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. Предложенный 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.
Типичный детектор на основе ГЭУ содержит три узла: катод с катодным (рабочим или дрейфовым) зазором и усилительный элемент - 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 возможна лавинная ионизация. На выход поступает заряд, усиленный для его надежной регистрации. Для регистрации координат имеется множество методов и схем, например, на считывающем электроде создаются стрипы (металлические полоски) или пэды (металлические площадки), номер которых дает искомые координаты заряда.
Впервые ГЭУ был описан в работе [1] (Sauli. F, GEM: a new concept for electron amplification in gas // Nuclear Instruments and Methods, A 386 (1997), p.531) и патенте [2] (Sauli F, Radiation detector of very high performance // US006011265A). 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 кантона.
8
2
2
Преимуществом нового детектора является высокое быстродействие, до 10 Гц/см. Недостатком 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 размерах детектора 100×100 мм и толщине пленки 50 микрон межэлектродная электрическая емкость составляет 8000 пФ, запасенная таким конденсатором энергия - 1 мДж при напряжении 500 В. В случае пробоя (а пробой вызывают сильноионизирующие частицы-ядра, образующиеся в конструкции под воздействием космического излучения) эта энергия выделяется в искровом канале в отверстии в виде тепла, возможен значительный нагрев пленки, плавление материала электродов и выход ГЭУ 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 , 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 в промышленности 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 толстого ГЭУ является наличие ионного "хвоста" в сигнале, что уширяет импульс до ~1 мкс, приводит к наложению импульсов и к просчетам при высоких загрузках, т.е. к потере эффективности.
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 детектор с металлическими электродами ненадежный, как GEM.) типа (англ. well), у которых отверстия не сквозные, а 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 ГЭУ колодезного типа изготовлен сквозной сверловкой платы из одностороннего стеклотекстолита толщиной 0.4 мм, где фольга является первым электродом ГЭУ, диаметр отверстий 0.5 мм, с ободками 0.1 мм вокруг отверстий с размещением отверстий в квадратной геометрии с шагом 0.96 мм. Вторым электродом, выполняющим функцию анода, является резистивный электрод в виде тонкой пленки из смеси графита и эпоксидной смолы с погонным поверхностным сопротивлением , 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, которая используется, с одной стороны, для подачи напряжения на резистивный слой, с другой - для стекания заряда с него. Составляющие конструкцию платы объединены склеиванием в одну многослойную плату таким образом, что резистивный слой является дном отверстий, проводники решетки размещены между отверстиями, а считывающие годы - напротив отверстий ГЭУ.
5
Недостатком детектора является низкое быстродействие ~10 Гц/см2, обусловленное следующими факторами: довольно большим расстоянием стекания заряда, 0.5 см., и наличием ионного "хвоста" в сигнале, который наводится движущимися в отверстии ионами, что также уширяет импульс, приводит к наложению импульсов при высоких загрузках.
Прототипом заявляемого изобретения является ГЭУ колодезного типа [5] (Кащук А.П. и др. Газовый электронный умножитель (ГЭУ) колодезного типа. Патент РФ на полезную модель №198153). Прибор устроен следующим образом: 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.
В случае электрического пробоя в ГЭУ с резистивным электродом из алмазоподобного углерода разряжается "локальная" емкость, в пределе это - емкость ближайшей окрестности отверстия. Такая емкость может составлять доли пФ, соответственно, постоянная времени цепочки разряда этой емкости на плазму в отверстии  - наносекунды, существенно снижается средний ток и мощность разряда.
Прибор надежный благодаря АПУ, но быстродействие ограничивают два фактора: время стекания электронов с резистивной поверхности на проводящую решетку и ионный хвост в выходном сигнале. Время стекания заряда можно укоротить выбором погонного сопротивления резистивного слоя и шага решетки, тогда доминирующим фактором, ограничивающим быстродействие, будет ионный хвост.
Технический эффект ПМ является повышение быстродействия путем подавления ионного хвоста в выходном сигнале, что укорачивает импульсы на считывающем электроде и уменьшает мертвое время каналов регистрации, уменьшает вероятность наложения импульсов и просчеты при высоких загрузках.
Технический эффект достигается тем, что в известном ГЭУ колодезного типа, содержащем первый электрод, выполненный на плате из одностороннего фольгированного диэлектрика со сквозными отверстиями, резистивный 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, новым является то, что веден низкоомный импеданс между первым и вторым электродами, выполненный, например, конденсатором с емкостью 1000 пФ.
Низкоомный импеданс выполнен, например, конденсатором с емкостью не менее 1000 пФ.
При толщине первой платы, например, 500 мкм, при шаге и диаметре отверстий ГЭУ, например, 500 мкм и 200 мкм, соответственно, и шаге решетки - 0.5 мм поверхностное сопротивление резистивного слоя АПУ выбирается, например, 25 МОм/квадрат.
При этом оптимизируются параметры конструкции: поверхностное сопротивление резистивного слоя и шаг решетки при заданном шаге и диаметре отверстий выбираются такими, чтобы потеря амплитуды сигнала на считывающем электроде была минимально-допустимой, а это можно получить, не допуская слишком быстрого стекания заряда с резистивной поверхности на решетку и при не слишком "густой" решетке, т.е. с малым шагом решетки.
Предложенный ГЭУ колодезного типа можно выполнить на одностороннем фольгированном стеклотекстолите или кантоне толщиной, например, 500 микрон с отверстиями диаметром 200 микрон, расположенными с одинаковым шагом по осям X и Y, например, 500 микрон.
Предложенное техническое решение представлены на фиг. 1 и фиг. 2, где номерами обозначены: 1 - первый электрод, выполненный на плате из одностороннего фольгированного диэлектрика (Материалом может быть стеклотекстолит, полиимидная пленка (каптон), лавсан, фторопласт, полиэтилен и др.) со сквозными отверстиями - 2; второй электрод 3 с резистивным слоем, нанесенным сверху на проводящую печатную решетку дополнительной платы; 4 - подложка проводящей печатной решетки 5; 6 - стрипы X считывающего электрода; 7 - изолятор, например, в виде препрега (Применяется в технологии производства печатных плат), 8 - стрипы Y считывающего электрода, при этом стрипы 6 и 8 ортогонально ориентированы относительно друг друга; изолятор 9, служащий подложкой стрипов Y.
На Фиг. 1 изображено в разрезе устройство предложенного ГЭУ колодезного типа, где показано размещение печатной проводящей решетки, на которую нанесен АПУ, относительно отверстий ГЭУ.
На Фиг. 2 изображено в разрезе устройство предложенного ГЭУ колодезного типа, где в других слоях многослойной структуры показано размещение считывающих стрипов X и Y относительно отверстий ГЭУ.
На Фиг. 3 приведены различные варианты окружения отверстий ГЭУ проводниками решетки с различным шагом решетки.
m
x
c
m
На фиг. 4 и фиг. 5 приведены эквивалентные схемы предложенного ГЭУ колодезного типа с резистивным электродом в виде тонкой пленки АПУ, причем этот слой специально расширен, чтобы показать погонные емкости RC-структуры на печатную решетку (C) -второй электрод и считывающий электрод (C). Отличие схем Фиг. 4 и Фиг. 5 в подаче рабочего напряжения на ГЭУ: подается либо - V на первый электрод, обозначенный 1, либо +V на второй электрод, обозначенный 5. Напряжение подается от источника напряжения через резистор Rv, при этом один их электродов заземляется, таким образом вводится низкоомный импеданс между первым и вторым электродами, который выполнен, например, конденсатором с достаточно большой емкостью 1000 пФ. При такой емкости импеданс X=1/ωC составляет 10-100 Ом на частотах в диапазоне 1-10 МГц. На рисунках показано, что при введении низкоомного импеданса между первым и вторым электродами источник тока воздействует на параллельную цепочку из двух емкостей, одна из которых, C, динамическая, изменяющаяся в больших пределах по мере растекания заряда Q вдоль резистивной поверхности.
На фиг. 6 показано изменение плотности заряда электронов ρ(t,r) на поверхности резистивного электрода при фиксированной постоянной времени резистивного слоя RC=4 мкс. Это - функция двух переменных - времени t, отсчитываемого от момента появления точечного заряда Q (см. Фиг. 4 и Фиг. 5) на резистивной поверхности, и длины радиуса стекания заряда r, отсчитываемого от центра отверстия.
Предложенное устройство ГЭУ колодезного типа работает следующим образом. Предположим, что на первый электрод 1 подан нулевой потенциал V1=0, а на второй электрод 3 подан потенциал +V2. Пусть V2 такой потенциал, что в отверстиях 2 возникает электрическое поле достаточно большое для ускорения электронов до энергии, вызывающей вторичную 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 и нескольких актах ионизации атомов газа с рождением пары электрон-ион 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 индукционного зазора и нет потерь вторичного заряда в индукционном зазоре, что присуще GEM и THGEM, соответственно, в 2-3 раза  сигнал наводится на стрипах. Более того, на порядок короче фронт сигнала. Две основные компоненты заряда - электронная и ионная разделяются полем и при своем движении в отверстии наводят импульсы на всех электродах. Электронный заряд Q "садится" на резистивный слой 3 - дно колодца, а ионный дрейфует в обратном направлении к электроду 1. Растекающийся вдоль поверхности резистивного слоя 3 заряд электронов Q дополнительно наводит импульсы отрицательной полярности на считывающих стрипах 6 -координата X и 8 - координата Y. Импульс отрицательной полярности относительно уровня +V2 наводится на решетке 5, а на электроде 1 - импульс положительной полярности относительно уровня V=0. В соответствии с законом Кирхгофа для токов, циркулирующих в контурах, суммарный сигнал от наведенных зарядов на электродах равняется нулю.
Согласно решению телеграфного уравнения, приведенному на Фиг. 6, через 50 нс радиус стекания заряда превышает шаг отверстий ГЭУ при RC=4 мкс, при этом почти в 100 раз падает плотность заряда Q, показанного при t=0 точкой на Фиг. 4 и Фиг. 5. В таком случае возможны потери заряда Q из-за стекания части на решетку. А это приводит к потере сигнала на считывающем электроде, расположенном за решеткой.
0
0
0
x
m
Благодаря RC-структуре резистивного слоя 3 емкость С есть "локальная" емкость окрестности одного отверстия: C=C/N, где С - суммарная емкость между электродами 1 и 3, N - число отверстий. Для указанных выше величин С≈0.01 пФ, причем независимо от площади ГЭУ, в то время, как суммарная емкость С может составлять тысячи пФ (зависит от размеров ГЭУ). Поверхностное сопротивление АПУ при толщине 0.1 мкм составляет 25 . Аналогично можно оценить погонную емкость C. Что касается C, то это - динамическая емкость, равная нулю до появления заряда Q (см. Фиг. 4 и Фиг. 5) на резистивной поверхности и увеличивается во времени по мере растекания заряда электронов по резистивной поверхности.
x
1
x
m
m
2
m
m
2
m
2
m
2
Покажем, при каких условиях происходит подавление ионной компоненты в выходном сигнале I, чем повышается быстродействие. На Фиг. 4 роль низкоомного импеданса выполняет конденсатор C. На этой схеме электрод 1 заземлен, а второй электрод, обозначенный 5, соединен с источником напряжения через высокоомный резистр Rv. На относительно высоких частотах (например, RC>>300 кГц) резистивный слой можно представить "локальными" емкостями C и C. При этом C - динамическая емкость. Если С>>C, то эквивалентная емкость меньше меньшего значения CC/(C+С)≈C. Как показывают измерения, уже при С=1000 пФ наблюдается подавление ионного хвоста до уровня ~1% относительно амплитуды основной электронной компоненты.
1
То же наблюдается и при подаче напряжения -V1 на первый электрод, когда второй электрод соединяется с землей проводником (V2=0), а роль низкоомного импеданса выполняет разделительный конденсатор C (см. Фиг. 5). Схемы, показанные на Фиг. 4 и Фиг. 5 эквивалентны.
m
При ведении низкоомного импеданса между первым и вторым электродами низкие частоты сигнала (ионный хвост) ответвляются в цепь решетки, а высокие частоты быстрой электронной компоненты сигнала - в цепь считывающего электрода. Деление заряда происходит довольно эффективно благодаря тому, что погонная емкость C динамическая - изменяется от нуля до значительной величины по мере растекания заряда по резистивному электроду. Максимальная величина этой емкости определяется размерами решетки и толщиной пленки резистивного слоя:
r
m
2
где ∈ - диэлектрическая проницаемость резистивного материала (АПУ) толщина которого d, а площадь электродов А, определяемая размерами ячейки решетки - шагом и толщиной печатных проводников. Численно получим C=350 пФ при толщине резистивного слоя d=100 нм и площади ячейки решетки А=1 мм.
0
Покажем, что быстродействие ГЭУ ограничивает также время стекания заряда электронов с резистивной поверхности до его рекомбинации на решетке. Время полного стекания заряда определяет 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
8
2
При R=25  и для s=0.5 мм получим Т=110 не, что соответствует быстродействию порядка 10 Гц/см, много выше, чем в прототипе. Поверхностное сопротивление пленки АПУ не зависит от размеров квадрата и определяется удельным сопротивлением и толщиной пленки. Так, измерения показывают, что АПУ толщиной 120 нм обеспечивает R=25 . При уменьшении R в 10 раз до 2.5  (толщина АПУ 180 нм - зависимость нелинейная) соответственно ускоряется стекание заряда и в 10 раз увеличивается быстродействие ~10 Гц/см, что, как известно, является пределом для GEM с металлическими электродами [1].
Задача имеет оптимум. Так, если заряд слишком быстро растекается по резистивной поверхности, то часть заряда теряется, уходя не на считывающий электрод, а на решетку - эффект экранирования (например, на металлической поверхности заряд растекается мгновенно, и считывающий электрод полностью экранирован).
m
m
1
m
x
Как показывает эксперимент, решетка с АПУ с поверхностным сопротивлением R=25 , выполненная с шагом 0.5 мм, не приводит к электромагнитному экранированию стрипов, расположенных напротив отверстий, поскольку заряд, севший на дно отверстия, имеет наибольшую плотность в центре отверстия и растекается до границ решетки не мгновенно, см. фиг. 6. Как видно, имеется промежуток времени ~5 нс, достаточный для индукции заряда Q на стрипы считывающих электродов 6 и 8. При этом пока C=0 (заряд еще не сел на резистивный слой), импеданс контура между вторым и первым электродами высокий (почти обрыв), а когда заряд растечется по поверхности, то емкость C резко увеличится, и импеданс контура станет низким. Низкие частоты, соответствующие относительно длинному ионному хвосту в сигнале I(t), ответвляются в динамическую емкость C на решетку. Таким образом, выходной сигнал I(t) существенно укорачивается.
Литература
1. Sauli. F, GEM: a new concept for electron amplification in gas // Nucl. Instr. and Meth., A 386 (1997), P. 531.
2. Sauli F, Radiation detector of very high performance // US006011265 A.
3. Breskin A., et al. A concise review on THGEM detectors // Nucl. Instrum. and Meth. A 598 (2009). P. 107.
4. Arazi L., et al. Beam Studies of the Segmented Resistive WELL: a Potential Thin Sampling Element for Digital Hadron Calorimetry // arXiv:1305.1585vl, Nucl. Instr. and Methods A 732 (2013) 199-202.
5. Кащук А.П. и др. Газовый электронный умножитель колодезного типа. Патент на полезную модель №198153.