Qualitätskontrolle / Verstärkungscharakteristik
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Messung der Verstärkungscharakteristik

Die Verstärkung eines Elektronenvervielfacher-Kanals hängt von der angelegten Spannung ab. Die Verstärkung steigt kontinuierlich mit der Betriebsspannung, bis eine Sättigung erreicht ist. Wegen der durch die Elektronenwolke am Kanalende auftretenden Raumladungsbegrenzung kann die Verstärkung nicht über einige 10e8 gesteigert werden. Wenn sich die Elektronenwolke dem Ausgang des Kanal nähert, führt die Raumladung zu einer Abstoßung, die Sekundärelektronen zurück an die Wand treibt, bevor sie aus dem elektrischen Feld genug Energie aufgenommen haben, um weitere Sekundärelektronen auszulösen. Das Einsetzen der Raumladungsbegrenzung und damit der Nichtlinearität der Verstärkung setzt bei einem Wert von etwa 5 x 10e7 in der Verstärkungscharakteristik ein.

Für das Messprotokoll, das jedem ausgelieferten CEM beiliegt, wird die Verstärkungscharakteristik erst nach der Einbrennphase gemessen, so dass jeder Detektor bereits mehrere Stunden in Betrieb war und die Verstärkung das stabile Plateau erreicht hat. Dieses Verfahren stellt sicher, dass Verstärkungscharakteristiken nicht zu hohe Werte anzeigen und verschiedene CEMs miteinander vergleichbar sind. Die Kenntnis der Verstärkungscharakteristik ist auch erforderlich, um einzelne Detektoren für CEM-Arrays auszuwählen.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 7 Typische Verstärkungscharakteristiken für Standard-CEMs (links) und EDR-CEMs (rechts)
Abb. 9 Messung des Betriebsspannung ggn. Zählraten-Diagramms mit richtiger (- 5 mV) und falscher (- 3 mV) Diskriminatorschwelle und unterschiedlicher Totzeit (gemessen mit MEASAR)

 

 

Bestimmung des optimalen Arbeitspunktes

Sehr wichtig für den Experimentator ist es, den optimalen Arbeitspunkt festzulegen, an dem der Elektronenvervielfacher-Kanal betrieben werden soll. Die Betriebsspannung sollte so niedrig wie möglich sein, um die Lebensdauer des CEMs nicht zu verkürzen. Eine angelegte Spannung oberhalb des optimalen Wertes führt lediglich zu einer Zunahme der Ladung pro Ausgangspuls und damit der Verstärkung, ohne einen Vorteil für die Messgenauigkeit zu haben.

Abb. 8 Bestimmung des optimalen Arbeitspunktes mit Hilfe einer konstanten Strahlenquelle

Der optimale Arbeitspunkt ergibt sich aus dem Diagramm "Zählrate ggn. Betriebsspannung", in dem die in einem gegebenen Zeitintervall gemessene Zählrate gegen die angelegte Spannung aufgetragen wird. Diese Messung kann auf einfache Weise mit vielen konstanten Strahlenquellen (z.B. Vakuum-Meßröhren, Massenspektrometern) durchgeführt werden. Unabhängig davon muß sichergestellt sein, dass durch die Polarität der angelegten Hochspannung am CEM-Eingang keine Potentialbarriere für die nachzuweisenden Teilchen entsteht, was zu einer Wiederabnahme der Zählrate mit steigender Betriebsspannung führen würde. Der optimale Arbeitspunkt liegt knapp oberhalb des Abknickens der Kurve in den nichtlinearen Sättigungsbereich (roter Kreis). Die optimale Betriebsspannung für einen neuen Elektronenvervielfacher-Kanal liegt typischerweise zwischen 2.1 und 2.2 kV.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Setzen der Diskriminatorschwelle und der Totzeit

Die einstellbare Diskriminatorschwelle des Vorverstärkers ist die Grenze in mV, ab der negative Ausgangsssignale der CEMs in positive Ausgangssignale gewandelt werden. Pulse, die niedriger sind, werden unterdrückt und daher nicht mitgezählt. Wenn die Diskriminatorschwelle korrekt gesetzt ist, wird weder elektronisches Rauschen gezählt, noch gehen bei hohen Zählraten Pulse verloren. Ein typischer Wert für eine korrekt eingestellte Diskriminatorschwelle ist - 5 mV. Bei diesem Schwellenwert werden kleine Pulse aus elektronischem Rauschen nicht detektiert und bei sehr hohen Zählraten, bei denen die Verstärkung der Elektronenvervielfacher abnimmt, ist der Verlust an Pulsen akzeptabel.

Ebenso sollte die Totzeit des Vorverstärkers nicht zu kurz oder zu lang sein. In der Einbrennphase können Mehrfachpulse auftreten, die die Messungen verfälschen. In diesem Fall ist es empfehlenswert, eine Totzeit von 100 ns einzustellen. Später kann die Totzeit auf einen Wert von 30 ns oder 60 ns gesetzt werden, abhängig davon, ob die Messung bei sehr hohen Zählraten durchgeführt werden soll oder nicht.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zu diesem Zweck wird die angelegte Betriebsspannung bei konstanter, nicht zu hoher Zählrate, schrittweise erhöht. Bei ungefähr 1600 V setzt das Signal ein; die Zählrate sollte mit steigender Hochspannung gleichmäßig anwachsen, bis es im Bereich des Arbeitspunktes abknickt und in ein Plateau mit geringer Steigung übergeht. Wenn ein anderer Kurvenverlauf zu sehen ist, sollten die Werte für die Diskriminatorschwelle und/oder die Totzeit korrigiert werden.

 

 
Abb. 1 Schema der Messung für die Verstärkungscharakteristik
 
Abb. 2 Eine offene Glühlampe liefert die thermischen Elektronen für die Messungen
 
Abb. 3 Oszilloskopaufnahmen von typischen Ausgangspulsen bei 2.4 kV Betriebsspannung und einer Zählrate von 10.000 cps, aufgenommen mit einem Agilent DSO6032A Oszilloskop (Skala: 50mV vertikal und 50 ns horizontal)
 
Abb. 4 Setzen der Diskriminatorschwelle und der Totzeit mit der MEASAR Software
 
 
Abb. 5 Setzen der Totzeit und der Diskriminatorschwelle beim Vorverstärker PAD06
 
 
Abb. 6 Das Überschwingen der Signale, das durch Reflexionen im Signalkabel erzeugt wird, verstärkt sich mit der angelegten Spannung. Die Bilder zeigen Ausgangspulse bei 1.6 kV, 2.1 kV, 2.7 kV und 3.2 kV. Die Skala ist 5 mV. Das Überschwingen führt zu einem falschen Betriebsspannung ggn. Zählraten-Diagramm bei einer Diskriminatorschwelle von - 3 mV in Abb. 9
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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