Многослойный газовый электронный умножитель

Полезная модель относится к устройствам для детектирования заряженных частиц и ионизирующих излучений и может применяться в различных областях ядерной физики и прикладных исследованиях. Газовый электронный умножитель (ГЭУ, англ. аббревиатура GEM - Gas Electron Multiplier) относится к основным элементам газовых детекторов заряженных частиц и ионизирующих излучений. Типичный детектор на основе ГЭУ содержит три узла: катод с катодным (рабочим или дрейфовым) зазором, усилительный элемент (один ГЭУ или каскад ГЭУ) и анод с анодным (индукционным) зазором. Как следует из названия устройства, в ГЭУ происходит лавинное умножение электронов, первоначально образованных в рабочем зазоре на входе и поступивших в индукционный зазор на выход. Первичные электроны дрейфуют в рабочем зазоре к отверстиям ГЭУ, ускоряются под воздействием образованных в отверстиях электрических полей до энергии, при которой возможна вторичная ионизация. В результате лавинного процесса умножения электронов в отверстиях ГЭУ в индукционном зазоре создается заряд, достаточный для регистрации его координат. Для регистрации последнего имеется множество методов и схем, например на анодном электроде создаются пэды или стрипы (металлические полоски), каждый из которых подключен к усилителю.
Впервые ГЭУ описан в работе: Nuclear Instruments and Methods, A 386 (1997), c. 531 [1] и патент US 006011265 [2]. Конструктивно ГЭУ представляет собой тонкую, гибкую диэлектрическую пластинку, выполненную из полиимидной пленки – каптона - толщиной 50 микрон, покрытой с двух сторон медной фольгой, в которой проделано множество сквозных отверстий. ГЭУ этой конструкции получили название "тонких", они изготавливаются методом фотолитографии и химического травления как металла, так и каптона. Для увеличения коэффициента усиления применяют многокаскадное включение ГЭУ. Каскады создаются путем размещения пленок ГЭУ на определенном расстоянии друг от друга. Образованные зазоры называются транспортными, в них нет размножения электронов. Электроны с выхода первого каскада попадают в отверстия следующего каскада, где также лавинно умножаются и т.д. (таких усилительных каскадов в детекторе может быть несколько). Заряды электронной и ионной компонент, образованные в результате лавинной ионизации в отверстиях, равны по абсолютной величине, но дрейфуют в электрическом поле в противоположных направлениях с существенно разными скоростями и на окружающих металлических элементах индуцируют импульсы. Так, на аноде возникают импульсы отрицательной полярности, а на электродах последнего каскада ГЭУ - положительной полярности. Эти импульсы содержат электронную (быструю) и ионную (медленную) компоненты одинаковой полярности.
Недостатком тонкого ГЭУ является значительная электрическая емкость между обкладками образованного электродами конденсатора, а т.к. эта емкость заряжена, то накопленная на емкости электрическая энергия в случае пробоя может вывести прибор из строя, при этом триггером может послужить, например, регистрация сильно ионизирующей альфа-частицы, образованной энергичной частицей в конструкции детектора.
2
-11
Для уменьшения электрической емкости вводят сегментацию электродов, которую выполняют, например, с одной стороны металлизированного каптона. При размерах сегмента 100×100 мм и толщине пленки каптона 50 микрон получим электрическую емкость, равную 8000 пФ, и запасенную энергию 1 мДж при напряжении 500 В. В случае пробоя эта энергии уходит в искру в отверстии. В таблицу, приведенную ниже, сведены результаты вычислений для различных устройств, оценена температура в отверстии при искровом пробое (для справки, температура плавления каптона ~400°C). Значения емкости, энергии и температуры, приведенные в таблице, считаются предельно допустимыми, если разряды в газе происходят достаточно редко. Вероятность образования энергичной альфа-частицы в материале тонкого ГЭУ, которая может вызвать пробой, полученная измерением на интенсивном пучке адронов с энергией 200 МэВ, составляет 10 [1]. Как показывает практика, детекторы, выполненные на тонких ГЭУ, длительное время работающие на интенсивных адронных пучках, даже с указанной выше сегментацией электродов выходят из строя.
Известны "толстые" ГЭУ (англ. аббревиатура THGEM - thick GEM) с диаметром и шагом отверстий, с толщиной пластин стеклотекстолита, в 5-20 раз большей, чем у тонких ГЭУ: Nucl. Instrum. Meth. А 598 (2009), с. 107 [3]. Существенным преимуществом толстых ГЭУ над тонкими ГЭУ является простота проектирования, а также относительно низкая стоимость их изготовления в промышленности производства печатных плат. Толстые ГЭУ для увеличения усиления также каскадируют, разделяя их транспортными зазорами.
Недостатком толстых ГЭУ является большая запасенная электрическая энергия на образованном электродами конденсаторе (см. таблицу при той же сегментации), т.к. увеличивается рабочее напряжение при увеличении толщины плат, а энергия пропорциональна квадрату напряжения. В случае электрического пробоя, инициированного сильно ионизирующими частицами - альфа-частицами и ядрами, такая энергия приводит к нежелательным повреждениям поверхности электродов, способна сократить время жизни детектора. В толстых ГЭУ большие отверстия, поэтому в сигнале наряду с быстрой электронной компонентой присутствует заметная ионная компонента в виде "хвоста", обусловленного индукционным воздействием на считывающий электрод медленно дрейфующего положительного заряда, образованного на выходе последнего каскада ГЭУ. Ионный хвост в сигнале увеличивает длительность выходного импульса, как следствие, увеличивается мертвое время канала регистрации: ПТЭ, 2016, №1, стр. 61-67 [4], что является еще одним недостатком толстого ГЭУ в сравнении с тонким.
Известно устройство многоканального электронного умножителя с повышенной устойчивостью к электрическим пробоям: патент РФ 2417384 [5], в котором электроды выполнены из тонких металлических нитей в виде двух слоев полос, размещенных в газе, причем полосы одного слоя расположены ортогонально полосам другого слоя и вместе образуют прямоугольные отверстия.
Серьезным недостатком этого устройства является низкое быстродействие, т.к. сигнал содержит значительную ионную компоненту, определяющую длительность импульсов.
Известно устройство многослойного ГЭУ, описанное в патенте RU 2383035 [6], в котором каскады ГЭУ соединены в одно целое в виде многослойной печатной платы без транспортных зазоров, где первый ГЭУ имеет общий электрод со вторым ГЭУ, а второй - общий электрод с третьим ГЭУ
Недостатком известного многослойного ГЭУ является невысокая надежность, т.к. относительно большая запасенная электрическая энергия на образованных конденсаторах структуры в случае пробоя, инициированного сильноионизирующими частицами, может повредить или вывести из строя умножитель.
Прототипом заявляемого устройства является многослойный ГЭУ: патент RU на полезную модель №135425 [7]. Это газовый электронный умножитель в многокаскадном включении, каскады которого соединены в одно целое в виде многослойной печатной платы, причем первый ГЭУ имеет общий электрод со вторым ГЭУ, а второй с третьим и т.д. Считывание усиленного сигнала производится с нижней поверхности многослойной печатной платы. В состав многослойной печатной платы введены экранирующие электроды в количестве не менее одного, выполненные в виде дополнительных слоев печатной платы, расположенные после усилительных слоев ГЭУ и имеющие сквозные отверстия, которые совпадают с отверстиями ГЭУ, причем каждый экранирующий электрод имеет диэлектрический ободок вокруг отверстий и в рабочем режиме заземлен при помощи блокирующих конденсаторов.
Технический результат описанного решения - уменьшение длительности импульса и мертвого времени канала регистрации, повышение быстродействия детектора.
Недостатком известного многослойного ГЭУ является значительные межэлектродные емкости и запасенная в слоях структуры электрическая энергия, что при регистрации сильно ионизирующих частиц может приводить к пробоям, сокращающим время жизни устройства, поэтому для уменьшения емкостей требуется соответствующая сегментация электродов.
Техническим эффектом данного устройства является уменьшение межэлектродных емкостей и энергии в случае электрического пробоя, что приводит к повышению надежности устройства при сохранении высокого быстродействия детектора за счет исключения ионного хвоста в выходном сигнале.
Поставленная цель достигается тем, что в известном многослойном газовом электронном умножителе, выполненном как одно целое в виде многослойной печатной платы, новым является то, что металлические поверхности каждого последующего слоя платы выполнены в виде ортогонально ориентированных друг относительно друга стрипов (металлических полосок) с включенным последовательно с каждым стрипом резистора, например, 100 кОм.
На фиг. 1 изображен многослойный газовый электронный умножитель, где 1 - слои умножения; 2 - экранирующие слои, где пунктирной линией показано, что металл электродов не имеет выхода в отверстие, т.к. вытравливается больше, например, на 100 мкм, и образованный зазор заплывает при склеивании слоев платы препрегами; 3 - считывающие слои, при этом координаты X и Y определяются по номеру сработавшего стрипа. Стрелками указаны направления дрейфа электронов 4 и положительных ионов 5. Рабочие напряжения на электроды многослойной структуры подаются через выводы стрипов 6.
На фиг. 2 и фиг. 3 изображена смежная пара слоев, обозначенных 7 и 8, многослойной печатной платы со сквозными отверстиями 9 и ортогонально ориентированными стрипами 10, 11, изготовленными фотолитографией с последующим травлением по технологии производства многослойных печатных плат. При этом стрипы располагаются с шагом, равным шагу отверстий, между отверстиями и выполнены по возможности узкими, а в окрестности отверстий - больше диаметра последних по ширине. Стрипы разделяются друг от друга резисторами 6, например, нанесением резистивной пленки на их концы. Схемы подключения резисторов к стрипам могут отличаться, как показано на фиг. 2 и фиг. 3. Для удобства подключения рабочего напряжения к электродам структуры резистивные шины выведены через металлизированные отверстия наружу многослойной печатной платы.
Устройство работает следующим образом. Через соответствующие выводы 6 на электроды, в том числе расположенные в глубине многослойной платы, прикладываются напряжения, обеспечивающие правильное функционирование каждого слоя. В усилительных слоях 1 (фиг. 1) напряженность электрического поля должна быть больше порога ионизации и составлять, например, 30 кВ/см, в транспортных и экранирующих слоях 2 - меньше, например E=1 кВ/см, в считывающих слоях 3 - также меньше, чем в усилительных слоях, например E=5 кВ/см. Первичные электроны, попавшие из рабочего зазора детектора в отверстия ГЭУ, продвигаются вглубь структуры соответствующим электрическим полем. В усилительных слоях происходит умножение электронов за счет лавинной вторичной ионизации. Образовавшиеся вторичные электроны 4 дрейфуют дальше, а положительные ионы 5 - назад. Электронная компонента заряда 4 собирается считывающими слоями 3, расположенными после экранирующих слоев, например, половина электронов попадает на стрипы X, а половина на стрипы Y, что достигается выбором напряжения на электродах. Сигналы на выходе будут формироваться по мере собирания всех электронов из отверстия одной полярности - отрицательной. Выходной сигнал содержит быструю электронную компоненту без медленного ионного хвоста, т.к. влияние ионов экранируют электроды 2 [7].
2
-6
При ширине стрипов 1 мм и толщине слоя многослойной платы 0.1 мм электрическая емкость между соседними слоями, приведенная к одному отверстию, составляет 0.4 пФ, а накопленная энергия W=CU/2=10 Дж, что на 3 порядка меньше, чем в прототипе и аналогах со сплошными электродами (см. таблицу). Чем меньше накопленная на конденсаторе C, заряженном до напряжения U, энергия W, тем выше надежность устройства. Предельная ширина треков в печатных платах может составлять доли миллиметра, 0.1-0.2 мм, что позволяет дополнительно уменьшить межэлектродную емкость, используя стрипы в 5-10 раз более узкие. Запасенная энергия порядка 1 мкДж, а тем более меньшая, не может быть опасной для конструкции детектора с электродами в виде ортогонально ориентированных стрипов. Такая модификация конструкции (стрипы) не приводит к увеличению стоимости изготовления ГЭУ по технологии печатных плат. При этом запасенная энергия не зависит от размеров ГЭУ, отпадает необходимость в сегментации.
искр
В приведенной таблице показано, что с учетом теплоемкости наполняющего камеру газа, а также принятого объема искрового канала V с плотностью плазмы ρ локальный нагрев при электрическом пробое составляет 0.1 градуса в заявляемом ГЭУ, что в тысячи раз меньше чем в известных ГЭУ.
Следует подчеркнуть, что съем координатной информации с предложенного многослойного электронного умножителя может, кроме того, производиться вне структуры, например, с помощью отдельного электрода, выполняющего роль анода и имеющего свои стрипы X и Y или пэды, установленного с индукционным зазором, как это делается в известных детекторах на базе газовых электронных умножителей: Вестник НГУ, серия: Физика, 2008, Том 3, вып. 3, с. 60 [8].
Литература
1. F. Sauli, GEM: a new concept for electron amplification in gas. Nuclear Instruments and Methods, A 386 (1997), 531.
2. F. Sauli, Radiation detector of very high performance. US 006011265 A.
3. A. Breskin et al. A concise review on THGEM detectors. Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009), 107.
4. Э.В. Аткин и др. Тестирование прототипов детекторов для мюонной трековой системы эксперимента СВМ на ускорителе PS в ЦЕРН. ПТЭ, 2016, №1, стр. 61-67.
5. Б.М. Овчинников, В.В. Парусов. Многоканальный газовый электронный умножитель. Патент РФ 24173 84, 03.11.2010.
6. В.В. Скворцов. Многослойный газовый электронный умножитель. Патент RU 2383035 C1, 26.05.2008.
7. А.П. Кащук и др. Газовый электронный умножитель. Патент на полезную модель RU 135425 U1, 18.07.2013 – прототип.
8. А.Ф. Бузулуцков. Физические основы работы каскадных газовых электронных умножителей (обзор). Вестник НГУ. Серия: Физика. 2008. Том 3, вып. 3, с. 60.