Проволочный газонаполненный электронный умножитель

Полезная модель относится к устройствам для детектирования заряженных частиц и ионизирующих излучений и может применяться во многих областях экспериментальной физики и прикладных исследованиях.
Проволочный газонаполненный электронный умножитель (ГЭУ) является ключевым элементом детектора ионизирующих излучений. Детектор на основе ГЭУ образуется добавлением дрейфового электрода и конверсионного зазора, в котором возникает первичный заряд. Умножение первичного заряда в ГЭУ происходит в результате лавинного рождения электрон-ионных пар в зазоре умножения, расположенном между катодом и анодом ГЭУ.
Известны различные технические решения с лавинным умножением первичного заряда электронов в газе. В работе [1] (F. Sauli,GEM: a new concept for electron amplification in gas // Nuclear Instruments and Methods, A386 (1997), p. 531) и патенте [2] (F. Sauli, Radiation detector of very high performance // US 006011265 A) описано устройство ГЭУ, в котором умножение электронов происходит в отверстиях с высокой напряженностью электрического поля. Конструктивно этот ГЭУ содержит катод и анод, которые выполнены из медной фольги, нанесенной на гибкую полиимидную пленку (каптон) толщиной 50 микрон, в которой проделано множество сквозных отверстий диаметром 50 мкм с шагом 140 мкм. ГЭУ этой конструкции изготавливаются методом фотолитографии и химического травления как металла, так и каптона. Планарность зазора умножения «катод-анод» обеспечивается толщиной каптона.
Однако при таком техническом решении возникает нестабильность коэффициента газового умножения из-за накопления зарядов на каптоне - стенках отверстий, которое изменяет начальную напряженность электрического поля.
Недостатками устройства также являются низкая надежность, что обусловлено большой межэлектродной емкостью, которая в случае электрического пробоя в газе разряжается на плазму в отверстии и может вывести прибор из строя.
Известна конструкция проволочного ГЭУ, представленная в [3] (B. Ovchinnikov, et al. A Multichannel Wire Gas Electron Multiplier // Instrum. and Experimental Techniques, 2010, V. 53, №5, 653-656; arXiv: 1003.1240) и патенте [4] на изобретение RU 2417384 C1.
В отличие от [1] здесь устранен диэлектрик и повышена стабильность коэффициента газового умножения. Группами проволочек диаметром 100 мкм с намоткой во взаимно ортогональных направлениях созданы "окна" 0.5×0.5 мм наподобие отверстий с высокой напряженностью электрического поля, где происходит лавинное умножение первичного заряда. Первая группа проволочек выполняет функцию катода ГЭУ, а вторая - анода ГЭУ. Вторичный заряд из зазора умножения катод-анод транспортируется в индукционный зазор к считывающему электроду, как в [1]. Движение электронов в индукционном зазоре наводит сигналы на элементах считывающего электрода.
Недостатком рассматриваемой конструкции ГЭУ является сложность выполнения межэлектродной планарности, отклонение от нее может приводить к электрическим пробоям, что снижает надежность.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является проволочный ГЭУ [5] (М.Д. Шафранов, Т.П. Топурия. Координатный детектор высокого пространственного разрешения на основе многопроволочного газового электронного умножителя // Письма в ЭЧАЯ, 2001, №2, 105), который состоит из проволочных электродов - катода и анода, между которыми образован зазор умножения в виде «щели», т.к. проволочки расположены параллельно друг другу. Здесь, как в [1] и [2], за анодом ГЭУ следует индукционный зазор с элементами считывания координатной информации, например, стрипами.
В такой конструкции сложно обеспечить на большой площади планарность электродов. В частности, при действии электрических сил катодные и анодные проволочки притягиваются друг к другу. При нарушении планарности могут возникать электрические пробои, и тонкая проволочка либо катода, либо анода диаметром 30 мкм может оборваться, что снижает надежность.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования проволочного ГЭУ, в котором за счет конструктивных особенностей обеспечивается повышение надежности устройства на большой площади (например 1 метр).
Поставленная задача решается тем, что в проволочном ГЭУ, размещенном в герметичном корпусе, содержащем проволочный катод, анод и элементы считывания координатной информации, согласно полезной модели, анод выполнен резистивным в виде двух слоев пленки из алмазоподобного углерода (АПУ), при этом первый слой обращен к катоду, а второй - к источнику напряжения, резистивные слои нанесены соответственно на первую и вторую печатные проводящие решетки, смещенные друг относительно друга на полшага, электрически соединенные между собой переходными металлизированными отверстиями, интегрированные в структуру общей с элементами считывания многослойной печатной платы и расположенные на наружных сторонах платы.
Целесообразно выполнение резистивных слоев из АПУ, толщиной порядка 0.1 микрона с поверхностным сопротивлением порядка 20 МОм/квадрат. Два слоя позволяют уравновесить силы, вызванные внутренними напряжениями, возникающими при вакуумном напылении АПУ на поверхность подложки, и устранить коробление платы-подложки, на которые нанесен АПУ.
Предпочтительно между катодом и анодом установить поддерживающие элементы-спейсеры из диэлектрика - фоторезиста в виде гребней, например, шириной 300 микрон с шагом 10 мм, направленных под углом 45 градусов к проволочкам, при этих численных значениях площадь, занимаемая спейсерами, составит не более 5% от общей площади электродов.
Важно АПУ нанести поверх печатных проводящих решеток, смещенных на пол шага друг относительно друга, электрически соединенных между собой переходными металлизированными отверстиями, расположенных в узлах первой решетки под спейсерами.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, где Фиг. 1 - Фиг. 3 иллюстрируют конструкцию проволочного ГЭУ, а Фиг. 4 - Фиг. 6 поясняют функционирование устройства.
На Фиг. 1 схематически показан общий вид проволочного ГЭУ с дополнительным видом в сечении А, размещенного вместе с конверсионным зазором D в герметичном корпусе детектора.
На Фиг. 2 показаны печатные проводящие решетки, расположенные на наружных поверхностях многослойной платы, и их взаимное расположение в структуре платы. Шаг решеток выбирается кратным шагу проволочек k⋅s, где s - шаг проволочек, k - целое 1, 2, …, 10, …
На Фиг. 3 показаны поддерживающие элементы-спейсеры и их расположение относительно проволочек.
На Фиг. 4 показано, каким должно быть сформировано электрическое поле для правильной работы устройства.
На Фиг. 5 показано распределение плотности заряда как функция двух переменных - времени и расстояния.
На Фиг. 6 приведена эквивалентная электрическая схема, поясняющая функционирование предложенного устройства.
Предложенная конструкция ГЭУ позволяет создавать детекторы метровых размеров, т.к. базируется на промышленной технологии изготовления печатных плат и фотолитографии. Намотка проволочного катода может производиться с применением широкого ассортимента провода.
Проволочный ГЭУ содержит проволочный катод 1, выполненный из параллельных проволочек с шагом s; дрейфовый электрод 2 детектора, выполненного на основе проволочного ГЭУ, который совместно с катодом 1 образует конверсионный зазор D; поддерживавшие проволочки элементы-спейсеры 3 из диэлектрика; первый резистивный слой 4 из алмазоподобного углерода (АПУ), нанесенный на печатную проводящую решетку 6 и обращенный к катоду 1, второй резистивный слой 5 из АПУ, обращенный к источнику напряжения и нанесенный на печатную проводящую решетку 7, подключенную к источнику напряжения, причем печатные проводящие решетки 6 и 7 размещены на наружных поверхностях в структуре многослойной печатной платы, смещены друг относительно друга на пол шага и электрически связаны между собой при помощи переходных металлизированных отверстий 8 и резистивности поверхности с АПУ.
Резистивные слои 4 и 5 выполнены в виде пленки толщиной порядка 0.1 микрона с поверхностным сопротивлением порядка 20 МОм/квадрат и нанесены поверх проводящих печатных решеток 6 и 7.
Решетки 6 и 7, выполненные на соответствующих подложках 9, 12 вместе с элементами считывания 11, расположенными между решетками, интегрированы в структуру одной многослойной печатной платы. Подложки 9 и 12 - субплаты в структуре многослойной платы, склеиваются препрегом 10, образуя одну многослойную печатную плату, в которой выполнены также переходные металлизированные отверстия 8. В предложенном техническом решении резистивные слои 4 и 5 из АПУ нанесены поверх решеток 6 и 7, находящихся на наружных поверхностях многослойной платы после ее изготовления. Такое техническое решение позволяет устранить коробление платы, вызванное поверхностными напряжениями при вакуумном напылении АПУ, тем самым улучшить планарность конструкции, что позволяет повысить надежность работы устройства. Проволочный ГЭУ размещен в герметичном корпусе 13.
В предлагаемой полезной модели устранен индукционный зазор, расположенный в аналогах [1], [2] и [3] между анодом и считывающим электродом, что позволило интегрировать анод и считывающий электрод в структуру одной многослойной печатной платы и дополнительно улучшить планарность электродов на большой площади вплоть до метровых размеров.
1
1
С устранением индукционного зазора упрощается введение выполненных фотолитографией поддерживающих элементов-спейсеров 3, как например в известном из уровня техники решении (https://cds.cern.ch/record/2275306/files/proc_IPDR_2016_Sidiropoulou.pdf) с образованием монолитной неразборной конструкции. В предлагаемой полезной модели поддерживающие элементы-спейсеры 3 выполнены в виде гребней из фоторезиста шириной 300 мкм, повернутых под углом а=45 градусов к проволочкам, тогда при шаге между линиями 10 мм площадь, занимаемая спейсерами, составляет 5% от общей площади электродов ХмУм, где Хм и Ум максимальные размеры ГЭУ и детектора. Высота спейсеров 3 выбирается по ширине межэлектродного зазора катод-анод (см. Фиг. 3).
,
Детектор образуется добавлением к ГЭУ конверсионного зазора D с дрейфовым электродом 2, как показано на Фиг. 1. В качестве рабочей смеси можно выбрать инертный газ (Ar, Ne, Не) с многоатомной добавкой, например, СО2СН4 или другой.
В качестве элементов считывания 11 координатной информации применены зигзагообразные стрипы. Особенность стрипов зиг-загообразной формы заключается в том, что для регистрации двух координат X и Y вместо двух достаточно одного металлического слоя в структуре многослойной печатной платы.
Переходные металлизированные отверстия 8 выполнены в узлах решетки 6 под спейсерами 3 и проходят со слоя 4 на слой 5, не касаясь стрипов 11. Решетка 7 подключена к источнику напряжения (+V). При помощи переходных металлизированных отверстий и резистивного слоя 5 напряжение с решетки 7 подводится также к решетке 6 и становится анодным напряжением ГЭУ.
Шаг решеток 6 и 7 выбран кратным шагу проволочек 1. Например, s=125 мкм, тогда при k=20, шаг решеток составит 2.50 мм, а смещение на полшага - 1.25 мм, но возможны и другие численные значения s и к, при этом к в общем виде может быть разным в направлении X и Y на Фиг. 2.
Предложенное устройство проволочного ГЭУ работает следующим образом. Каждый первичный электрон, возникший в конверсионном зазоре D в результате первичной ионизации газа под воздействием ионизирующего излучения, дрейфует в электрическом поле, показанном на Фиг. 4, в направлении максимума напряженности поля, созданного между проволочками катода 1, где происходит лавинное умножение электронов.
Отношение вторичного заряда к первичному определяет коэффициент газового усиления ГЭУ. В результате умножения возникает равное количество вторичных электронов и положительных ионов, и каждая компонента индуцирует сигналы на электродах: на катоде 1, на решетке 6 и на считывающем электроде 11.
Предположим, что на проволочки катода 1 подан нулевой потенциал V=0, отрицательный - Vc на дрейфовый электрод 2 конверсионного зазора D, а на резистивный слой анода 4 через решетку 7 подан положительный потенциал Va=V. Предположим, что разности потенциалов Vc-V и V-Va выбраны такими, что в конверсионном зазоре создана напряженность поля 1 кВ/см, а в зазоре умножения - 30 кВ/см. При D=3 мм, диаметре проволочек d=30 мкм, шаге s=125mkm и h=500 мкм указанные выше напряженности электрического поля могут быть созданы при V=0, Vc=-300 В и Va=+1100 В.
2
2
Оптимальный выбор трех основных величин d, s, h производится моделированием электростатического поля программой COMSOL, (https://www.comsol.ru/video/introduction-to-comsol-multiphysics-webinar.) при этом s≈3d, a h≥s. Как показывает моделирование, разброс d и s на 10% не вносит существенных изменений в параметры электрического поля. Наиболее чувствительным является изменение h. Однородность h лучше 10% может быть обеспечена предварительным натяжением проволочек катода 1 при намотке и введением поддерживающих элементов-спейсеров 3, фиксирующих не только натяжение проволочек, но и обеспечивающих планарность катода относительно анода (постоянство h по площади ГЭУ), дополнительно повышая надежность работы устройства. В местах контакта проволочек катода 1 с диэлектриком поддерживающих спейсеров 3 возникают "мертвые" области, где нет газового усиления, поэтому площадь таких контактов должна быть минимизирована, и составлять, например, не более 5% от общей площади электродов.
15
-
+
Если в зазоре h произойдет, например, 15 последовательных актов ионизации с образованием новых электрон-ионных пар от точечного источника Fe-55, то коэффициент газового усиления составит 2≈30000, а вторичный заряд Q≈1.2 пКл, состоящий из одинакового числа электронов и положительных ионов. Известно, что источник Fe-55 создает в аргоне 230 первичных электронов и столько же ионов. Согласно теореме Рамо-Шокли, длительность импульса тока во внешней цепи электрода 1 определяется временем транзита заряда Q через зазор h. Для точечного первичного заряда и для зазора h=500 мкм это время может составлять 5 не для электронов и 1 мксдля положительных ионов. Площади импульсов тока от электронной и ионной компонент одинаковые, т.к. заряды Q и Q одинаковые, но при этом амплитуды существенно отличаются, т.к. скорости электронов и ионов отличаются в 1000 раз.
В случае спонтанного электрического пробоя в газе в зазоре умножения мощность разряда "гасится" поверхностным сопротивлением резистивного слоя 4, которое составляет 20 МОм/квадрат. Это проявляется так, что потенциал на решетке 6 «проваливается» относительно потенциала на решетке 7 и «гасит» начавшийся разряд. Такая ситуация может возникнуть в результате взаимодействия космического излучения с веществом конструкции с появлением сильноионизирующей частицы-ядра в газе.
Второй резистивный слой 5 и сдвиг решеток 6 и 7 на полшага повышают надежность устройства, благодаря тому, что между решетками появляется дополнительное сопротивление резистивного слоя 5, последовательно включенное с сопротивлением резистивного слоя 4.
-
D
D
3
3
1
3
3
D
1
D
3
D
3
D
3
2
1
D
3
D
1
1
Наличие двух резистивных слоев на функционировании устройства не сказывается в силу того, что сигналы по высокой частоте определяют емкости, как показано на Фиг. 6. На Фиг. 6 резистивный слой 4 (а с ним электрически соединен резистивный слой 5 через переходные металлизированные отверстия) специально растянут с тем, чтобы можно было указать на следующую особенностью конструкции: когда заряд электронов Q появляется на резистивной поверхности слоя 4 и начинает растекаться, то появляется динамическая емкость C. Возникает емкостной делитель, одна из емкостей которого динамическая C, а вторая - фиксированная С для считывающего элемента 11. В результате ток в цепи считывающего элемента можно найти, как I=IC/(С+C)≈I, где C=0 при t=0 и I≈0 при C>>С. Указанное соотношение справедливо при наличии блокирующей емкости С*≈1000 пФ (см. Фиг. 6), заземляющей электрод 7 по высокой частоте, при условии, что С*>>C. При увеличении t уже при t=50 не (см. Фиг. 5) ток I≈0, а ток в цепи решетки I=IC/(C+C)≈I, т.е. на низкой частоте ток I замыкается в цепь решетки 6.
-
-
1
3
На Фиг. 5 показано распределение плотности заряда, как функция двух переменных: t - времени и r - расстояния от точки возникновения заряда Q на резистивной поверхности 4 (см. Фиг. 2). Расчет выполнен для постоянной времени, распределенной RC-структуры RC=4 мкс (наш случай). Согласно решению телеграфного уравнения, при указанной постоянной времени, уже через 50-100 не заряд электронов Q полностью стекает на решетку 6 и по расположенным в узлах металлизированным отверстиям 8, - на решетку 7, если расстояние между печатными проводниками, образующими решетки 6 и 7, порядка 1-2 миллиметров. Отметим, что отсутствие С* эквивалентно обрыву цепи решетки 7, тогда сигналы на элементах 1 и 11 по форме будут одинаковыми и противоположными по знаку I≈-I. Это важное в предложенной конструкции условие, обеспечивающее устранение ионной компоненты в сигнале на считывающем электроде, эквивалентное тому, что происходит при наличии индукционного зазора.
Таким образом, исключением индукционного зазора, присущего прототипу, создана монолитная конструкция ГЭУ с проволочным катодом и анодом, выполненным в виде многослойной печатной платы. Резистивный анод из двух слоев пленки АПУ, нанесенных на смещенные на пол шага проводящие печатные решетки, ограничивает мощность электрического разряда в случае пробоя в газе, повышает надежность устройства. Обе решетки, интегрированные в структуру общей с элементами считывания многослойной печатной платы, согласно формуле полезной модели, расположены на наружных сторонах многослойной печатной платы, изготовленной промышленным методом. При напылении АПУ на наружные поверхности платы, также выполненном промышленным методом, исключается коробление платы, т.к. уравновешиваются возникающие поверхностные напряжения, что способствует улучшению планарности анода относительно проволочного катода. Дополнительно планарность улучшена введением выполненных фотолитографией поддерживающих проволочки элементов-спейсеров, чем создается монолитная неразборная конструкция, объединяющая в один узел такие основные элементы ГЭУ, как проволочный катод и резистивный анод вместе с элементами считывания (стрипами). При таком техническом решении планарность улучшена на метровых площадях электродов и при этом достигается достаточно хорошая однородность коэффициента газового усиления ГЭУ по площади и высокая надежность работы устройства. Детектор на базе ГЭУ строится добавлением конверсионного зазора с дрейфовым электродом, которые обеспечивают необходимую эффективность регистрации ионизирующего излучения.
Литература
[1] F. Sauli, GEM: a new concept for electron amplification in gas // Nuclear Instruments and Methods, A386 (1997), p. 531.
[2] F. Sauli, Radiation detector of very high performance // Патент США US 006011265 A (1997).
[3] B. Ovchinnikov, et al. A Multichannel Wire Gas Electron Multiplier // Instrum. and Experimental Techniques, V. 53, №5 (2010), 653-656; arXiv: 1003.1240.
[4] B. Ovchinnikov, В. Парусов. Многоканальный Газовый Электронный Умножитель. // Патент на изобретение RU 2417384 C1 2010 г.
[5] М.Д. Шафранов, Т.П. Топурия. Координатный детектор высокого пространственного разрешения на основе многопроволочного газового электронного умножителя. // Письма в ЭЧАЯ №2, 2001, с. 105.