Time-zero detector based on microchannel plates and a friable dielectric emitter

HAL Id: in2p3-00833813

http://hal.in2p3.fr/in2p3-00833813

Submitted on 13 Jun 2013

HAL is a multi-disciplinary open access

archive for the deposit and dissemination of

sci-entific research documents, whether they are

pub-lished or not. The documents may come from

teaching and research institutions in France or

abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est

destinée au dépôt et à la diffusion de documents

scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,

émanant des établissements d’enseignement et de

recherche français ou étrangers, des laboratoires

publics ou privés.

Time-zero detector based on microchannel plates and a

friable dielectric emitter

S.M. Lukyanov, M. Lewitowicz, Yu.E. Penionzhkevich, G.G. Chubarian, D.

Bazin, D. Guillemaud-Mueller, A.C. Mueller, M.G. Saint-Laurent

To cite this version:

S.M. Lukyanov, M. Lewitowicz, Yu.E. Penionzhkevich, G.G. Chubarian, D. Bazin, et al.. Time-zero

detector based on microchannel plates and a friable dielectric emitter. [Research Report] GANIL.

1986, pp.1-12. �in2p3-00833813�

V

?&?Î0\$.Ol.

rs

<^s\

< '

'

! ;

1

î

TIME-ZERO DETECTOR BASED ON MICROCHANNEL \

PLATES AND A FRIABLE DIELECTRIC EMITTER A

by

S.M. Lukyanov

), M. Lewitowicz

), Yu.E.

Penionzhke-vich

), C.G. Chubarian

), D. Bazin"), D.

Guillemaud-Mueller"), A.C. Guillemaud-Mueller"), M.G. Saint-Laurent").

1

)

JINR, Dubna, USSR

2

) Polish Atomic Agency, Warsaw, Poland

3

) Yerevan Institute of Physics, Yerevan, USSR

*) GANIL, Caen, France

S.M. Lukyanov , M. Lewitowicz ' , Yu.E. Penionzhkevich , 

C.G. Chubarian  ' , D. Bazin , D. Guillemaud­Mueller  ' , A.C. Mueller  ' , 

•« >

M.G. Saint-Laurent ' .

TIME-ZERO DETECTOR BASED ON'MICROCHANNEL PLATES AND A FRIABLE

DIELECTRIC EMITTER

1) JINR, Dubna, USSR

2) Polish Atomic Agency, Warsaw, Poland

3) Yerevan Institute of Physics, Yerevan, USSR

r

I - INTRODUCTION

In the recent years the  t i m e ­ o f ­ f l i g h t technique was widely used to  determine the mass of heavy­ion reaction products. One of the reasons  f o r  t h a t  i s the  p o s s i b i l i t y  o f using the transmission detectors based on  microchannel plates (MCP)  f o r measuring the  t i m e ­ o f ­ f l i g h t of passing  p a r t i c l e s '1

" ' " ' . The main advantages of such detectors are a high time  r e s o l u t i o n  ( i n t r i n s i c time  r e s o l u t i o n of about 70­100  p s ) , the  r e l i a b i l i t y  and simple design. 

A MCP  i s used  i n time­zero detectors as a  f a s t  m u l t i p l i e r of  secondary electrons, emitted by charged  p a r t i c l e s passing through a  f o i l and  then isochronously  c o l l e c t e d  w i t h a  m a g n e t i c ' ,1

' or  e l e c t r o s t a t i c '2

' systems  on the MCP's mounted  i n a chevron  c o n f i g u r a t i o n ! 

The  t y p i c a l  m u l t i p l i c a t i o n  f a c t o r  f o r a  c o n f i g u r a t i o n  w i t h two MCP  i s  1 06

­ 1 07 . 

For the measurements of  f i s s i o n fragments or  f i s s i o n ­ l i k e products  ( w i t h an energy ~ 2 MeV/n  e m i t t e r s ) from  t h i n (10­30 (ig/cm^) organic or  carbon  f o i l s give an  e f f i c i e n c y of about 100 %. For high­energy  r e a c t i o n  p r o d u c t s , however, these  e m i t t e r s are inadaquate because  o f the very low  (<1) secondary  e l e c t r o n emission  c o e f f i c i e n t '6

' . For example,  f o r e  w i t h  an energy  o f 7.5 MeV/n the  e f f i c i e n c y  o f  d e t e c t i o n was only a few percent  f o r a  t r 1 n i t r o c e l l u l o s e  e m i t t e r '6

' . 

One  o f the most  e f f e c t i v e and simplest way to increase the  d e t e c t i o n  e f f i c i e n c y  i s , In our view, to use  e m i t t e r s  w i t h  c o n t r o l  o f secondary 

n a/  e l e c t r o n emission (CSEE) by means  o f  f r i a b l e  d i e l e c t r i c s ' . 

The CSSE 1s the process of  e l e c t r o n emission from the  l a y e r of a  f r i a b l e  d i e l e c t r i c  i n the strong  e l e c t r i c  f i e l d produced between two  electrodes placed on both sides of the  l a y e r . 

The  f r i a b l e  d i e l e c t r i c layers are produced by evaporation in a  vacuum of  C s l , KC1 or LiF sal ta onto a support which is used, at the same  time as one of the  e l e c t r o d e s . The evaporation  i s provided in an  i n e r t gas 

at a pressure of several  t o r r s , whereas layers of magnesium oxide ) are 

obtained by  d e f l a g r a t i o n of  p o l y c r y s t a l l me magnesium in  t h i n  a i r and by  d e p o s i t i n g  i t s oxide onto a support. Depending on the evaporation conditions  (the  d e f l a g r a t i o n temperature, the distance between magnesium and  c o l l e c t i n g  supports,  a i r pressure, deposition  t i m e , etc)  i t is possible to obtain 

layers  w i t h a thickness from 30 ^g/cm2

  t o several mg/cm2

  w i t h a  r e l a t i v e 

density  p/p. ranging from 0.3 to serveral percent (p<, being the density of a 

MgO monocrystal  ) . As a  r e s u l t of  t h a t evaporation process, a  f r i a b l e  d i e l e c t r i c  e m i t t e r  w i t h the channel  s t r u c t u r e presented in  f i g .  1 ,  i s  produced. The  i n v e s t i g a t i o n s of CSEE show  t h a t  f o r  f r i a b l e  d i e l e c t r i c s the  c o e f f i c i e n t of secondary  e l e c t r o n emission  i n an  e l e c t r i c  f i e l d  o f E > 3XI01

* 

Y/cm  i s more than 102

 times greater than  t h a t  f o r normal  s o l i d s ' *7

' . This  f a c t can be explained as  f o l l o w s : the emission of electrons occurs from the  e n t i r e volume  o f a  f r i a b l e  d i e l e c t r i c and then  t h e i r number  i s  m u l t i p l i e d  i n  t h e  i n t r i n s i c channels  i n the  s t r o n g  e l e c t r i c  f i e l d . In such an  I n t e r p r e t a t i o n  t h e CSEE process  i s  v e r y  s i m i l a r  t o the  e l e c t r o n  m u l t i p l i c a t i o n  i n a  M C P/ 9 /

. 

I I ­ DESCRIPTION OF THE TIME­ZERO OETECTOR 

The  p r i n c i p l e of operation and design features  o f our detector are  analogous  t o those presented  i n  r e f . '2

' .  F i g . 2 shows a schematic view of  the  d e t e c t o r . The detector consists of  f i v e parts : a CSEE  e m i t t e r  w i t h a  MgO  l a y e r , an  a c c e l e r a t i o n harp, an  e l e c t r o s t a t i c  m i r r o r , two MCP's  i n a  chevron  c o n f i g u r a t i o n and a  f l a t anode. A MgO  d i e l e c t r i c has been chosen  because  o f  i t s high nonhygroscopic  p r o p e r t i e s  ( i n  c o n t r a s t  t o other 

d i e l e c t r i c s such as  C s l , '<C1 and Li F ) and, at the same time, of  i t s very  good  e l e c t r o n emission  c h a r a c t e r i s t i c s . A layer of MgO was evaporated onto a  nickel  g r i d with a  t h i n (~ 10 ug/cin2)  t r i  n i t r o c e l l u l o s e  f o i l as a backing.  In order to obtain a high  m u l t i p l i c a t i o n  c o e f f i c i e n t at an  a c c e l e r a t i o n of  emitted electrons to an energy of about I XeV, an  e l e c t r i c  f i e l d  o f 5 > 10"  V/cm  i s applied between the  g r i d ­ s u p p o r t of MgO and the  a c c e l e r a t i n g harp.  A f t e r bending  i n the  e l e c t r o s t a t i c  m i r r o r through 90  the  e l e c t r o n s were  c o l l e c t e d on the MCP's where  t h e i r number  i s  m u l t i p l i e d by  1 06

­ 1 07  times.  Output pulses are obtained from a  f l a t anode placed under the MCP's. The  main  c h a r a c t e r i s t i c s of our detector are presented un table  1 . 

«

A  t e s t  o f the  d e t e c t o r has been performed  w i t h a heavy­ion beam from  the GANIL  a c c e l e r a t o r . 1S()8+  io ns  w i t h an energy of 50 MeY/n bombarded a  gold  t a r g e t (thickness ~ 100 mg/cm2

). The  r e a c t i o n products were selected by  the LISE magnetic  s p e c t r o m e t e r ­ '1 0 /

. The time­zero detector was mounted  a f t e r  the seconu  d i p o l e magnet  o f the spectrometer  ( F i g .  3 ) . At about 6 m  downstream a 1 mm  t h i c k t£ semiconductor detector was placed at the  achromatic refocusing  p o i n t of the spectrometer. In order to sustain a not  too high counting  r a t e  f o r the AE detector the spectrometer was set to a  magnetic  r i g i d i t y corresponding to the transmission  o f  ( h e l i u m ­ l i k e )  I S O6

* .  The spectrometer was  U n i t e d  t o a momentum acceptance of ap/p = 0.2 %. The  output pulse from the time­zero detector was  d i r e c t e l y fed to a 7174 Enertec  constant  f r a c t i o n  d i s c r i m i n a t o r (CFD). The time signal derived from the aE  d e t e c t o r by means  o f a  f a s t  p r e a m p l i f i e r and another constant  f r a c t i o n  d i s c r i m i n a t o r served as a START  i n p u t  f o r a 566 ORTEC  t i m e ­ t o ­ a m p l i t u d e  converter (TAC) which was stopped by the delayed  t i m i n g signal of the 

time-zero detector.

The start and stop input had been reversed in order to not untimely

trigger the TAC on background pulses from the MCPS. The output p,:l ses from

the TAC were analysed by a SI LENA (Cato) multichannel analyser.

2) Results

The  e f f i c i e n c y of the detector depends of course  s t r o n g l y on the  d i s c r i m i n a t i o n  t h r e s h o l d . For the actual oxygen beam, representing the  "worst case" of a  l i g h t ion of high energy  ( i . e . small energy  l o s s ) , an  e f f i c i e n c y of 70 % was found  f o r a  d i s c r i m i n a t o r threshold of 70 mV,  decreasing to 50 "  f o r a  s e t t i n g  o f 150 mV. « 

The  r e s u l t of the time  r e s o l u t i o n measurement  i s shown  i n  F i g .  4 a ) ,  where a FWHM of 360 ps  i s obtained. This value  i s  c o n s i s t e n t  w i t h a  c o n v o l u t i o n of several  c o n t r i b u t i o n s which have to be taken  i n t o account : 

i ) the  t i m e ­ o f ­ f l i g h t  o f the oxygen  p a r t i c l e s over the 6 m distance  amounts to 65 ns which, since Ap/p = 0.2 % lead to a width of  —130 ps of the beam  i t s e l f ,  i i ) the  i n t r i n s i c width of the time­zero detector (~ 100 ps)  i i i ) the "walk" of the constant  f r a c t i o n  d i s c r i m i n a t o r . This  c o n t r i b u t i o n  i s  r e l a t i v e l y large since the  i n p u t pulses cover a  wide span. From the operating manual of the CFD a value of 270 ps  i s found  f o r an  i n p u t between several  v o l t s and the  t h r e s h o l d  s e t t i n g , 

i v )  t h e  w i d t h induced by the A£ detector  t i m i n g chain (~ 150 ps) 

F i g . 4b) shows  f o r comparaison, the  r e s o l u t i o n which  i s obtained by  stopping the TAC by the radio­frequency pulse of GANIL  a c c e l e r a t o r  i n  l i e u  o f the signal from the time­zero  d e t e c t o r . A FWHM  o f 680 ps  i s observed. 

This value is still relatively good and associated to the very satisfactory

operation of th.e new ECR ion source for gaseous materials. For metallic ions

however, produced by the PIG source, values of up to 2 ns have been found,

accompagnied by occasionnai phase shifts of several ns. Here the use of a

time-zero detector of the proposed type will apport a substancial

improvement.

The test of the detector will be persued with heavier beams in order

to obtain a complete picture of its potential and performance.

1. A.M.Zebelman et al. Nucl. Instr.and Moth., v.141, (1977), p.439

2. F.Duscn et al. N'ucl. Ins t r . and Meth., v. 171, ; 1930 ) , p . 7 1

. 

3. A.Oeu et al. Nucl.Instr. and Moth., v.179 (1931), p.253.

4. K.Kotte, G.Ortlepp, F.Stary, 5.M.Lukyanov ,

Workshop on heavy ions experiments, Varna, 1934,

JI.NR D7-34-736, Dubna 1934.

5. U

.0

.Draitriev et al. Sov. Journal Devices and Methods

of Experiments, N 2', 1931,p.7.

6 .

R.L.Kavalov et al. Gov. Journal Oeviaes and. .lethous

of Experiments, M 3, 1932, p.46.

7. N.P.Lorikan et al. N'uol.Inotr. and Methods, v.122, 1974, p.377

3. N .iN .Trof imchuk et al. Sov. Journal of Experimental and

Theoretical Physics, v.69, N 3, 1975, p.639.

9. A..\.Arvanov et al. Soviet Journal of Radio-engineering

and electronics, v.27, M 1, 1952, p.163.

TABLE 1

I - Secondary electron emitter

g r i d ­ s u p p o r t : Ni  w i r e s , 92 ο  t r a n s p a r e n c y ,  l a y e r of  t r i n i t r o c e l l u l o s e with thickness ~ 10 ug/cm2 

.  f r i a b l e  d i e l e c t r i c : MgO  w i t h  r e l a t i v e density  P/D < l%

(p« = 3.55  g / c m3

) , thickness > 100 ag/cm .  a c c e l e r a t i n g harp :  Be­bronze wires  w i t h 0 90 |iin, step between  w i r e s , lmrn.  .  e l e c t r i c  f i e l d , E =>10" V/cm 

I I ­  E l e c t r o s t a t i c  m i r r o r 

. two  p a r a l l e l harps (same as  a c c e l e r a t i n g  h a r p ) , distance between  them : 7.5 mm.  I I I ­ Electron  m u l t i p l i e r  . 2 MCP  i n a chevron  c o n f i g u r a t i o n , 0 56 mm each, distances MCP­MCP  and HCP­anode 1 mm each,  . anode : 0 60 mm  f l a t ,  .  m u l t i p l i c a t i o n  f a c t o r  1 0s ­ 1 07   a t high  v o l t a g e , 2.2 ­ 2.5 kv. 

Figure Captions 

F i g .  1 . Electron microscope photograph of the  f r i a b l e  d i e l e c t r i c layer  (MgO) evaporated onto a  g r i d ­ s u p p o r t .  F i g ,  2 . Schematic view of the time­zero  d e t e c t o r .  F i g . 3. Experimental  s e t ­ u p .  F i g .  4 .  T i m e ­ o f ­ f l i g h t spectra  f o r  ' 6 o6 +  ions measured  i n the systems :  a) time­zero detector­semiconductor AE detector,  b) time­zero detector ­ CSS2 accelerator radio frequency 

0304­ 12KU. . X338U00NIK HttiS 

-0-5 kV

channel 

plates 

^ 5 6 mm 

Telescope at the achromatic focal point

Et

, * &

R j . 3 

1 !

*0