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通道电子倍增器
贡献者：不爱吃窝瓜浏览：1274次 创建时间：2015-04-20
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通道电子倍增器
通道电子倍增器（CHANNELTRON ELECTRON MULTIPLIER）是一种新型的电子倍增器件，区别于金属打拿极的电子倍增器，是二维连续打拿极的电子倍增器。主要功能是放大微弱信号，它可用于检测电子、离子、α、β、χ射线、真空紫外线，亚稳态分子等，其优点是体积小，结构简单，增益高、噪声低，响应速度快和耗电小等。被广泛用于精密分析仪器中。如各种质谱仪，电子能谱仪，光电子谱仪，离子谱仪，等离子谱仪等。
中文名通道电子倍增器
外文名CHANNELTRON ELECTRON MULTIPLIER
主要功能放大微弱信号
用 于检测电子、离子、α、β
目录
1应用情况
2背景知识
3工作原理
1应用情况
电子倍增器广泛的应用于各种分析仪器中，用来探测微弱的离子、电子和紫外光信号。这些分析仪器包括气相和液相色谱-质谱联用仪(GC or LC MS)、基质辅助激光解析
电离飞行时间质谱仪(MALDI-TOF)、残余气体分析仪(RGA)、电子能谱仪和扫描电子显微镜(Auger and SEM)。这些仪器都是用来辅助分辨未知材料的，在某些情况下检测微量杂质可以达到十亿分之几的水平。最常用的探测器是通道式电子倍增器(CEM)。Burle Electro Optics的工程师发明了一种新的电子倍增器(MAGNUM? Electron Multiplier)，这种探测器增大了线性输出电流，减小了噪声，延长了探测器寿命，从而整体的提升了探测器的性能。
2背景知识
电子倍增器的发展可以上溯到人们发现某些材料在受到高能带电粒子轰击后能够大量发射二次电子的时候。这之后，物理学家就很快就开始了使用带有多重碰撞级装置的探测器制作分析仪器的工作。这种带有多重碰撞级的装置有一系列经过特殊处理的金属表面，这样就可以达到放大微弱信号的目的。上世纪50年代，Bendix Research Labs in Ann Arbor Michigan(later Galileo Corp., now BURLE Electro-Optics, Inc.)的工程师开始了把掺杂了碱金属的铅玻璃作为倍增表面的试验，这在当时是个很伟大的突破。不同于当时的离散打拿极，这种材料甚至在大气压强下时仍能维持其二次电子发射性能，这样就使得特殊处理的金属打拿极无用武之地。这种装置很快就从平行板连续倍增器——利用电磁场推进级联电子到阳极的磁电子倍增器，发展到了不需要磁场的导电铅玻璃管。现在我们知道这种装置就是单通道电子倍增器(SCEMs)，Channeltron?就是单通道电子倍增器的的著名商标。Figure 1列举了今天使用到的各种型号。
3工作原理
当电子倍增器工作的时候，先是一个带电粒子或载能光子撞击到倍增器的输入表面，然后向真空激发出数个二次电子。掺杂了碱金属的发射层有更小的表面逸出功，增加了激发出的二次电子的数量。在二次电子穿越通道管的过程中，它会多次碰撞到通道管的管壁上，这样就能连续的产生大量的二次电子。在发射层的下方是电阻铅玻璃层，它能在通道管内部产生从输入端到阳极逐渐增高的电势，在这个电势差下电子被加速。上述过程不停的重复，直到产生的电子云全部离开通道管，被阳极接收。
改变加在电子倍增器上的电压会同时改变电子轨迹和每次碰撞产生的二次电子数目。这样，倍增器的增益就是可调的。选择合适的偏压可使单一离子从撞到倍增器的输入端开始到阳极接收，共产生一亿个电子。
然而，一些因素会限制CEM的应用：输出电流、探测器寿命和噪声。倍增器能产生的最大线性输出电流受到通道管内存储的电荷量和通道管的电荷补充速度的限制。通道管可以看作是一个RC电路，当通道管释放了所有存储的电荷后，它必须从流过导电层的电流中获得补充。如果能在老化前的倍增过程中提供更多的电荷，也就能给通道管带来更长的寿命。
实际上，电子倍增器的寿命是有限的。倍增器的寿命是一个重要的性能参数。即使在正常情况下，倍增器的增益也会由于使用而逐渐变小，这就需要根据仪器灵敏度的要求定期的调整电压，使增益保持在适当的水平。最终，电压不能再继续增加，这时候就只能更换倍增器了。在很多仪器里，要想更换倍增器，就需要停机4 – 24小时。今天，大多数仪器更换倍增器的时间间隔会依据使用情况的不同，一般在3个月到2年之间。
因此，倍增器的长寿命就成了很有实际价值的参数，即能减少更换探测器的频率。探测器最初的增益也会影响到倍增器的寿命。如果最初的增益比较高，就要让仪器的工作电压适当的低一些。更低的初始电压设置能够在更大程度上补偿后来必然发生的探测器增益下降。
倍增疲劳，表现为在使用过程中的增益下降。它的发生有两种理论机制：第一种，是由二次电子持续轰击发射表面所产生的放射损伤引起的，这种退化来自于发射表面的碱金属耗尽，偶尔也会出现发射表面被完全溅蚀的情况。这种损伤正比于从单位面积的通道管上萃取的电荷总数。因此，增加有效的通道管面积就能延长探测器寿命。第二种倍增疲劳的机制是真空环境中的污染物覆盖了发射表面。应用和分析技术的不同使得清洁环境也不一样。
最后，探测器的信噪比会限制对微弱信号的探测。离子反馈对探测器噪声的贡献很大。离子反馈发生在通道管内的残余气体在电场中被电离的时候，这些离子被向二次电子的反方向加速，最终撞击到通道壁上。如果这些离子在碰撞前获得了足够的能量，那它们也会在撞击到通道壁上的时候激发出二次电子。这些由残余气体离子激发的二次电子经过倍增后也同样产生输出信号，但这些信号并不反映真正的输入事件。
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