic circuit, i.e. to a reduction in recording efficiency.

Thus, the degree of stability of the СЕМ's readings in the magnetic field in the counting mode compared with the analog mode is determined by the ratio between the most probable pulse amplitude and the discrimination threshold of the counting apparatus, and also by the width of the AD of the output pulses. From the practical standpoint, this means that in order to minimize the effect of the longitudinal field in the counting mode it is necessary to choose a СЕМ with a high amplification (M ≥ 108), use for signal recording a low-background counting-amplifier apparatus (Q s h ≤ 5 × 10-17 Κ), which allows opera-tion at a low discrimination threshold in relation to the average pulse amplitude), and also select the optimum СЕМ supply voltage (from the standpoint of minimum pulse amplitude dispersion). Taking into account the fact that at certain СЕМ orientations in the magnetic field a spreading of the AD occurs towards the large amplitudes, the dynamic range of the discriminator should preferably have not less than 1000 output pulses (taking into account the need to cover the entire range).

The nature of the variation in the AD in the presence of transversely oriented magnetic fields (figures 12.4 - 12.6) is slightly different from that in the case of a longitudinal magnetic field. Thus, for a moderate field value (figure 12.4) an increase is observed in the most probable pulse amplitude, and there is a substantial increase in the intensity of the high-amplitude part of the spectrum. When the trans-verse magnetic field increases to values of В >200 G (figure 12.5), the most probable amplitude of the pulses falls, their dispersion increases, and there is then a unification† of the spectrum on the side of the high-amplitude

pulses. At fairly large fields (B >300 G), the peak of the AD is fully spread, although the impoverishment of the high-amplitude part of the spectrum remains.

An analysis of the measurement dynamics of the amplitude distributions of the СЕМ pulses makes it possible to obtain more detailed information concerning the mechanisms of the influence of the magnetic field on the multiplier's parameters. Thus, the above-described be-haviour of the high-amplitude part of the spectrum at values of

B < 300 G indicates the substantial part played by the input part of the СЕМ (the funnel and straight section), and also the pre-anode gap, in the process of a variation in the mean amplification of the СЕМ under the effect of transverse magnetic fields of a moderate size. In mag-netic fields larger than 300 G, the effect of the processes is apparently amplified in the spiral part of the channel. In order to check the above-mentioned assumptions the following experiment was performed. By reducing the supply voltage, the average amplification factor of the СЕМ in the absence of a magnetic field was reduced until it was ap-proximately equal to the amplification factor of the СЕМ in the presence of an axial magnetic field of 301 G *. The amplitude spectrum of the СЕМ in this mode is shown in figure 12.7 Comparing this spectrum with the spectrum in the presence of a magnetic field (figure 12.6), it is easy to see that, despite the fact that the average amplification of the СЕМ is identically small in both cases, the СЕМ spectrum in the magnetic

*When the supply voltage is reduced, the amplification of the СЕМ falls relatively uniformly in all of its sections.

†Translator's note : error for 'depletion'?

field is much less widely spread: the cut-off of the high-amplitude part is clearly defined in it (as has already been pointed out). The results obtained allow the assumption that at fairly large transverse magnetic fields, the electron avalanches which are produced in the initial section of the СЕМ pass through a substantial part of the sub-sequent section of the СЕМ without amplification; during this,electron losses may occur in the pre-anode space.

3. Effect of the magnetic field on the MP in the analog record-ing mode

The main characteristic effect of the magnetic field on the readings of the MP in the analog recording mode is the dependence of the amplification factor on the size and direction of the magnetic field. Using the same approach as that followed when setting out the results relating to the СЕМ, we shall analyze in detail the effects of these factors and also that of the supply voltage.

3.1. Influence of the size of the magnetic field

Figures 13 and 14 show the dependences of the amplification factor of the MP on the size of the magnetic field oriented in a longi-tudinal and transverse direction at various supply voltages.

In a longitudinal field (figure 13) of up to 1200 G we find, depending on the supply voltage, both a small increase (from 2 to 15%) and a reduction (2 - 3%) in the amplification factor, with a subsequent levelling out on to a plateau up to 2500 G.

In a transverse magnetic field (figure 14) of up to 1500 G a steady increase occurs in the amplification factor (from 50 to 300%) depending on the supply voltage; this is followed by a steady decrease, and at Β = 2500 G the amplification factor amounts to 0.2 - 0.4 of its initial value.

Thus, the stability of the amplification factor of the MP under the effect of magnetic fields is much higher than in the case of

the СЕМ, and this is explained by the short length of the electron trajectories when much larger gradients (20 - 30 times) exist in the electrical field in the channel. If, as in the case of the СЕМ, we use for an estimate of the influence of the longitudinal magnetic field the relation: ( 1 0 ) , we find that for the MP's studied and for a channel radius of ( 1 1 ) ~ 10 microns and Ε0 = 8 eV, the reduction in the amplification under the effect of the longitudinal magnetic field should start at ( 1 2 ) G , which substantially exceeds the values e obtained. The insignificant increase in the amplification of the СЕМ observed in the experiment in the presence of a longitudinal field is, apparently, explained by the influence of the transverse component of the magnetic field (the geometric axes of the channels are inclined at an angle of 6° in relation to the working surface of the MP), the mechanism of which is described below*.

The processes which occur in the channels of the MP in the presence of a transverse magnetic field are apparently similar to those occurring in the so-called СЕМ's with focusing in crossed fields (see for example /12/). In the presence of a magnetic field perpendicular to the plane of motion of the secondary electrons (normally produced by means of permanent magnets) and a radial transverse electrical field

(13), the trajectory of the electron flux along the channel is constituted in such a multiplier by the combinations of the sections of an elongated cycloid having a pitch of ( 1 4 ) /12/. As the magnetic field increases the number of electron collisions with the walls

( 1 5 )

*This assumption is based in particular on the experimental fact that the nature of the influence of the supply voltage on the effect of increasing the amplification of the MP in the presence of a magnetic field is identical for both the longitudinal and transverse directions of the latter.

(L = channel length), and consequently also the amplification factor of the channel, should increase, but in this case there will be a reduction in the energy acquired by the electrons during the collisions: (16)

Thus, at a certain magnetic field value corresponding to the optimum collision number (for a given supply voltage and channel geometry) the dependence of the amplification on В should have a maximum. During further amplification of the magnetic field, the electron length of passage between collisions will become insufficient for them to acquire an energy at which the emission factor exceeds unity. In such magnetic fields, the amplification of the multiplier begins to fall steadily. As can be seen from figure 14, the nature of the influence of a transverse magnetic field on the MP agrees qualitatively with the remarks made above. It is not considered possible to make sufficiently accurate quantitative estimates of the optimum value В owing to the absence of data concerning the value of the radial component of the electrical field in the channel ( 1 7 ) * . It would therefore seem necessary to take into account also the reduction in the contribution of ion feed-back. For a very rough estimate of the optimum magnetic field value we can use the results given in paper /13/, where the maximum amplification of the СЕМ with crossed fields at L = 55 mm and Uk = 1700 V was obtained at В = 400 G. The MP's we studied had L = 1 mm, Uk = 1000 V, i.e. the electric field strength in them was approximately 30 times greater than in the СЕМ's referred to. since ( 1 8 ) , the optimum magnetic field for the MP's should be 30 times greater than for the CEM's, i.e. it should be 400 G × √30 = 2200 G, which in terms of magnitude coin-cides with the experimentally observed value (В ~ 1500 G). It should be noted that the extreme nature of the dependence ( 1 9 ) for

*The radial component of the electrical field in the MP channel may, for example, arise as a result of a non-uniformity in the resistance of the conductive layer in the cross-section of the channel and· owing to the consequent passage of a current of radial potential differences.

the two MP's linked in a herringbone manner, with a channel diameter similar to that of our case, was observed in paper /7/ in a transverse field range of up to 2250 G.

3.2. Influence of magnetic field direction

From the curves given in figures 13 and 14, it can be seen that for both the longitudinal and transverse magnetic fields, a change in the field direction to the opposite one makes practically no change (unlike in the case of the СЕМ) in the value of the amplification factor of the MP, which fits into the framework of the above-mentioned elementary remarks concerning the mechanisms of the influence of the magnetic field on MP's, since their action should not depend on the direction of the vec-tor . A more precise illustration of the effect of the direction of the magnetic field is given in figure 15, which shows the family of dependences of the relative amplification factor of the MP on the slope angle of the magnetic field vector in relation to the normal to the working surface of the MP. The most important conclusion drawn from an analysis of the curves shown in this figure is that (also unlike in the case of the СЕМ) the nature of the dependence of the MP's amplifica-tion on its orientation in the magnetic field varies when the latter is increased. As can easily be seen, this is explained by the fact that the transverse magnetic field, depending on its size, changes the amplification of the MP to one side or the other. As a result, at magnetic fields of up to 1600 G (curves 1 - 7 in figure 15) the maximum amplification of the MP (for a given supply voltage) is achieved in the transverse field direction (most desirable direction) and the minimum amplification is attained in a longitudinal field direction (least favourable direction). When the magnetic field is increased by only 200 G, the situation is reversed.

3.3 Effect of the supply voltage of the MP

It has been established that the effect of the supply voltage on the stability of MP readings in the presence of magnetic fields depends on their direction. Thus, in the presence of longitudinal magnetic

fields (see figure 13) in the range studied, the influence of the voltage is not great and is expressed in the fact that when the voltage is in-creased, the amplification-increase effect of the MP decreases in the presence of a magnetic field. The effect of the supply voltage in the presence of a transverse field develops in a much stronger manner, and the nature of this influence becomes more complex, which is explained by the extreme form of the dependence ( 1 9 ) . As can be seen from the curves shown in figure 14, an increase in the supply voltage in-creases the stability of the MP in the presence of an increase in the amplification in a range of values B , corresponding to ( 2 0 ) , and diminishes the stability of the MP in the presence of a reduction in the amplification in a range of values B corresponding to ( 2 1 ) . The above law is conserved for transverse fields of up to 2200 - 2400 G (depending on the direction of the vector ). In the case of larger fields (see figure 14.b) an increase in voltage increases the stability of MP's in the presence of a reduction in amplification, in a similar manner to that which occurs in the case of the СЕМ.

4. Influence of the magnetic field on the MP in the counting recording mode

Figure 16 sets out the typical dependences of the MP pulse counting rate on the size of the magnetic field in two typical direc-tions, and show its influence on recording efficiency. The use of a low-background pre-amplifier made it possible to carry out the investiga-tions at a discrimination threshold corresponding to 0.1 of the average MP factor, having, at an average load of N = 4 × 103 pulses/second, a ratio of ~ 100 between the useful count and the background. As could be expected on the basis of MP investigations in the analog mode, the transverse field does not have an influence on the recording efficiency up to a maximum value of 2500 G, whereas in the presence of a trans-verse magnetic field it falls noticeably and at B = 2500 G amounts to 0.4 of the initial value. It should be noted that the reduction in MP effic-iency observed in the presence of a transverse field differs slightly from the reduction in the amplification factor of the MP in the same conditions (see figure 14). Thus, unlike in the case of the СЕМ, the radiation counting recording mode of the MP does not have specific

advantages over the analog mode from the standpoint of the influence of the magnetic field. In order to explain this, one should refer to the amplitude pulse spectra of the MP shown in figure 17 in the processed form in which they were used, in particular, when determining the aver-age amplification factor of the MP in the counting mode. As shown in figure 17, the MP pulse amplitude spectra have the form of a falling exponent, which, as we know, is due to the considerable statistical fluc-tuations of the channel amplification factor and the absence of saturation effects. In these conditions, the reduction in the mean amplification factor of the MP under the effect of the magnetic field is accompanied by an increase in the slope of the amplitude spectrum, i.e. by an increase in the spectrum in relation to the number of pulses, with an amplitude below the discrimination threshold, which are no longer recorded by the counting circuit. Thus, the rate of reduction in the recording efficiency of the MP in the presence of magnetic fields will obviously depend also on the discrimination threshold, and, if its value is too high, the recording efficiency may fall owing to the influence of the magnetic field more quickly than the average MP amplification factor. Here, it is worthwhile pointing out that the use of MP's in the form of a herringbone arrangement of several plates provides, in specified conditions, an amplitude spectrum with a maximum. The stability of such a system in the presence of magnetic fields in the counting mode may be higher than in the case of a single MP.

IV. CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS

1. Channel multipliers of the type VEU-6 may operate in magnetic fields of up to 150 - 200 G, and, depending on the supply voltage of the СЕМ and its orientation, the amplification may increase several times or fall by one order of magnitude.

2. When VEU-6 is located in experimental set-ups, particular attention must be paid to its orientation. The smallest influence on the amplification of the СЕМ is exerted by a magnetic field parallel to the axis of the input funnel, and the largest influence by a magnetic field parallel to the axis of the spiral portion of the channel; in the latter case the most favourable direction of the field vector is that

located to the anode side, and the most desirable is the opposite direc-tion. Consequently in order to minimize the effect of the magnetic field on the СЕМ's readings, it must be located in a parallel (longitudi-nal) field, and in order to achieve a maximum amplification factor (for a given value of magnetic field and supply voltage) the magnetic field must be located parallel to the axis of the spiral part of the channel and directed to the anode side of the СЕМ.

3. The supply voltage has a substantial influence on the behaviour of the СЕМ in magnetic fields, and consequently in order to increase the stability of the readings, its value should preferably be selected fairly high (not less than 3 kV) particularly in the case of large fields in an axial direction.

4. Since the multiplication processes and the collection of secondary electrons in the input funnel have an effect on the variation in the overall amplification of the СЕМ in the presence of a magnetic field, the stability of the readings when recording narrow-collimated beams (especially if they fall on the edge of the funnel) may be lower than when recording wide beams.

5. When making the appropriate choice of supply modes (see text) for the СЕМ and the parameters of the counting/amplification circuit, the effect of the magnetic field on their readings in the counting recording mode is much lower than in the anaolog mode.

6. The amplification of microchannel plates with a channel diameter of 20 mm, in the presence of longitudinal magnetic fields re-mains almost unchanged in the range studied up to 2500 G. In trans-verse fields of up to 1500 G, the amplification of the MP may increase several times (depending on the supply voltage), and then fall steadily; at 2500 G it is 0.2 - 0.4 of its initial value.

7. A change in the direction of the magnetic field to the opposite direction has practically no effect on the amplification of the MP.

8. When using single MP's, the counting recording mode has no advantage over the analog mode, from the viewpoint of stability in mag-netic fields, owing to the low amplification factor of the MP and the exponential shape of the amplitude spectrum. In order to minimize the influence of transverse fields on the MP readings in the counting mode, it is necessary to use low-noise pre-amplifiers (Qn ≤ 5 × 10-17 K), and also amplitude discriminators with a low (~ 1 MV) threshold and a high 1000) dynamic range.

In conclusion, the authors have pleasure in expressing their thanks to M.R. Ajnbund, who examined the manuscript and made a number of valuable comments, D.A. Panov for his support and interest in the paper, and also V.A. Zhil'tsov and A.G. Shcherbakov for a discussion of the results given in the paper.

REFERENCES

1. B.N. Bragin, A.E. Melamid. Electronics and their application, Moscow, 1977, 9, 102 2. C.P.Barnett, I.A.Ray, Rev.Sci.Instr., 1970, 41, 1665. 3. Y.B.Hahn et al, Rev.Sci.Instr., 1972, 43, 4, 695. 4. M.Hasimoto, P.Hayashi, Rev.Sci.Instr., 1973, 44, 8, 1125. 5. V.G.Blasek. Exp.Techn. der Phys., 1975, 5, 533. 6. T.L.Chewert, P.W.Zizewitz, Rev.Sci.Instr.48,12,1601 (1977). 7. I.S.Bateman,R.I.Apsimon,Nucl.Instr.and Meth.1976,137,61. 8. P.Falk, Nucl.Instr.and Meth. 1977, 1944, 355. 9. M.R. Ajnbund et al. Elektronnaya Tekhnika, 1975, 4, 9, 46. 10. B.V. Mar ' in, M.V. Tel'tsov. Pribory Tekh. Eksper. 1975, 1, 164. 11. G.Eschard et al. Acta Electronica,1971,14, 1, 19. 12. A.M. Tyutikov, UFN, 1970, 100, 3, 467. 13. G.W.Goodrich,W.C.Wiley,Rev.Sci.Instr. 32/7 (1961). 14. A.M. Yakobson, G.A. Chujko, Radiotekhnika i Elektronika, 1968, 9, 1682. 15. D.Loubet, C.Barat, Nucl.Instr.and Meth., 111, 441 (1973).

Figure 1. Experimental installation for studying the effect of magnetic fields on the characteristics of СЕМ's and MP's.

Figure 2. Layout of the installation: 1 - vacuum chamber, 2 - movable feed, 3 - pressure gauge lamp, 4 - electromagnet coil, 5 - pole-piece, 6 - electron multiplier under examination, 7 - a-source.

Figure 3. Layout of the experiment: a) with channel multiplier, b) with microchannel plate.

Figure 4. Block-diagram of measurements: 1 - electron multiplier under examination, 2 - stabilized rectifier VS-22, 3 - magnetic induction meter SHl-7, 4 - dc current amplifier Ul-2, 5 - charge-sensitive pre-amplifier, 6 - precise amplitude pulse generator, 7 - spectrometer amplifier, 8 - multichannel amplitude analyser AI-100-1, 9 - oscillograph Sl-27, 10 - ARS discriminator, 11 - ISS-3 ratemeter.

Figure 5. Influence of the longitudinal magnetic field on the amplification of a СЕМ as a function of its orientation and supply voltage: 1) - 2.4 kV, 2) - 3 kV, 3) - 4 kV; а) Ø = 0° , b) Ø = 180°.

Figure 6. Effect of the transverse magnetic field on the amplifica-

tion of a СЕМ as a function of its orientation and supply voltage: 1) - 2.4 kV, 2) - 3.0 kV, 3) - 4.0 kV; а) Ø = 90°, b) Ø = 270°.

Figure 7. Influence of an axial magnetic field on the amplification of a СЕМ as a function of its orientation and supply voltage : 1) - 2.4 kV, 2) - 3.0 kV, 3) - 4.0 kV; а) Ø = 75°; b) Ø = 255°.

Figure 8. Dependence of СЕМ amplification on the slope angle of the magnetic field for various field values: 1) - 25 G, 2) - 50 G, 3) - 75 G, 4) - 100 G, 5) - 125 G, 6) - 150 G, 7) - 175 G, 8) - 200 G. Supply voltage - 3 kV.

Figure 9. Relative variation in the amplification of the СЕМ in the presence of a magnetic field, as a function of the supply voltage. The magnetic field values were: 1) - 50 G, 2) - 125 G, 3) - 250 G. Direction: continuous line - longitudinal field, Ø = 180°; chain-dotted line -

transverse field, Ø = 270°; dashed line - axial field,

Ø = 75°.

Figure 10. Influence of magnetic field direction on the amplification of the СЕМ for various supply voltages: 1) - 2.4 kV, 2) - 3.0 kV, 3) - 4.0 kV В = 150 G.

Figure 11. Influence of mag-netic field on the СЕМ counting rate for the orientations with regard to the field and 3 kV supply voltage: a) our data: 1 - Ø = 0°, 2 - φ = 255°; Vdiscr. = 0.02 ; b) data of paper /3/ (Bendix 4010); 3 -magnetic field perpendicular, 4 - parallel to the plane of the spiral channel.

Figure 12. Amplitude distri-butions of the СЕМ pulses as a function of the magnetic field and supply voltages: 1) V - 3 kV,

Ø = 0°, В = 0 G, = 5 × 108, 2) V = 3 kV, Ø = 0°, В = 175 G, M = 4 × 107; 3) V = 3 kV,

Ø = 0°, В = 200 G, = 9 × 106; 4) V = 3 kV, Ø = 255°, В = 175 G, = 5 × 108, 5) V = 3 kV,

Ø = 255°, B = 275 G, = 3 × 107;

6 ) V = 3 kV, Ø = 255°, В = 301 G, 8 × 106; 7) V = 2.04 kV, Ø = 0°, Β = 0 G, 8 × 106.

Figure 13. Influence of a longitudinal magnetic field on the amplification of the MP at various supply voltages: 1) - 800 V, 2) - 1000 V, 3) - 1200 V.

Figure 14. Effect of a transverse magnetic field on the amplification of MP's at various supply voltages: 1) - 800 V, 2) - 1000 V, 3) - 1200 V.

Figure 15. Dependences of the amplification of the MP on the direction of magnetic fields having different values: 1) - 200 G, 2) - 400 G, 3) - 600 G, 4) - 800 G, 5) - 1000 G, 6) - 1200 G, 7) - 1600 G, 8) - 1800 G, 9) - 2ООО G, 10) - 2400 G. Supply voltage of the MP - 1000 V.

Figure 16. Influence of the magnetic field in two different directions on the MP pulse counting rate: 1) - longitudinally directed field, 2) - transversely directed field. Discrimination threshold Ud = 0 . 1 . UMP = 800 V.

Figure 17. Amplitude distributions of MP output pulses as a function of the supply voltage and counting rate: 1 - 5 - counting rate 4 × 103 pulses/second, 6 - counting rate 5 × 102 pulses/second.

Supply voltage: 1 - 1000 V, 2 - 1100 V, 3 - 1200 V, 4 - 1300 V, 5 - 1400 V, 6 - 1400 V.

ИАЭ-3124 Ордена Ленина

Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова

В. X. Лихтенштейн. Г. В. Алексеев

Влияние магнитных полей на канальные электронные умножители и микроканальные пластины

Москва 1979

ОРДЕНА ЛЕНИНА

ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ им. И.В. КУРЧАТОВА

В . Х . Л и х т е н ш т е й н , Г . В . А л е к с е е в

В Л И Я Н И Е М А Г Н И Т Н Ы Х П О Л Е Й

Н А К А Н А Л Ь Н Ы Е Э Л Е К Т Р О Н Н Ы Е У М Н О Ж И Т Е Л И

И М И К Р О К А Н А Л Ь Н Ы Е П Л А С Т И Н Ы

М о с к в а 1979

Ключевые слова: детектирование излучений,

канальный электронный умножитель, микроканальная пластина,

магнитное поле, деление, эффективность регистрации, α-частипы.

При использовании детекторов излучений на основе КЭУ или МКП в плазменных исследованиях, важное значение приобретает вопрос о влиянии на их характеристики внешних магнитных полей. Данная работа посвящена систематическому исследованию этого Вопроса, применительно к двум отечественным приборам с непре-рывным эмиттером: спиральному умножителю типа ВЗУ-6 и микро-канальной пластине типа МКП-28-19 (диаметр канала V 20 мкм). Впервые в подобных экспериментах, на одних и тех же образцах, измерения проводились как в аналоговом так и счетном режимах регистрации. В работе подробно исследованы основные закономер-ности влияния магнитных полей в широком диапазоне величин (магнитная индукция от 10 до 2500 гс) и направлений (угол нак-лона от 0 до 360) на коэффициент усиления, эффективность регист-рации и форму амплитудного распределения выходных и м п у л ь с о в де-текторов. Проанализирована роль напряжения питания и параметров счетно-регистрируюшего тракта. Рассмотрен вклад отдельных час-тей КЗУ в общее изменение коэффициента усиления умножителя. Проведено сравнение аналогового и счетного режимов регистрации с точки зрения влияния магнитного поля на показания детекторов. Обсуждаются физические механизмы, ответственные за изменение усиления КЭУ и МКП в присутствии магнитных полей. На основа-нии результатов работы сформулированы практические рекоменда-ции, позволяющие не только минимизировать влияние магнитных полей на КЭУ и МКП, но и, в некоторых случаях, улучшить с их помощью характеристики детекторов.

Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова, 1979

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в качестве вторично-эмиссионных детекторов малых потоков

корпускулярного, мягкого рентгеновского и ультрафиолетового излучений плазмы все

шире начинают применяться канальные электронные умножители (КЭУ) и микроканальные

пластины (МКП), обладающие рядом известных преимуществ перед умножительными сис-

темами с дискретными динодами (см., например [1]).

Для эффективного использования КЭУ и МКП в практике плазменного эксперимента

необходимо знать их чувствительность к рассеянным магнитным полям, источником кото-

рых могут являться как диспергирующие элементы различных анализаторов, применяемые

совместно с указанными детекторами, так и сами экспериментальные установки.

Следует отметить, что ввиду сложного характера процесса электронного умножения

в канале и наличия нелинейных эффектов (влияние объемного и поверхностных зарядов,

эффектов ионный обратной связи), а также двумерной пространственной конфигурации не-

прерывного эмиттера КЭУ, теоретический расчет влияния магнитного поля на КЭУ и МКП

представляет серьезную трудность. Имеется ряд выполненных за рубежом эксперимен-

тальных работ [1-8], посвященных поведению КЭУ и МКП в магнитном поле, однако

опубликованные данные крайне ограничены (только счетный режим, мал диапазон изме-

нения магнитного поля, отсутствуют систематические данные о направлении поля), а в

ряде случаев (см. напрмер, [2]и[3] , [7]и[8]) даже противоречивы: Последнее обсто-

ятельстмо объясняется, по нашему мнению, различными и неконтролируемыми условиями

экспериментов, а также рядом методических погрешностей, допущенных при измерениях.

Так, в работе [7] влияние магнитного поля на МКП оценивалось с помощью макета ти-

па ФЭУ, при этом не учитывались возможные потери фотоэлектронов в относительно

большом промежутке фотокатод - МКП. Авторы работы [8] обошлись без фотокатода,

однако и здесь; аналогично [7] исследования проводились на шевронном блоке из двух

МКП, разделенных промежутком 0,2 мм, что при больших поперечных магнитных полях,

также могло исказить результаты измерений.

В настоящей работе сделана попытка проведения систематического исследования

влияния магнитных полей на КЭУ и МКП как в счетном так и аналоговом режимах с

использованием методики, обеспечивающей однозначную интерпретацию результатов изме-

рений. Целью работы являлось экспериментальное изучение основных закономерностей

поведения КЭУ и МКП в магнитных полях и выработка соответствующих рекомендаций

для специалистов, применяющих эти приборы. В качестве объектов исследования выбра-

ны два наиболее перспективных (с точки зрения использования для диагностики плазмы)

серийных прибора: канальный умножитель типа ВЭУ-6x и микроканальная пластина типа

МКП-28-19.

П. А П П А Р А Т У Р А И М Е Т О Д И К А И С С Л Е Д О В А Н И Й

1. М а г н и т

Для создания однородного магнитного поля был изготовлен электромагнит с круг-лыми полюсными наконечниками диаметром D = 230 мм и межполюсным зазором d=48мм.

Размер межполюсного зазора позволил поместить в нем вакуумную камеру с' исследуе-мыми приборами, и располагать их под любым углом к вектору магнитного поля. Гео-метрия магнита удовлетворяет известному условию однородности поля: D ≥ 4 d + A (А - размер рабочей области); в нашем случае А 35 мм. Величина и однородность магнитного поля в рабочей области контролировались измерителем магнитной индукции типа Ш1-7, имеющим абсолютную погрешность ±(1,5 + 100-2/B)%. Было установлено, что неоднородность магнитного поля в рабочей области магнита не превышает 1,5%. Макси-мальная величина магнитного поля в зазоре составляла 2500 Гс. Питание магните осу-ществлялось от стабилизированного выпрямителя типа ВС-26. Компенсация магнитного поля земли не производилась.

x Разработка этого КЭУ была проведена по инициативе и при участии нашего Института.

4

2. И с с л е д у е м ы е п р и б о р ы и и с т о ч н и к и з л у ч е н и я

В качестве объектов исследования были выбраны два серийных прибора: канальный

умножитель в виде пространственной спирали с/воронко-образными входом типа ВЭУ-6

[9] (внутренний диаметр канала 1,5 мм) и микроканальная пластина МКП-28-19 (диа-

метр канала 20 мкм, угол между осью канала и поверхностью пластины 84°).

Исследования проводились с помощью радиоактивного источника α-частиц с энер-

гней 5 МэВ на основе изотопа плутония Pu239 с активностью 1 мкюри. Период полу-

распада Pu239 составляет 2,4.104 лет. Источник представлял собой армированный не-

ржавеюшией сталью диск диаметром 22 мм с площадью активной поверхности 3,14 с м .

Источник закреплялся на расстоянии 5 мм перед исследуемым прибором и равномерно

засвечивал всю входную часть КЭУ или МКП. Поток падающих α-частиц мог регулиро-

ваться с помощью коллиматора в диапазоне интенсивностей 10-106 част/сек., что позво-

ляло реализовать выходной сигнал умножителя в отсутсвие магнитного поля на 4+5 по-

рядков больший фонового. Большая энергия α-частиц в сочетании с малым расстояни-

ем между источником и исследуемым прибором обеспечивали неизменность падающего

потока частиц при изменении магнитного поля во всем исследованном диапазоне величин.

3. М е т о д и к а и с с л е д о в а н и й

Внешний вид и схематическое изображение экспериментальной установки показаны на рис. 1 и 2, соответственно. Исследуемый прибор вместе с жёстко закрепленным перед ним α -источником помешались в вакуумную камеру (P 5.10-6 тор), установленную между полюсами магнита, и с помощью подвижного ввода могли поворачиваться в маг-нитном поле.

Геометрия эксперимента (см.рис. 3) позволяла реализовать все наиболее характер-ные для приборов данной конструкции направления магнитного поля. В экспериментах с КЭУ (рис. За) прибор располагался таким образом, что вектор магнитной индукции на-ходился в плоскости, проходящей через ось конусообразного входа и ось спиральной час-та канала. Угол наклона магнитного поля φ отсчитывался от входной оси КЭУ и выделя-лись три направления поля: продольное (вектор магнитной индукции параллелен входной оси КЭУ), поперечное (вектор магнитной индукции перпендикулярен входной ?си КЭУ) и осевое (вектор магнитной индукции параллелен оси спиральной части канала). В случае МКП (рис. 3б) выделялось, только продольное (вектор магнитной индукции параллелен нормали к поверхности МКП и поперечное (вектор магнитной индукции перпендикулярен нормали к поверхности МКП) направления поля.

В соответствии с возможностью использования КЭУ и МКП в двух разных режимах регистрации излучения, исследование влияния магнитного поля на их характеристики

5

проводилось как в режиме измерения среднего выходного тока умножителя (аналоговый

режим), так и в режиме счета и амплитудного анализа отдельных импульсов. Блок-схе-ма

измерений и используемая аппаратура показана на рис. 4. В аналоговом режиме изме-

рения проводились с помощью серийного усилителя тока типа У-1-2. Для усиления им-

пульсов КЭУ и МКП в счетном режиме использовался лабораторный зарядочувствитель-

ный предусилитель с низким ( 5.10-17 К) уровнем шумов. С выхода предусилителя

сигнал подавался на счетноспектрометрический тракт (см. рис. 4) с динамическим диа-

пазоном ~ 1000 Указанные параметры счетно-регистрирующей аппаратуры обеспечивали

[12] достаточное перекрытие кривых амплитудных распределений выходных импульсов

КЭУ и МКП в широком диапазоне изменения среднего усиления умножителей.

B аналоговом режиме исследовалось влияние магнитного поля на коэффициент уси-

ления КЭУ и МКП. Изменение коэффициента усиления определялось по величине измене-

ния выходного тока умножителя в присутсвии магнитного поля (при неизменном входном

потоке α -частиц).

В режиме счета изучалось влияние магнитного поля на эффективность регистрации

(по изменению скорости счета) и форму амплитудного распределения выходных импуль-

сов. Прокалибровав используемый спектрометрический тракт по известной [10] методике,

мы могли также определять абсолютную величину среднего коэффициента усиления КЭУ

и МКП в присутствии магнитного поля.

Во время всех измерений на вход умножителя подавалось высокое напракение отри-

цательной полярности, а выходной сигнал снимался с анода, находящегося под земляным

потенциалом. В экспериментах с МКП использовались конструкция с одиночной пластиной,

причем, для минимизации влияния анодного узла на результаты измерений, анод распола-

гался на расстоянии 40 мкм от выходного торца МКП.

Относительная ошибка при измерениях влияния магнитного поля на характеристики

КЭУ и МКП складывается в наших условиях из относительной ошибки, связанной со слу-

чайными изменениями в режиме работы магнита, исследуемого прибора или измеритель-

ного трахта, и ошибки при измерении выходного сигнала. Ввиду использования стабилизи-

рованной аппаратуры (см. рис. 4), первая составляющая ошибки измерений не превышала

3%, а вторая - практически полностью определялась статистическими флуктуациями вы-

ходного сигнала и поэтому зависела как от величины потока падаюших частиц, так и от

величины коэффициента усиления умножителя (в аналоговом режиме).

Суммарная ошибка при определении изменения коэффициента усиления и эффективности

регистрации в присутствии магнитного поля, согласно оценкам, составляла 20 и 30%

соответственно.

6

Ш. Р Е З У Л Ь Т А Т Ы Э К С П Е Р И М Е Н Т О В И О Б С У Ж Д Е Н И Е

1. В л и я н и е м а г н и т н ы х п о л е й н а К Э У

в а н а л о г о в о м р е ж и м е р е г и с т р а ц и и

Влияние магнитных полей на показания КЭУ в аналоговом режиме регистрации опре-

деляется изменением его коэффициента усиления в присутствии поля. Как показали изме-

рения, влияние магнитного поля на усиление КЭУ в значительной степени зависит от

его величины и направления, а также напряжения питания. Несмотря на то, что влияние

всех этих трех факторов взаимосвязано, представляется целесообразным рассмотреть

роль каждого из них по отдельности.

1.1. В л и я н и е в е л и ч и н ы м а г н и т н о г о п о л я

На рис. 5,6,7 приведены зависимости коэффициента усиления КЭУ от величины маг-нитного поля трех характерных направлений, снятые при различных напряжениях питания.

Эти кривые, также как и все последующие, нормированы на величину коэффициента уси-ления КЭУ в отсутствие магнитного поля. Видно, что при полях до 200 Гс, в зависимо--ста от их направленияпитания КЭУ, может происходить как уменьшение усиления на по-рядок величины (рис. 5а, кр. 3) так и увеличение его в несколько раз (рис. 6б, кр. 3) .

Дальнейшее увеличение магнитного поля любого направления приводит к монотонному уменьшению усиления КЭУ, и при β =250-350 Гс (в зависимости от напряжения пита-ния) величина усиления не превышает 1% первоначального.

1.2. В л и я н и е н а п р а в л е н и я м а г н и т н о г о п о л я

Как следует из кривых, приведенных на рис. 5,6 и 7, ориентация КЭУ в магнитном

поле может качественно и количественно повлиять на изменение коэффициента усиления,

причем картина существенно несимметрична относительно направления магнитного поля.

Особенно ярко этот эффект выражен для поперечного (рис. 6) и осевого (рис. 7) направ-

лений поля при напряжении питания 4 кВ: так при угле φ = 270° (255°) и величине по-

ля 250 Гс, коэффициент усиления КЭУ все еше превышает свое первоначальное значе-

ние,а при изменении направления поля на противоположное (φ = 80° или φ =75°)

усиление падает почти на 3 порядка величины.

Наиболее полно влияние направления магнитного поля иллюстрирует рис. 8, где

показана зависимость коэффициента усиления КЭУ от угла наклона φ магнитного поля

различной величины относительно входной оси прибора. Анализ приведенных на рис. 8

кривых позволяет выявить ряд важных закономерностей.

1. Как следует из рис. 8, зависимость усиления КЭУ от угла наклона мапштного

поля имеет регулярный характер, причем обший функциональный вид зависимости 1

одинаков для всего исследованного диапазона магнитных полей. В то же время, с т е -

пень влияния направления поля на усиление КЭУ возрастает с увеличением величины В.

2. Наибольшее влияние на усиления КЭУ оказывает магнитное поле, направленное

вдоль оси спиральной части умножителя (φ = 75°, 255°) причем, в зависимости от

направления вектора магнитной индукции, осевое поле может быть как наиболее благо-

приятным (с точки зрения возможности получения максимального усиления при задан-

ной величине магнитного поля) при φ = 255°, так и наименее желательным (φ =75°) .

Поперечное поле действует на КЭУ приблизительно так же как и осевое.

3. Продольное поле (φ = 0°, 180°) оказывает меньшее влияние на усиление КЭУ

чем поперечное и осевое, хотя и в этом случае изменение направления поля на проти-

воположное может заметно повлиять на усиление КЭУ. Наиболее благоприятному на-

правлению продольного поля соответствует значение φ = 180°, а наименее желательно-

му - значение φ = 0 ° .

Особенно сильное влияние осевого (и близкого к нему поперечного) магнитного

поля на усиление КЭУ можно объяснить следующим образом. Как показано в работе

[15] умножение электронного потока в криволинейном канале без. магнитного поля

происходит за счет взаимодейстмия электронов как с внутренней, так и наружной стен-

кой канала, однако вклад процессов на внутренней и наружной стенках в общее усиле-

ние КЭУ может быть неодинаков. В присутствии составляющей магнитного поля, пер-

пендикулярной аксиальному электрическому полю в канале, может происходить попереч-

ный перенос электронов, который при благоприятном направлении магнитного поля при-

ведет к увеличению усиления КЭУ за счет дополнительного умножения электронов на

внутренней стенке канала, а при неблагоприятном направлении поля может вызвать

резкое падение усиления из-за малого пролета электронов. Немонотонный характер вли-

яния поперечных полей в диапазоне до 180 Гс (см. рис. 6,7) связан вероятно с опти-

мизацией (с точки зрения получения максимального усиления) числа эффективных ак-

тоэ соударений вторичных электронов с внутренней и наружной стенками канала. Опре-

деленный вклад в изменение усиления КЭУ в присутствии поперечных полей вносят так -

же (как будет показано несколько позже) процессы умножения и сброса электронов во

входной части КЭУ (конус и прямолинейный участок канала).

В присутствии продольного магнитного поля, незначительное возрастание усиле-

ния КЭУ объясняется, по-видимому, увеличением коэффициента вторично-электронной

эмиссии, обусловленным скользящим углом падения электронов, которые начинают дви-

гаться в канале по винтовым траекториям. С увеличением продольного магнитного по-

ля, когда ларморовский радиус вторичного электрона уменьшится до величины по-

рядка радиуса канала , усиление КЭУ должно начать падать из-за, уменьшения чис

ла эффективных соударений электронов со стенкой. ПОЛОЖИЕ

получим, с учетом размеров канала, и данных о средней энеи

эмиттированных электронов в канале из высокосвинцованного стекла в з я -

тых из работы [14], Гс.что хорошо согласуется (см. рис. 5) с результа-

тами описываемого эксперимента.

Изложенные выше простые соображения должны быть, вообше говоря, инвариантны

относительно направления вектора , чего однако не наблюдается при измерениях.

Для объяснения, этого следует принять во внимание то обстоятельство, что при значе-

ниях угла φ - 0 ° и 180° (см. рис. 3) магнитное поле является строго продольным

только для входного конуса КЭУ и следующего за ним прямолинейного участка канала

(размеры которых в сумме не превосходит 30% полной длины КЭУ), а в остальной

(спиральной) части КЭУ имеет заметную поперечную составляющую, действие которой

(как было показано выше) уже может зависеть от" направления поля.

1.3. В л и я н и е н а п р я ж е н и я п и т а н и я КЭУ

Как следует из кривых, приведенных на рис. 5,6,7, напряжение питания существен-

но влияет на изменение усиления КЭУ в присутствии магнитного поля, причем характер

этого влияния зависит как от величины так и направления последнего. В области уме-

ренных (<100 Гс) магнитных полей, повышение напряжения питания приводит как к рос-

ту так и к падению усиления КЭУ в зависимости от направления поля. При больших

магнитных полях зависимость усиления от напряжения питания становится монотонно

растущей.

Наиболее полно влияние напряжения питания на устойчивость коэффициента усиле-

ния КЭУ к различным магнитным полям иллюстрирует рис. 9, где показано изменения

усиления КЭУ при наличии магнитного поля в зависимости от напряжения питания, при-

чем для удобства сравнения, относительный коэффициент усиления M/M0 при различных

напряжениях нормирован на величину относительного коэффициента усиления КЭУ при

напряженки питания 2,4 кВ. Как следует из рис. 9, повышение напряжения питания, как

правило, ведет к увеличению устойчивости КЭУ к магнитным полям, что объясняется

увеличением скорости вторичных электронов в канале, причем при больших магнитных

полях влияние напряжения питания особенно существенно. Видно, также, что степень

влияния напряжения питания на усиление зависит и от ориентации КЭУ в магнитном

поле: наиболее эффективным оказывается повышения напряжения в присутствии осевого

магнитного поля при φ = 75°, наименее эффективным в присутсвии поперечного поля

при φ = 270°.

При некоторых направлениях магнитного поля, если величина его не превышает

75 Гс, с увеличением напряжения питания может наблюдаться небольшое уменьшение

относительного усиления КЭУ (поперечное поле, кривая 1 на рис. 9).

На рис. 10 приведены результаты измерения усиления КЭУ в зависимости от утла

наклона магнитного поля при различном напряжении питания и фиксированной величинеB.

Как следует из приведенных на рис. 10 кривых, изменение напряжения питания

КЭУ не влияет на обший характер зависимости усиления от направления поля, в то же

время,степень влияния ориентации КЭУ на усиление существенно зависит от напряже-

ния питания. Так, при напряжении 4 кВ и поле 150 Гс (кривая 3) коэффициент усиления

КЭУ в случае наиболее благоприятного направления магнитного поля приблизительно в

10 раз превышает значение при наименее желательном направлении. Это же отношение

при напряжении 3 кВ (кривая 2) составляет 28, а при напряжении 2,4 кВ уже превос-

ходит 800.

2. В л и я н и е м а г н и т н о г о п о л я н а К Э У

в с ч е т н о м р е ж и м е р е г и с т р а ц и и

При работе КЭУ Β режиме счета импульсов влияние магнитного поля характеризу-

ется, прежде всего, зависимостью эффективности регистрации от величины и направле-

ния .

На рис. 11 представлены нормированные зависимости скорости счета выходных им-

пульсов КЭУ (эффективности регистрации) от величины магнитного поля двух характер-

ных ориентации при напряжении питания 3 кВ и пороге дискриминации, соответствующем

0,02 наиболее вероятной амплитуды импульсовx. Очевидно, что при постоянной интен-

сивности α-частиц на входе КЭУ, изменение скорости счета под влиянием магнитного

поля характеризует изменение эффективности регистрации. На этом же рисунке пред-

ставлены взятые из работы [3] данные о влиянии магнитного поля на КЭУ ткпа Bendix

4010 в виде плоской спирали, при том же напряжении питания. Как следует из приве-

денных кривых, для продольного поля и угла φ = 0° эффективность регистрации иссле-

дуемого КЭУ остается постоянной до 150 Гс, затем довольно круто падает, уменьшаясь

в 2 раза при B11 = 180 Гс, а при В11 = я 225 Гс приближается к нулю. Для осевого пол

при ψ·* 255°(наиболее благоприятное направление) эффективность регистрации не меня-

ется вплоть до 260 Гс и становится равной нулю при 325 Гс. Видно также, что для КЭУ

типа Bendix 4010 (кр. 4 и 3) протяженность плато зависимостей

продольного и поперечного направлений магнитного поля составляет 50 и 75 Гс, соот-

ветственно, т.е. в 3 раза меньше, чем для исследуемых ВЭУ-6. Необходимо отметить,

однако, что ввиду различной геометрии входной части КЭУ, а также неконтролируемых

Предварительно, посредством измерения счетных характеристик и амплитудных

распределений импульсов КЭУ, в отсутствии магнитного поля было установлено, что

в наших условиях этот режим обеспечивает близкую к максимальной эффективность

регистрации при минимальном уровне фоновых сигналов.

10

различий параметров счетно-усилительного тракта и других условий эксперимента, вы-

текающий из проведенного выше сравнения вывод о большей устойчивости к внешним

магнитным полям КЭУ с конусообразным входом и эмиттером в виде пространственной

спирали (ВЭУ-6) носит предварительный характер и нуждается в дополнительной экс-

периментальной проверке.

Представляется интересным, прежде всего с практической точки зрения, сравнить

в одних и тех же условиях чувствительность ВЭУ-6 к магнитным полям в аналоговом

и счетном режимах регистрации. Обратившись к полученным нами экспериментальным

данным можно увидеть, что, например, в случае продольного магнитного поля при φ = 0°

и напряжении питания 3 кВ (рис. 5а, кривая 2), величина магнитного поля, соответст-

вующая двухкратному уменьшению чувствительности КЭУ в аналоговом режиме, состав-

ляет около 100 Гс, в этих же условиях (рис. 11, кривая 1) уменьшение в два раза эф-

фективности регистрации в режиме счета отдельных частиц наблюдается при B = 180Гс,

т.е. при почти в два раза большем магнитном поле.

Как будет показано ниже, различная устойчивость КЭУ к магнитным полям в ана-

логовом и счетном режимах объясняется формой амплитудного распределения (АР) им-

пульсов КЭУ и характером его изменения в присутствии магнитного поля.

На рис. 12 приведены фотографии типичных амплитудных распределений импульсов

КЭУ, отражающие динамику изменения АР под влиянием магнитных полей, продольного

(φ = 0°) и осевого (поперечного) направлений. Там же указаны значения среднего к о

эффиииента усиления КЭУ (для d -частиц с энергией 5 МэВ), вычисленные по

величине наиболее вероятного заряда в импульсе.

Видно, что при напряжении 3 кВ в отсутсвии магнитного поля амплитудное распре-

деление имеет ярко выраженный максимум (рис. 12.1) обусловленный, как известно,

эффектами насыщения усиления [11] в выходной части канала. Величина относительной

дисперсии A0 - амплитуда импульса в максимуме AP, A - полуширина

АР) амплитуды тплпульсов КЭУ не превосходит в этом режиме величины 0 . 5 . В

присутсвии продольного магнитного поля (рис. 12.2) АР равномерно уширяется, коэффи-

иент усиления, а следовательно и величина наиболее вероятной амплитуды импульса,

падают, однако, до тех пор, пока большинство импульсов КЭУ сохраняют амплитуду,

превосходящую порог дискриминации, изменение скорости счета незначительно. Даль-

нейшее увеличение продольного магнитного поля (рис. 12.3) сопровождается размытием

максимума спектра из-за увеличения статистических флуктуаций времени пролета элек-

тронной лавины в канале КЭУ, а также сдвигом максимума в область малых амплитуд,

сравнимых по величине с порогом дискриминации. Совокупность этих двух процессов

приводит к резкому увеличению числа импульсов, просчитываемых электронной схемой,

т.е. к уменьшению эффективности регистрации. 11

Таким образом, степень устойчивости показаний КЗУ к магнитному погао в счет-

ном режиме по отношению к аналоговому определяется соотношением между наиболее

вероятной амплитудой импульса и порогом дискриминации счетной аппаратуры, а также

шириной АР выходных импульсов. С практической точки зрения это означает, что для

минимизации влияния продольного поля в режиме счета следует отбирать КЭУ с высо-

ким (Μ ≥ 108) усилением, использовать для регистрации сигналов малошумящую счет-но-усилительную аппаратуру (Q. Ш. ≤ 5.10-17 К), что позволит работать при низком,

по отношению к средней амплитуде импульса пороге дискриминации), а также подби-

рать оптимальное (с точки зрения минимальной дисперсии амплитуды импульсов) напря-

жение питания КЭУ. Учитывая, что прй некоторых ориентациях КЭУ в магнитном поле

происходит размытие АР в сторону больших амплитуд, динамический диапазон дискри-

минатора желательно иметь не менее 1000(с учетом необходимости перекрытия всего

спектра выходных импульсов).

Характер изменения АР в присутствии магнитных полей поперечной ориентации

(рис. 12.4 + 12.8) несколько иной чем в случае продольного магнитного поля. Так, при

умеренной величине поля (рис. 12.4) наблюдается увеличение наиболее вероятной амп-

литуды импульсов, и существенно увеличивается интенсивность высокоамплитудной час-

ти спектра. С увеличением поперечного магнитного поля до значений β > 200 Гс

(рис. 12.5) наиболее вероятная амплитуда импульсов падает, увеличивается их диспер-

сия, и происходит теперь уже объединение спектра со стороны импульсов большой амп-

литуды. При достаточно больших (B > 300 Гс) полях пик АР полностью размывается,

хотя обедненность высокоамплитудной части спектра остается.

Анализ динамики изменения амплитудных распределений импульсов КЭУ позволяет

получить более детальную информацию о механизмах влияния магнитного поля на пара-

метры умножителя. Так, описанное выше поведение высокоамплитудной части спектра

при значениях B < 300 Гс свидетельствует о существенной роли входной части КЗУ

(раструб и прямолинейный участок), а также прианодного промежутка, в процессе изме-

нения среднего усиления КЭУ под действием поперечных магнитных полей умеренной

величины. При магнитных полях более 300 Гс усиливается, по-видимому, влияние про-

цессов, в спиральной части канала. Для проверки указанных предположений был проде-

лан следующий опыт. Путем снижения напряжения питания средний коэффициент усиле-

ния КЭУ в отсутсвие магнитного поля был уменьшен настолько, чтобы приблизительно

сравняться с коэффициентом усиления КЭУ в присутсвии осевого магнитного поля ве-

личиной 301 Гсx . Амплитудный спектр КЭУ в этом режиме показан на рис. 12.7. Срав-

*При уменьшении напряжения питания, усиление КЭУ относительно равномерно падает во всех его участках.

нивая этот спектр со спектром в присутствии магнитного поля (рис. 12.6), нетрудно ви-

деть, что несмотря на то, что среднее усиление КЭУ в обоих случаях одинаково мало,

спектр КЭУ в магнитном поле размыт гораздо меньше; в нем (как уже отмечалось)

четко разрешена обрезанность высокоамплитудной части. Полученные результаты позво-

ляют таким образом, предположить, что при достаточно больших поперечных магнитных

полях электронные лавины, сформировавшиеся в начальном участке КЭУ, пролетают зна-

чительную часть последующего участка КЭУ без усиления; при этом возможны и потери

электронов в прианодном пространстве.

3. В л и я н и е м а г н и т н о г о п о л я н а М К П в а н а л о г о в о м р е ж и м е р е г и с т р а ц и и

Основной характеристикой влияния магнитного поля на показания МКП в аналого-

вом режиме регистрации является зависимость коэффициента усиления от величины и

направления магнитного поля. Аналогично тому, как это было сделано нами при изложе-

нии результатов, относящихся к КЭУ, влияние этих факторов, а также напряжения пита-

ния, будет проанализировано по отдельности.

3.1. В л и я н и е в е л и ч и н ы м а г н и т н о г о п о л я На рис. 13 и 14 показаны зависимости коэффициента усиления МКП от величины

магнитного поля продольного и поперечного направлений при различных напряжениях пи-тания.

В продольном поле (рис. 13) до 1200 Гс может происходить, в зависимости от напря-жения питания, как небольшое (от 2 до 15%) увеличение так и уменьшение (2 ÷ 3%) ко-эффициента усиления с последующим выходом на плато вплоть до 2500 Гс.

В поперечном магнитном поле (рис. 14) до 1500 гс происходит монотонное увеличе-ние хоэ фициента усиления (от 50 до 300%) в зависимости от' напряжения питания, а за-тем - монотонное уменьшение, и при B = 2500 Гс величина коэффициента усиления состав-ляет 0,2 + 0,4 от своего первоначального значения.

Таким образом, устойчивость коэффициента усиления МКП к воздействию магнитных полей значительно выше, чем в случае КЭУ, что объясняется малой протяженностью электронных траекторий при существенно (в 20 - 30 раз) больших градиентах электри-ческого поля в канале. Воспользовавшись, как и в случае КЭУ, для оценки влияния продольного· магнитного поля соотношением: получим, что для исследуемых МКП с радиусом канала ~ 10 мкм и E0 = 8 эВ уменьшение усиления под действи - ем продольного магнитного поля должно начаться при 9.103 гс, что существенно превышает получаемые нами значения. Наблюдаемое в эксперименте незначительное возрастание усиления КЭУ при наличии продольного поля объясняется, по-видимому,

13

влиянием поперечной составляющей магнитного поля (геометрические оси каналов накло-

нены к рабочей поверхности МКП под углом 6°) , механизм которого обсуждается нижеx.

Процессы, происходящие в каналах МКП при наличии поперечного магнитного поля,

по-видимому, аналогичны тем, которые происходят в так называемых КЭУ с фокусиров-

кой в скрещенных полях (см. например, [12]) . В присутствии магнитного поля, перпен-

дикулярного плоскости движения вторичных электронов, (создаваемого обычно с помощью постоянных магнитов) и радиального поперечного электрического поля траектория

электронного потока вдоль канала представляет в таком умножителе набор участков

удлиненной циклоиды с шагом [12]. C yвеличением магнитного поля число соударений электронов со стенками

(L - длина канала), а следовательно и коэффициент усиления канала должны расти, однако при этом будет уменьшаться энергия, приобретаемая электронами между соуда-рениями: .

Таким· образом, при некотором значении магнитного поля, соответствующем опти-мальному (при данном напряжении питания и геометрии канала) числу соударений, зави-симость усиления от В должна иметь максимум. При дальнейшем увеличении магнитного поля,длина пролета электронов между соударениями становится недостаточной для приоб-ретения ими энергии, при которой коэффициент эмиссии превышает единицу. При таких магнитных полях усиление умножителя начинает монотонно падать. Как следует из рис. 14, характер влияния поперечного магнитного поля на МКП качественно согласует-ся с изложенными выше соображениями. Сделать достаточно точные количественные оценки оптимальной величины В не представляется возможным из-за отсутствия данных о величине радиальной составляющей электрического поля в канале Необходимо,

по-видимому, также учесть и уменьшение вклада ионной обратной связи. Для очень гру-бой оценки величины оптимального значения магнитного поля можно воспользоваться результатами работы [13], где максимальное усиление КЭУ со скрещенными полями при

\ хB пpеяпопожения свидетельствует, в частности и тот эксперимен- Р а К Т е Р В Л И Я Н И Я Н а П р т Ж е Н И Я П И Т в Н И Я на эФФ увеличения усиле-

ния МКП при наличии магнитного поля одинаков как для продольного, так и попереч-ного направлений последнего.

x x Р а д и а л ь н а я компонента электрического поля в канале МКП может возникать, например, в результате неоднородности сопротивления проводящего слоя в попереч-ном сечении канала и появлением в связи с этим при протекании тока радиальной разности потенциалов.

L = 55 мм и Uk = 1700 В было получено при B = 400 Гс. Исследуемые нами МКП имели

L = 1 мм, Uk = 1000 В, т.е. напряженность электрического поля в_ них была прибли -

зительно в 30 раз больше, чем в указанных КЭУ. Поскольку , то оптимальнее

магнитное поле для МКП должно быть в 30 раз больше, чем для КЭУ, т.е. составлять

400 Гс.*^301=г 2200 Гс, что по порядку величины совпадает с экспериментально наблю-

даемым (B ~ 1500 Гс) значением. Отметим, что экстремальный характер зависимости

двух шевронно соединенных МКП с близким к нашему случаю диаметром

канала в диапазоне поперечных полей до 2250 Гс наблюдался в работе [7]

3.2. В л и я н и е н а п р а в л е н и я м а г н и т н о г о п о л я

Из приведенных на рис. 13 и рис. 14 кривых видно, что как для продольного, так

и поперечного магнитных полей, изменение направления поля на противоположное прак-

тически не меняет (в отличие от КЭУ) величину коэффициента усиления МКП, что ук-

ладывается в рамки изложенных выше элементарных соображений о механизмах влияния

магнитного поля на МКП, поскольку их действие не должно зависеть от направления

вектора . Более подробно влияние направления магнитного поля иллюстрирует рис.15,

где приведено семейство зависимостей относительного коэффициента усиления МКП от

угла наклона вектора магнитного поля относительно нормали к рабочей поверхности

МКП. Наиболее важный, вывод, вытекающий из анализа приведенных на этом рисунке

кривых заключается в том, что (также в отличие от КЭУ) характер зависимости усиле-

ния МКП от ориентации его в магнитном поле изменяется при увеличении последнего.

Как нетрудно видеть, это объясняется тем обстоятельством, что поперечное магнитное

поле, в зависимости от его величины меняет усиление МКП в ту или иную сторону. В

результате, при магнитных полях до 1600 Гс (кривые 1 ÷ 7 на рис. 15) максимальное

усиление МКП (при данном напряжении питания) реализуется при поперечном направле-

нии поля (наиболее желательное направление), а минимальное усиление реализуется

при продольном направлении поля (наименее благоприятное направление). При увеличе-

нии магнитного поля всего на 200 Гс ситуация меняется на обратную.

3.3. В л и я н и е н а п р я ж е н и я п и т а н и я МКП

Было установлено, что влияние напряжения питания на устойчивость показаний МКП к магнитным полям зависит от их направления. Так, при наличии продольных магнитных полей (см. рис. 13) в исследованном диапазоне, влияние напряжения невели-ко и выражается в том, что с ростом напряжения уменьшается эффект увеличения уси-ления МКП в присутствии поля. Влияние напряжения питания в присутсвии поперечного поля проявляется гшраздо сильнее, причем характер этого влияния становится сложнее, что объясняется экстремальной формой зависимости. Как следует из кривых, приведенных на рис. 14, увеличение напряжения питания повышает устойчивость МКП

к возрастанию усиления в диапазоне значений B соответствующем и ослабляет

устойчивость МКП к уменьшению усиления в диапазоне значений B соответствующем Указанная закономерность сохраняется для поперечных полей вплоть до

2200 + 2400 Гс (в зависимости от направления вектора ). При больших полях (см.

рис. 14,6) увеличение напряжения повышает устойчивость МКП к уменьшению усиления,

аналогично тому, как это происходит в случае КЗУ.

4. В л и я н и е м а г н и т н о г о п о л я н а М К П

в с ч е т н о м р е ж и м е р е г и с т р а ц и и

На рис. 16 представлены типичные зависимости скорости счета импульсов МКП от

величины магнитного поля двух характерных направлений, иллюстрирующие его влияние

на эффективность регистрации. Использование малошумяшего предусилителя позволило

проводить исследования при пороге дискриминации, соответствующем 0,1 среднего коэф-

фициента МКП, имея при средней загрузке N = 4.103 имп/сек отношение полезного счета

к фоновому ~ 100. Как можно было ожидать на основании исследований МКП в аналого-

вом режиме, продольное поле вплоть до максимального значения 2500 Гс не влияет на

эффективность регистрации, в то время как в присутствии поперечного магнитного поля

она заметно падает и при Β = 2500 Гс составляет 0,4 первоначального значения. Сле-

дует отметить, что наблюдаемое уменьшение эффективности МКП в присутсвии попереч-

ного поля незначительно отличается от величины уменьшения коэффициента усиления

МКП в этих же условиях (см. рис. 14). Таким образом, в отличие от КЗУ, в случае

МКП счетный режим регистрации излучений не имеет особенных преимуществ перед

аналоговым с точки з р е н и я влияния магнитного поля. Для объяснения этого следует об-

ратиться к амплитудным спектрам испульсов МКП, приведенным на рис. 17 в том об-

работанном виде, в каком они использовались, в частности, для определения среднего

коэффициента усиления МКП в счетном режиме. Как следует из рис. 17, спектры амп-

литуд импульсов МКП имеют вид падающей экспоненты, что связано, как известно, со

значительными статистическими флуктуациями коэффициента усиления каналов и отсутст-

вием эффектов насыщения. В этих условиях уменьшение среднего коэффициента усиления

МКП под действием магнитного поля сопровождается увеличением наклона амплитуд-

ного спектра, т.е. увеличением в спектре относительного числа импульсов, с амплиту-

дой ниже порога дискриминации, которые уже не регистрируются "счетной схемой. Та-

ким образом, скорость уменьшения эффективности регистрации МКП в присутсвии маг-

нитных полей очевидно будет зависеть и от порога дискриминации, причем, при слишком

высоком его значении, эффективность регистрации может падать под влиянием магнита

ного поля быстрее чем средний коэффициент усиления МКП. Здесь уместно отметить,

что использование МКП в виде шевронного блока из нескольких пластин позволяет, при

определенных условиях, получать амплитудный спектр с максимумом. Устойчивость та-

кой системы к магнитным полям в счетном режиме может быть выше, чем в случае

одиночной МКП.

1У. В Ы В О Д Ы И Р Е К О М Е Н Д А Ц И И

1. Канальные умножители типа ВЭУ-6 могут работать в магнитных полях до

150-200 Гс, причем в зависимости от напряжения питания КЭУ и его ориентации, уси-

ление может возрасти в несколько раз или упасть на порядок величины.

2. При размещении ВЭУ-6 в экспериментальных установках особое внимание сле-

дует уделять их ориентации. Наименьшее влияние на усиление КЭУ оказывает магнитное

поле, параллельное оси входного раструба, а наибольшее влияние - магнитное поле,

параллельное оси спиральной части канала, причем в последнем случае наиболее благо-

приятным является направление вектора поля в сторону анода, а наименее желатель-

ным - противоположное направление. Поэтому для минимизации влияния магнитного поля

на показания КЭУ, его следует располагать в параллельном (продольном) поле, а для

максимизации его коэффициента усиления (при данной величине магнитного поля и напря-

жений питания) магнитное поле должно быть параллельно оси спиральной части канала '

и направлено в сторону анода КЭУ.

3. Напряжение питания оказывает существенное влияние на поведение КЭУ в маг-

нитных полях, поэтому для повышения устойчивости показаний, величину его желательно

устанавливать достаточно высокой (не ниже 3 кВ), особенно в случае больших полей

осевого направления.

4. Поскольку процессы умножения и сбора вторичных электронов во входном раст-

рубе влияют на изменение общего усиления КЭУ при наличии магнитного поля, устой-

чивость показаний при регистрации узко-коллимированных пучков (особенно если они

попадают на край раструба) может оказаться ниже, чем при регистрации широких

пучков.

5. При соответствующем (см. текст) выборе режимов питания КЭУ и параметров

счетно-усилительного тракта, влияние магнитного поля на их показания в счетном ре-

жиме регистрации значительно ниже, чем в аналоговом.

6. Усиление микроканальных пластин с диаметром канала 20 мкм при наличии про-

дольных магнитных полей в исследованном диапазоне до 2500 Гс почти не меняется. В

поперечных полях до 1500 Гс усиление МКП может увеличиваться в несколько раз

(в зависимости от напряжения питания), затем монотонно уменьшается и при в 2500 Гс

составляет 0,2 - 0,4 от своего первоначального значения.

7. Изменение направления магнитного поля на обратное практически не влияет на

усиление МКП.

8. При использовании одиночных МКП счетный режим регистрации не имеет преи-

мущества перед аналоговым,c точки зрения устойчивости к магнитным полям,иэ-за

низкого коэффициента усиления МКП и экспоненциальной формы амплитудного спектра.

Для минимизации влияния поперечных полей на показания МКП в счетном режиме, сле-

дует использовать малошумяшие (Qш. ≤ 5.10-17 К) предусилители, а также амплитуд-

ные дискриминаторы с низким ( ~ 1 МB) порогом и большим (~1000) динамическим

диапазоном.

B заключение, авторы считают приятным долгом поблагодарить М.Р. А й н б у н д а , просмотревшего рукопись и сделавшего ряд ценных замечаний, Д . А . П а н о в а за под-держку и интерес к работе, а также В . А . Ж и л ь ц о в а и А. Г. Щ е р б а к о в а за обсуж-дение результатов работы.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Б.Н.Брагин, А.Е.Меламид. Электрониха и ее применение, М„ 1977, 9, 102. 2. C.F.Barnett, I.A.Ray, Rev.Sci.Instr., 1970, 41, 1665. 3. Y.B.Hahn et al, Rev.Sci.Instr., 1972, 43, 4, 695. 4. M.Hasimoto, F.Hayashi, Rev.Sci.Instr., 1973, 44, 8, 1125. 5. V.G.Blasek. Sxp.Techn. der Phys., 1975, 5, 533. 6. T.L.Chewert, P.W.Zizewitz, Rev.Sci.Instr.48,12,1601 (1977). 7. I.E.Bateman,R.I.Apsimon,Nucl.Instr.and Meth.1976,137,61. 8. F.Falk, Nucl.Instr.and Meth. 1977, 1944, 355. 9. М.Р.Айнбунд и др. Электронная техника, 1975, 4, 9, 46. 10. Б.В.Марьин, М.В.Тельцов. ПТЭ, 1975, 1, 164. 11. G.Eschard et al. Acta Slectronica,1971,14, 1, 19.

12. А.М.Тютиког,. УфН, 1970, 100, 3, 467. 13. G.W.Goodrich,W.C.Wiley,Rev.Sci.Instr. 32,7 (1961). 14. А.М.Якобсон, Г.А.Чуйко, Радиотехника и электроника, 1968, 9, 1682. 15. D.Loubet, C.Barat, Nucl.Instг.and Meth., 111, 441 (1973).

18

Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования влияния магнит-ных полей на характеристики КЭУ и МКП

Рис. 2. Схема установки: 1 - вакуумная камера, 2 - подвижный ввод, 3 - манометрическая лампа, 4 - катушка электромагнита, 5 - полюсный наконечник, 6 - исследуемый электронный умно-житель, 7 - d-источник

20

Ряс. 3. Геометрия эксперимента: а) с канальным умножителем, б) с микроканальной пластиной

21

Рис. 4. Блок-схема измерений 1 - исследуемый электронный умножитель, 2 - стабили-зированный выпрямитель ВС-22, 3 - измеритель магнитной индукции Ш1-7, 4 - усили-тель постоянного тока У1-2, 5 - зарядочувствительный предусилитель , 8 - многоканальный амплитудный анализатор АИ-100-1, 9 - осциллограф С1-27 ,10 -дис -криминатор ARS -2 , И - интенсиметр ИСС-3,

22

Рис. 5. Влияние продольного магни тного поля на усиление КЭУ в зависимости от его ориентации и напряжения питания: 1-2,4 кВ, 2-3 кВ, 3-4 кВ; .

Рис. б. Влияние поперечного магнитного поля на усиление КЭУ в зависимости от его ориентации и напряжения питания: 1-2,4 кВ, 2-3,0 кВ, 3-4,0 кВ

23

" Рис. 7. Влияние осевого магнитного поля на усиление КЭУ в зависимости от его ори-ентации и напряжения питания: 1-2,4 кВ, 2-3,0 кВ, 3-4,0 кВ; .

24

Рис. 8. Зависимость усиления КЭУ от угла нахлона магнитного поля при различной его величине: 1-25 Гс, 2-50 Гс, 3-75 Гс, 4-100 Гс, 5 -125 Гс, 6-150 Гс, 7-175 Гс, 8-200 Гс. Напряжение питания - 3 кВ

25

Рис. 8. Относительное изменение усиления КЭУ при наличии магнитно-го поля в зависимости от напряжения питания. Величина магнитного поля: 1-50 Гс, 2-125 Гс, 3-250 Гс. Направление: сплошная пиния - про-дольное поле, φ - 180°; штрих-пунктир-поперечное поле, φ = 270°; пунк-тирная линия - осевое поле, φ = 75°

26

Рис. 10. Влияние направления магнитного поля на усиление КЗУ при различных напряжениях питания: 1-2,4 Кв, 2-3,0 хВ, 3-4,0 хВ В = 150 Гс

27

Рис. 11 . Влияние магнитного по-ля на скорость счета КЭУ при двух ориентациях относительно поля и напряжения питания 3 кВ а) наши данные: 1 - φ = 0°, 2 - φ = 2 5 5 ° ; U д И С К р = 0 , 0 2 ;

6) данные работы [з]( Bendix 4 0 1 0 ) ; 3 - магнитное

поле перпендикулярно, 4 - па-раллельно плоскости спирально-го канала

Рис. 12 . Амплитудные распреде-ления импульсов КЭУ в зависи-мости от магнитного поля и на-пряжения питания: 1) U =3 кВ, φ = 0°, В = 0 Гс, = 5 . 1 0 8 ; 2) U = 3 кВ, φ =0°, В = 1 7 5 Гс, М = 4 . 1 0 7 ; 3) U = 3 кВ, φ = 0°, В = 2 0 0 Гс, = 9 . 1 0 6 ; 4) =

= 3 кВ, φ = 2 5 5 ° , В = 1 7 5 Гс, = 5 . 1 0 8 , 5 ) = 3 кВ, =255°, B =275 Гс. = 3 . 1 0 7 ; 6) =

= 3 кВ, φ = 255°, B = 3 0 1 Гс, 8 . 1 0 6 ; 7) = 2,04 кВ.

φ=0°, B = 0 Гс, 8 . 1 0 6

Рис. 13. Влияние продольного магнитного поля на усиление МКП при различных напря-жениях питания: 1 - 800 в, 2 - 1000 В, 3 - 1200 в

Рис. 14. Влияние поперечного магнитного поля на усиление МКП при различных напря-жениях питания: 1 - 800 в, 2 - 1000 в, 3 - 1200 в

Рис. 15. Зависимости усиления МКП от направления магнит-ного поля различной величинй: 1 - 200 Гс, 2 - 400 Гс,

3 - 600 Гс, 4 - 800 Гс, 5 - 1000 Гс, 6 - 1200 Гс, 7 - 1600Гс, 8 - 1800 Гс, 9 - 2000 Гс, 10 - 2400 Гс. Напряжение пита-ния МКП - 1000 в

30

Рис. 16. Влияние магнитного поля двух различных направлений на скорость счета им-пульсов МКП: 1 - продольное направление поля, 2 - поперечное направление поля. Порог дискриминации = 0,1 = 800 .

Рис. 17. Амплитудные распределения выходных импульсоз МКП в зави-симости от напряжения питания и скорости счета: 1 + 5 - скорость счета 4.103 имп/сек, 6 - скорость счета 5.102 имп / сек. Напряжение пи-тания: 1 - 1000 в, 2 - 1100 в, 3 - 1200 в, 4 - 1300 в, 5 - 1400 в, 6 - 1400 в

32

Технический редактор Е.Д. Маркова

Τ-02938. 2.02.79 г. Формат 60×90/8. Уч-изд.л. 2,30

Тираж 200 экз. Заказ 268. Цена 23 кол. ИАЭ