Газовый электронный умножитель колодезного типа

Полезная модель (ПМ) относится к устройствам для детектирования заряженных частиц и ионизирующих излучений и может применяться во многих областях экспериментальной физики и прикладных исследованиях. Газовый электронный умножитель (ГЭУ, англ. аббревиатура GEM - Gas Electron Multiplier) является ключевым элементом газоразрядных детекторов, предназначенных для регистрации заряженных частиц и других ионизирующих излучений. Умножение сигнала происходит в результате лавинного умножения электронов в отверстиях. П редложенный ГЭУ колодезного типа может применяться в исключительно жестких радиационных условиях в калориметрах, а также в мюонных камерах большой площади, вытесняя другие микроструктурные детекторы. Кроме того, на базе предложенного ГЭУ могут создаваться детекторы тепловых и холодных нейтронов, рентгеновские и фотонные детекторы.
Типичный детектор на основе ГЭУ содержит три узла: катод с катодным (рабочим или дрейфовым) зазором, усилительный элемент - один ГЭУ или каскад ГЭУ с анодным (индукционным) зазором. Первичные электроны, дрейфуют в рабочем зазоре к отверстиям ГЭУ, в отверстиях ускоряются под действием электрического поля до энергии, при которой происходит лавинная ионизация. На выход поступает заряд, пропорциональный первичному, достаточно усиленный для его регистрации. Для регистрации координат имеется множество методов и схем, например, на считывающем электроде создаются стрипы (металлические полоски) или пэды (металлические площадки), подключенные к усилителям, номер которых дает искомые координаты заряда.
Впервые ГЭУ был описан в работе [1] (Sauli. Е, GEM: a new concept for electron amplification in gas // Nuclear Instruments and Methods, A 386 (1997), p.531) и патенте [2] (Sauli E, Radiation detector of very high performance // US 006011265 A). Конструктивно этот ГЭУ выполнен на полиимидной пленке (каптоне) толщиной 50 микрон, покрытой с двух сторон медной фольгой, в которой проделано множество сквозных отверстий диаметром 50-70 мкм с шагом 140 мкм и размещенных в гексагональной геометрии. Газовые электронные умножители этой конструкции получили название "тонких", они изготавливаются методом фотолитографии и химического травления как металла, так и каптона.
8
2
Достоинством GEM является его высокое быстродействие, до 10 Гц/см.
2
Недостатком является значительная электрическая емкость между обкладками образованного электродами конденсатора. При площади детектора 100 см и толщине пленки 50 микрон межэлектродная электрическая емкость составляет 8000 пФ. Запасенная таким конденсатором энергия - 1 мДж при напряжении 500 В - является предельно допустимой. В случае пробоя (а пробой вызывают сильноионизирующие частицы-ядра, образующиеся в газе из конструкции под воздействием космического излучения) эта энергия выделяется в искровом канале в отверстии в виде тепла, возможен значительный нагрев пленки, плавление электродов и выход прибора из строя.
Известны "толстые" ГЭУ (англ. аббревиатура THGEM - thick GEM), выполненные на двухстороннем фольгированном стеклотекстолите по технологии производства печатных плат с толщиной диэлектрика в 10 раз большей, чем у тонких ГЭУ [3] (Breskin A., et al. А concise review on THGEM detectors // Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009), 107). Преимуществом толстых ГЭУ является простота проектирования и относительно низкая стоимость изготовления по технологии печатных плат. Однако накопленная электрическая энергия на образованном электродами конденсаторе не меньше чем в тонких ГЭУ, т.к. с увеличением толщины уменьшается емкость, но увеличивается рабочее напряжение, а энергия пропорциональна квадрату напряжения. Накопленная на межэлектродной емкости электрическая энергия в случае пробоя может вывести прибор из строя.
Другим недостатком "толстых" ГЭУ является низкое быстродействие. Ионный хвост уширяет импульсы до ~ 1 мкс, вызван дрейфом ионов в отверстии, длина которого в 10 раз больше, чем у тонкого ГЭУ.
1
2
Известны ГЭУ колодезного (Впервые ГЭУ колодезного типа предложен в работе: Bellazzini R., et al. The WELL detector. Nucl. Instr. and Meth. A423, 1999, P. 125-134. Предложенный в этой работе детектор с металлическими электродами является ненадежным, как GEM, требуется сегментация электродов) типа (англ. well), у которых отверстия глухие - колодезного типа [4] (Arazi L., et al. Beam Studies of the Segmented Resistive WELL: a Potential Thin Sampling Element for Digital Hadron Calorimetry // arXiv: 1305.158, Nucl. Instr. and Methods A 732, 2013, p. 199). Цитируемый прибор, изготовленный сквозной сверловкой платы из одностороннего стеклотекстолита толщиной 0.4 мм, где фольга является первым электродом ГЭУ, диаметр отверстий 0.5 мм, как в толстом ГЭУ, с ободками 0.1 мм вокруг отверстий с размещением отверстий в квадратной геометрии с шагом 0.96 мм. Функцию анода выполняет резистивный электрод в виде тонкой пленки из смеси графита и эпоксидной смолы с поверхностным сопротивлением 10-20 МОм/ квадрат, которая нанесена на отдельную плату из стеклотекстолита толщиной 0.1 мм. Резистивный слой нанесен сверху на медную печатную решетку в виде клетки с размером ячейки 1 см, внутри которой находится 81 отверстие ГЭУ, и которая одновременно используется для подачи напряжения на резистивный слой. Составляющие конструкцию платы объединены склеиванием в одну многослойную плату таким образом, что резистивный слой является дном отверстий, проводники решетки размещены между отверстиями, а считывающие пэды - напротив отверстий ГЭУ. Выбор материала для резистивного электрода - ключевая проблема. Здесь используемый материал деградирует под воздействием электрических разрядов и радиации, т.к. содержит органику.
5
2
Недостатком детектора является низкое быстродействие ~10 Гц/см, обусловленное большим временем стекания заряда с резистивного электрода на проводящую решетку, т.е. на расстояние до половины шага решетки 1 см, что составляет несколько микросекунд.
Прототипом заявляемой ПМ является ГЭУ колодезного типа [5] (Кащук А.П. и др. Газовый электронный умножитель (ГЭУ) колодезного типа. Патент РФ на полезную модель 198153). Прибор содержит первый электрод, выполненный на плате из одностороннего фольгированного диэлектрика со сквозными отверстиями; второй электрод из алмазоподобного углерода (АПУ), нанесенный в виде сплошной пленки на печатную решетку дополнительной платы, на которой также размещены считывающие элементы; причем платы объединены в одну многослойную плату таким образом, что резистивный слой является дном отверстий, проводники печатной решетки окружают группу отверстий ГЭУ, а считывающие элементы, выполненные с шагом отверстий, расположены напротив отверстий.
Прибор надежный благодаря АПУ, но быстродействие ограничивает время стекания электронов с резистивной поверхности на металлическую решетку, окружающую группу отверстий ГЭУ.
Техническим эффектом ПМ является повышение быстродействия.
Технический эффект достигается тем, что в известном ГЭУ колодезного типа, содержащем первый электрод, выполненный на первой плате из одностороннего фольгированного диэлектрика со сквозными отверстиями; резистивный второй электрод из алмазоподобного углерода (АПУ), нанесенный в виде сплошной пленки на металлическую поверхность-подложку, окружающую группу отверстий и размещенную на дополнительной плате, на которой размещены также считывающие элементы; причем платы объединены в одну многослойную плату таким образом, что резистивный слой является дном отверстий, а считывающие элементы, выполненные с шагом отверстий, расположены напротив отверстий, новым является то, что металлическая поверхность, являющаяся подложкой АПУ, окружает каждое отверстие, при этом металл с поверхности-подложки, на которую нанесен АПУ, удален соосно отверстиям ГЭУ больше диаметра отверстий, например, на 100 мкм, отверстия ГЭУ выполнены в гексагональной геометрии, а поверхностное сопротивление резистивного слоя АПУ составляет не менее 25 МОм/квадрат при шаге отверстий ГЭУ 500 мкм, диаметре 200 мкм, толщине первой платы, например, 500 мкм.
Числовые значения параметров выбраны оптимальными с минимизацией потерь амплитуды сигнала на считывающем электроде из-за эффекта экранирования, что может возникнуть при слишком быстром стекании заряда с резистивной поверхности. При слишком медленном стекании заряда (при большом значении сопротивления резистивного слоя АПУ) также падает быстродействие даже при минимальном радиусе стекания, соответствующем половине шага отверстий, поскольку уширяется импульс, задача имеет оптимум.
2
3
Предложенный ГЭУ колодезного типа можно выполнить на одностороннем фольгированном стеклотекстолите или каптоне толщиной, например, 500 микрон с отверстиями диаметром 200 микрон, расположенными в гексагональной геометрии с шагом между отверстиями, например, 500 микрон. Вторая плата с металлической поверхностью для стекания заряда с одной стороны платы, и считывающими элементами (пэды/пиксели (Для двухкоординатного считывания при помощи известного технического решения в виде взаимно ортогональных стрипов X, Y вторая плата может быть гибкой многослойной печатной платой, в одном слое которой размещены Х-стрипы, в следующем - Y, объединенные препрегом (для наведения одинакового заряда Y-стрипы выполняются шире Х-стрипов)) - с другой может быть гибкой печатной платой, выполненной на каптоне, например, с толщиной (Типичные толщины в промышленной технологии производства гибких печатных плат) 25-50 микрон.
4
Предложенное техническое решение ГЭУ в практическом исполнении представлено на фиг. 1, где 1 - первый электрод, выполненный на плате из одностороннего фольгированного диэлектрика (Материалом может быть стеклотекстолит, полиимидная пленка (каптон), лавсан, фторопласт, полиэтилен и даже стекло или керамика) со сквозными отверстиями 2; резистивный слой 3, выполняющий роль второго электрода ГЭУ, нанесенный сверху на металлическую поверхность дополнительной платы с удаленным металлом в местах отверстий; 4 - подложка металлической поверхности 5 дополнительной платы; 6 - элемент считывающего электрода, выполненного, например, в виде пэда/пикселя.
Как отмечалось выше, радиус стекания заряда является наименьшим при окружении каждого отверстия металлической поверхностью, выполненной по печатной технологии, на которую нанесен АПУ. Известно, что при гексагональной геометрии расположения отверстий ГЭУ достигается наилучшая эффективность собирания первичного заряда в отверстия.
На фиг. 2 приведено решение телеграфного уравнения, показывающее изменение плотности заряда электронов ρ(t, r) на резистивной поверхности для одинакового интервала времени (t=5 нс, отсчитываемого от момента образования заряда), но разных RC - постоянных времени резистивного слоя, как функции длины радиус-вектора r, отсчитываемого от центра отверстия ГЭУ. Очевидно, что для увеличения быстродействия ГЭУ необходимо укорочение импульса на считывающем электроде, что достигается увеличением скорости стекания заряда с резистивной поверхности, что, в свою очередь определяется поверхностным сопротивлением резистивного слоя и радиусом стекания заряда на землю. Очевидно радиус стекания минимальный (предельный), если равняется половине шага между отверстиями ГЭУ. Но при выборе другого параметра - поверхностного сопротивления, важно не допускать слишком быстрого стекания заряда с резистивной поверхности, которая может привести к потере амплитуды сигнала на считывающем электроде (эффект экранирования). Легко представить, что при замене резистивного слоя металлическим заряд будет стекать мгновенно, не передаваясь на выход - максимальный эффект экранирования. С другой стороны, при слишком медленном стекании снижается быстродействие из-за того, что импульсы становятся широкими.
0
0
0
m
х
На фиг. 3 приведена упрощенная, эквивалентная схема предлагаемого ГЭУ колодезного типа, показывающая токи в цепи электродов и поясняющая функционирование устройства. Благодаря резистивному электроду 3 (общему для электродов 1, 2 и 3) погонная емкость С есть "локальная" емкость окрестности одного отверстия: C=C/N, где С - емкость между электродами 1 и 2, N - число отверстий. Для указанных выше величин С≈0.01 пФ, причем независимо от размеров площади ГЭУ, в то же время суммарная емкость С может составлять тысячи пФ в зависимости от площади ГЭУ Аналогично определяются погонные емкости для электродов 2 и 3 - C и С, соответственно. Поверхностное сопротивление АПУ зависит от толщины слоя и равно R=25 МОм/квадрат для толщины 120 нм, а для 40 нм - R=500 МОм/квадрат. Погонная постоянная времени RC резистивной поверхности определяется умножением R на соответствующую погонную емкость резистивного электрода - является элементом конструкции.
5
0
Время полного стекания заряда Т определяют радиус r=s/2 и скорость ν, последняя определяется (W. Riegler. Electric fields, weighting fields, signals and charge diffusion in detectors including resistive materials //2016 JINST 11 P11002) как ν=1/(2∈⋅R):
0
-12
где ∈=8.85⋅10 Ф/м - электрическая постоянная, R - поверхностное сопротивление резистивного слоя, s - шаг отверстий ГЭУ.
7
2
2
При R=25 МОм/квадрат для s=0.5 мм получим Т=110 нс, что соответствует быстродействию порядка 10 Гц/см - выше чем в известных аналогах. Поверхностное сопротивление пленки АПУ определяется в Омах на квадрат и не зависит от размеров квадрата. Измерения показывают, что АПУ толщиной 120 нм, нанесенный в вакууме дуговым способом, обеспечивает R=25 МОм/квадрат. При уменьшении R в 10 раз до 2.5 МОм/квадрат (толщина АПУ 180 нм - зависимость сопротивления от толщины нелинейная) соответственно ускоряется отекание заряда в 10 раз. Но при этом RC уменьшается в 10 раз и при RC=1 мкс (при том же шаге s) заряд растекается слишком быстро, см. фиг. 2. Видно, что значительная часть заряда может "уйти" не на считывающий электрод 6, а на проводящую поверхность 5 - проявляется эффект экранирования. При увеличении R в 10 раз до 250 МОм/квадрат (толщина АПУ 60 нм) получим Т=1.1 мкс, что соответствует быстродействию порядка 1 МГц/см - падает быстродействие. Для получения максимального быстродействия при минимальной потере амплитуды необходим оптимальный выбор R для данного s, и в предложенном техническом решении R=25 МОм/квадрат.
Предложенное устройство ГЭУ колодезного типа работает следующим образом. Предположим, что на первый электрод 1 подан нулевой потенциал (V=0), а на второй электрод 3 - потенциал +V, причем такой, что в отверстиях 2 возникает электрическое поле достаточно большое для ускорения электронов до энергии, вызывающей лавинную ионизацию атомов рабочего газа с рождением новых электрон-ионных пар. В этом случае при попадании в отверстие одного электрона возникает лавинный процесс умножения электронов в отверстии. При длине свободного пробега электрона в несколько микрон на глубине колодца может образоваться достаточно большой вторичный заряд, определяемый газовым усилением. Коэффициент газового усиления в ГЭУ колодезного типа есть отношение вторичного заряда к первичному. Подчеркнем, что в колодезном ГЭУ нет потерь вторичного заряда, присущего GEM и THGEM с индукционным зазором, соответственно, в 2-3 раза больший сигнал наводится на стрипах. Две компоненты заряда - электронная и ионная разделяются полем, электронный заряд Q "садится" на резистивный слой 3 - на дно колодца, а ионный дрейфует в обратном направлении к электроду 1. Растекающийся вдоль поверхности резистивного слоя 3 заряд электронов Q наводит импульсы отрицательной полярности на считывающем электроде. Как видно из фиг. 2, заряд растекается не мгновенно, имеется промежуток времени ~5 нс, достаточный для индукции заряда Q (пока плотность его еще достаточно большая) с резистивной поверхности 3 на электрод 6.
l
x
0
m
l
x
D
D
0
D
m
D
x
l
x
V
Импульс отрицательной полярности относительно уровня +V наводится и на электроде 5, а на электроде 1 - импульс положительной полярности относительно базового уровня V=0. В соответствии с законом Кирхгофа для токов, циркулирующих в контурах, суммарный сигнал от наведенных зарядов на электродах равняется нулю, см. фиг. З. Рассмотрим токи, которые появляются в цепях электродов при регистрации заряда Q: I(t) - в канале отверстия ГЭУ, I(t) - в цепи первого электрода, I(t) - в цепи считывающего электрода. Если пренебречь токами в паразитных емкостях С и C, обозначенных пунктирной линией, то I(t)=I(t)=-I(t). Емкость C на фиг. 3 - динамическая входная емкость зарядо-чувствительного усилителя (ЗЧУ), интегрирующего ток в заряд, причем C>>C, C>>C и C>>C. При этом полярность I(t) положительная, a I(t) - отрицательная при одинаковой форме импульсов, соответственно импульсы напряжения противоположной полярности появляются на выходах ЗЧУ. Падение напряжения на электроде 5 восстанавливается зарядом от источника напряжения +V через резистор R. По форме импульсы содержат быструю составляющую в виде δ-импульса (заряд меньше чем за 1 не появился на резистивном слое 3) и две медленных, обусловленных растеканием электронов по резистивной поверхности до границ решетки 5, а также дрейфом в отверстии положительных ионов.
Чем более широкополосный усилитель, тем больше амплитуда быстрой электронной компоненты относительно медленной - ионной, т.к. заряды равные (в газе рождается одинаковое число первичных электрон-ионных пар), как следствие, - равные площади импульсов. Электронная компонента от растекающегося заряда добавляется к ионной компоненте, что уширяет импульс на уровне порога дискриминатора и увеличивает мертвое время канала регистрации. Заметим, что медленная электронная компонента от растекания электронов по резистивной поверхности доминирует в считываемом сигнале и превосходит по амплитуде ионную компоненту, а при длинном пути стекания заряда и большом R доминирует, может превосходить ионную компоненту по амплитуде и длительности. Все это следует учитывать при оптимизации конструкции.
Литература
1. Sauli. К, GEM: a new concept for electron amplification in gas // Nucl. Instr. and Meth., A 386 (1997), P. 531.
2. Sauli E, Radiation detector of very high performance // US 006011265 A.
3. Breskin A., et al. A concise review on THGEM detectors // Nucl. Instrum. and Meth. A 598 (2009). P. 107.
5. Arazi L., et al. Beam Studies of the Segmented Resistive WELL: a Potential Thin Sampling Element for Digital Hadron Calorimetry // arXiv:1305.1585v1, Nucl. Instr. and Methods A 732 (2013) 199-202.
5. Кащук А.П. и др. Газовый электронный умножитель колодезного типа // Патент РФ на полезную модель 198153. - прототип.