ДВУХФАЗНЫЙ КРИОГЕННЫЙ ЛАВИННЫЙ ДЕТЕКТОР
TWO-PHASE CRYOGENIC AVALANCHE DETECTOR

Изобретение относится к атомной энергетике и ядерной медицине, в частности для дистанционного контроля ядерных реакторов с помощью компактного монитора нейтрино (за счет регистрации когерентного рассеяния нейтрино на ядрах), и для ранней диагностики рака с помощью позитронной эмиссионной томографии с улучшенными характеристиками по разрешению и контрастности. В первом случае потребность в предлагаемом продукте будет определяться атомными электростанциями, т.е. потенциальными потребителями являются Росатом и МАГАТЭ. Во втором случае потребность в продукте будет определяться медицинскими диагностическими центрами.
2
2
Из уровня техники известны детекторы для регистрации ионизирующих излучений, например ионизационные камеры. Ионизационная камера - это газонаполненный детектор. Она представляет собой систему из двух или трех электродов в объеме, заполненном газом (Не+Аr, Аr+СН, Ne). Ионизационная камера может быть выполнена в виде плоского или цилиндрического конденсатора. Величина прикладываемого напряжения (обычно сотни вольт) подбирается так, чтобы образованные в камере при пролете заряженной частицы свободные заряды максимально быстро, не успев рекомбинировать достигали электродов (патент РФ №2095883 от 27.02.19960).
Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым усилением. Это позволяет регистрировать частицы с энергией <10 кэВ, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах "тонут" в шумах усилителя.
5
6
Механизм газового усиления использован в пропорциональных газовых счетчиках (заявка РФ №9402584/25 от 12.07.1994) и в многопроволочных пропорциональных камерах. Конструктивно пропорциональный счетчик обычно изготавливают в форме цилиндрического конденсатора с анодом в виде тонкой металлической нити по оси цилиндра, что обеспечивает вблизи анода напряженность электрического поля значительно большую, чем в остальной области детектора. При этом к аноду будет двигаться нарастающая электронная лавина. Коэффициент газового усиления может достигать 10-10. В этих приборах полный собранный заряд пропорционален энергии, потерянной заряженной частицей на первичную ионизацию среды детектора. В качестве рабочего газа используются благородные газы (аргон, неон, ксенон и т.д.) с гасящей добавкой водородосодержащих и других газов (метан, этилен, углекислый газ и т.п).
Следующим шагом в развитии газовых пропорциональных детекторов стало внедрение газового электронного умножителя (ГЭУ или GEM) (F. Sauli, Radiation detector of very high performance. United State Patent 6011265, Jan 4, 2000). ГЭУ и его модификация - толстый ГЭУ - представляет собой диэлектрическую пленку, покрытую с обеих сторон проводящими (металлическими) электродами, в которой проделано множество отверстий диаметром порядка толщины пленки. В этом приборе газовое усиление происходит в отверстиях пленки под действием сильного электрического поля, формируемого за счет прикладывания разности потенциалов между электродами. Толщина диэлектрической пленки «стандартного» ГЭУ порядка 50 мкм, а толстого ГЭУ - на порядок больше.
Пропорциональные счетчики, пропорциональные камеры и ГЭУ широко используются для регистрации заряженных частиц (альфа-частиц, бета-частиц, протонов, мюонов и пи-мезонов), гамма-квантов и нейтронов в ядерной физике, физике высоких энергий, астрофизике и прикладных областях.
Технические возможности указанных приборов, однако, недостаточны для обнаружения темной материи.
Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению - прототипом - является двухфазная время-проекционная камера (ВПК) эксперимента Xenon 10, предназначенная для поиска темной материи в низкофоновых экспериментах, описанная в (Е.Aprile et al. Design and performance of Xenon 10 dark matter experiment/ Astropartikle Physiks 34 (2011) 679-698).
Двухфазная ВПК состоит из криогенной камеры с вакуумной изоляцией, заполненной благородным газом (Хе или Аr) в двухфазном состоянии (жидкость-газ). Над поверхностью жидкости находится электролюминесцентный зазор, образованный проводящими сетками, одна из которых находится в газе, а вторая - в жидкости. Электролюминесцентный сигнал из зазора регистрируются двумя сборками (матрицами) ФЭУ, одна из которых с окнами, обращенными вниз, находится в газе над зазором (матрица верхних ФЭУ), а вторая, с окнами, обращенными вверх, - в жидкости под зазором на дне камеры (матрица нижних ФЭУ). Над матрицей нижних ФЭУ в жидкости размещен катод из проводящей сетки.
Такие двухфазные ВПК обладают недостаточным пространственным разрешением в поперечном направлении, которое определяется размером ФЭУ (обычно - 5 см и более). Кроме того, использование значительного числа ФЭУ в нижней и верхней матрицах (более нескольких десятков) приводит к ухудшению фоновых условий, а значит и чувствительности измерений, за счет естественной радиоактивности стекла, из которого сделаны ФЭУ. К тому же, недостаточное пространственное разрешение таких приборов не позволяет эффективно работать с предельно возможной чувствительностью, а именно в режиме счета одиночных электронов первичной ионизации, за счет большого числа одноэлектронных сигналов, обусловленных шумами и радиоактивным фоном, из которых невозможно выделить полезные события. Поэтому порог регистрации ионизации от частиц темной материи в таких двухфазных ВПК оказывается слишком высоким, например в эксперименте Xenon 10 - 8 кэВ.
Задачей настоящего изобретения является создание двухфазного криогенного лавинного детектора (КЛД), который должен быть способен работать в режиме счета одиночных электронов первичной ионизации, что соответствует очень маленькой энергии, выделенной в жидкости (<1 кэВ), причем с достаточно высоким пространственным разрешением (<0.5 см) и крайне низким уровнем шума.
Поставленная задача решена тем, что в известном детекторе, состоящем из криогенной камеры, заполненной благородным газом (Ar, Xe, Ne, He или Kr) в двухфазном состоянии (жидкость-газ), не менее одной сборки ФЭУ, катода в нижней части камеры, электролюминесцентного зазора, находящегося над жидкостью, согласно изобретению электролюминесцентный зазор образован одним или более ГЭУ в газе и проводящей сеткой или ГЭУ - в жидкости, а по периметру электролюминесцентного зазора размещена сборка боковых ФЭУ с окнами, обращенными в центр зазора.
Для увеличения коэффициента усиления над верхним ГЭУ может быть размещена матрица гейгеровских лавинных фотодиодов (ГЛФД).
Для регистрации первичного сцинтилляционного сигнала и электролюминесцентного сигнала из зазора в жидкости на дне камеры (под катодом) может быть размещена сборка (матрица) нижних ФЭУ с окнами, обращенными вверх. В этом случае катод в нижней части камеры выполнен в виде проводящей сетки.
Во избежание электрических пробоев с высоковольтных электродов на ФЭУ и проникновения электрического поля в динодную систему сборка нижних ФЭУ может быть защищена проводящей сеткой, в дополнение к слою жидкого благородного газа, который действует как хороший изолятор, в то время как сборка боковых ФЭУ защищена прозрачной диэлектрической пленкой со сместителем спектра и еще одной защитной проводящей сеткой.
Все ФЭУ могут быть снабжены спектросмещающими покрытиями, нанесенным либо на прозрачную диэлектрическую пленку перед ФЭУ, либо непосредственно на окно ФЭУ.
Благодаря тому, что боковые ФЭУ размещены по периметру электролюминесцентного зазора, появилась возможность регистрации ионизационного сигнала с помощью каскада ГЭУ над зазором, что решает задачу существенного повышения пространственного разрешения.
Использование боковых ФЭУ в принципе позволяет обойтись без сборки (матрицы) нижних ФЭУ при регистрации пропорциональных сцинтилляций. Это позволяет, во-первых, улучшить фоновые условия за счет существенного (в несколько раз) уменьшения общего числа ФЭУ, а значит и уровня естественной радиоактивности. Во-вторых, рабочий объем может быть увеличен за счет увеличения максимальной длины дрейфа в жидкости, т.к. величина телесного угла матрицы нижних ФЭУ по отношению к электролюминесцентному зазору теперь не имеет значения. Кроме того, тогда может быть реализовано интересное техническое решение для электролюминесцентного зазора: проводящая сетка под поверхностью жидкости может быть заменена толстым ГЭУ, который является конструктивно более надежным. При этом дрейфующие электроны могут эффективно пропускаться через его отверстия за счет подачи определенного напряжения между его электродами. Такое техническое решение поможет решить проблему плоскостности, которая имеет важное значение для электролюминесцентного зазора, работающего при таких высоких электрических полях.
Предельная чувствительность детектора достигается за счет оригинальной идеи по использованию комбинированного умножителя, состоящего из ГЭУ и ГЛФД, осуществляющих оптическое считывание с ГЭУ. Такой детектор будет существенно (в несколько раз) превосходить имеющиеся детекторы темной материи по чувствительности за счет способности работать в режиме счета одиночных электронов при существенно лучшем (0.5 см) пространственном разрешении.
Уникальность представленного двухфазного КЛД состоит в его способности отбирать события с двумя и более электронами первичной ионизации, рожденными в одной точке, что позволит подавить фон от одиночных электронов. Соответственно, по сравнению с другими низкофоновыми детекторами на основе благородных газов предлагаемый детектор будут иметь существенные преимущества, а именно более высокое пространственное разрешение и более низкий порог регистрации, что увеличит его чувствительность к частицам темной материи.
Таким образом, заявляемая совокупность признаков позволяет регистрировать одиночные электроны первичной ионизации, причем с достаточно высоким пространственным разрешением (<0.5 см) и крайне низким уровнем шума.
Описание изобретения поясняется рисунками: Рис.1 - схема детектора без нижней сборки ФЭУ и Рис.2 - схема детектора с размещенной на дне камеры сборкой ФЭУ. Одинаковые элементы на рисунках обозначены одинаково.
На рисунках представлено:
1 - криогенная камера с вакуумной изоляцией,
2 - сборка (матрица) нижних ФЭУ,
3 - сборка боковых ФЭУ,
4 - защитные проводящие сетки,
5 - защитные прозрачные диэлектрические пленки со спектросмещающим покрытием,
6 - катод,
7 - жидкий Аr, Хе, Ne, He или Kr,
8 - электролюминесцентный зазор,
9 - граница раздела жидкой и газообразной фаз,
10 - матрица ГЛФД,
11 - двухкаскадный ГЭУ.
Устройство работает следующим образом.
В основе лежит усиление предельно слабых сигналов от ядер отдачи, образованных в криогенной жидкости от рассеяния частиц темной материи, в газовой фазе с помощью умножителя электронов на основе каскадных ГЭУ.
В рабочем объеме камеры создают электрические поля прикладыванием соответствующих потенциалов к катоду, проводящим сеткам и ГЭУ. Электроны первичной ионизации, производимые ядрами отдачи от слабо взаимодействующих частиц темной материи или нейтрино, дрейфуют в жидкости к ее поверхности под действием электрического поля. Под действием более сильного электрического поля в электролюминесцентном зазоре электроны эмитируются из жидкой фазы в газовую фазу. Там их сигнал усиливается в два этапа: во-первых, с помощью электролюминесценции (пропорциональных вторичных сцинтилляций) в спектральной области вакуумного ультрафиолета (ВУФ) в электролюминесцентном зазоре в газе над границей раздела фаз; во-вторых, с помощью газового усиления, произведенного в каскадном ГЭУ.
Электролюминесценция регистрируется в ВУФ-диапазоне сборкой боковых ФЭУ, расположенных по периметру зазора.
При наличии сборки нижних ФЭУ в жидкости, они регистрируют электролюминесценцию как из зазора, так и первичные сцинтилляции в жидкости.
При работе с Ar, Ne, He или Kr, чтобы быть чувствительным к сцинтилляциям в ВУФ диапазоне, все ФЭУ снабжаются спектросмещающими покрытиями (например, тетрафенилбутадиеном), нанесенным либо на прозрачную диэлектрическую пленку перед ФЭУ, либо непосредственно на окно ФЭУ.
Боковые ФЭУ и нижние ФЭУ (если они присутствуют) вырабатывают триггер на события с одним, двумя, тремя и т.д. электронами первичной ионизации за счет того, что они имеют превосходное амплитудное разрешение при работе в режиме пропорциональных сцинтилляций.
Лавинные (вторичные) сцинтилляции в отверстиях последнего ГЭУ регистрируются с помощью матрицы ГЛФД: это обеспечивает относительно высокое (<0.5 см) пространственное разрешение за счет сравнительно плотного размещения ГЛФД - с шагом порядка 1 см. Такое оптическое считывание сигнала является предпочтительным по сравнению с зарядовым считыванием с точки зрения итогового усиления и шумов. В частности, было продемонстрировано, что комбинированный умножитель, состоящий из двухкаскадного ГЭУ и ГЛФД, может работать в режиме счета одиночных электронов в двухфазном КЛД в Ar, если зарядовое усиление двухкаскадного ГЭУ превышает 500 (А.Buzulutskov, Advances in Cryogenic Avalanche Detectors, JINST 7 (2012) C02025).