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) или Gas Electron Multiplier (GEM) относится к главным элементам газовых детекторов. Детектор на основе ГЭУ содержит три узла: катод с катодным (рабочим) зазором, усилительные каскады ГЭУ и анод с анодным (индукционным) зазором. Как следует из названия, в ГЭУ происходит лавинное умножение электронов, первоначально образованных в рабочем зазоре. Первичные электроны дрейфуют к отверстиям ГЭУ, ускоряются под воздействием образованных в отверстиях электрических диполей до энергии, при которой возможна вторичная ионизация. В результате лавинного процесса умножения на выходе ГЭУ создается заряд, достаточный для регистрации его в анодном зазоре.
Впервые ГЭУ описан F. Sauli, "GEM: a new concept for electron amplification in gas" Nuclear Instruments and Methods, A 386, p. 531-534, 1997 и патенте F. Sauli "Radiation detector of very high performance" US 006011265 A Jan. 4 2000 [1, 2]. Конструктивно ГЭУ представляет собой тонкую, гибкую диэлектрическую пластинку, выполненную как правило из каптона - полиимидной пленки, покрытой с двух сторон медной фольгой и в которой проделано множество сквозных отверстий. ГЭУ из металлизированного с двух сторон каптона изготавливается методом фотолитографии и химического травления как металла, так и диэлектрика. Для увеличения коэффициента усиления применяют многокаскадное включение ГЭУ. Каскады создаются путем размещения пленок ГЭУ на определенном расстоянии друг от друга. Эти зазоры называются транспортными, в которых нет размножения. Электроны с выхода первого каскада попадают в отверстия следующего каскада, где также лавинно умножаются и т.д. (таких каскадов в детекторе может быть несколько). Заряды образованных в результате лавинной ионизации электронной и ионной компонент равны по абсолютной величине, но дрейфуют в электрическом поле с существенно разными скоростями в противоположных направлениях, проходят до нейтрализации разные длины 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, т.к. противоположные заряды движутся в противоположные стороны. Ионная компонента, быдучи медленной, создает "хвост" у наведенного импульса.
Преимуществом "тонких" ГЭУ с толщиной каптона порядка 50 микрон, с отверстиями диаметром 50 микрон и шагом отверстий 150 микрон (типовые размеры) является то, что ионная компонента значительно меньше, чем в так называемых "толстых" ГЭУ (THGEM - thick GEM) с отверстиями в 5-20 раз большими, описанных A. Breskin et al. "A concise review on THGEM detectors", Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009) 107 [arXiv:0807.2026] [3]. Здесь ткже возможно многокаскадное включение ГЭУ. Каскады также отделяются друг от друга транспортными зазорами. Существенным преимуществом толстых ГЭУ над тонкими является простота и относительно низкая стоимость их изготовления в электронной промышленности, производящей печатные платы.
Прототипом заявляемого устройства является устройство, в котором каскады ГЭУ соединены в одно целое в виде многослойной печатной платы без транспортных зазоров, причем первый ГЭУ имеет общий электрод со вторым ГЭУ, а второй - имеет общий электрод с третьим ГЭУ, описанное В.В. Скворцовым "Многослойный газовый электронный умножитель", патент RU 2383035 С1 [4]. Считывание усиленного сигнала происходит с нижнего слоя последнего в каскаде ГЭУ, который может служить считывающим электродом, т.е. здесь индуцируется сигнал такой же по амплитуде, какой мог бы образоваться на аноде.
Недостатком известного технического решения является наличие в сигнале значительной ионной компоненты (т.е. хвоста), обусловленной индукционным воздействием на считывающий электрод положительного заряда, образованного на выходе последнего каскада ГЭУ. Эта компонента в 10-100 раз в зависимости от диаметра отверстий увеличивает длительность выходного импульса и мертвое время канала регистрации, при этом длительность ионного хвоста в выходном сигнале тем больше, чем больше диаметр отверстий ГЭУ: A. Khanzadeev, 18 th СВМ COLLABORATION MEETING and Symposium on QCD Phase Structure at High-Baryon Density September 26 - September 30, 2011, Tsinghua University, Beijing, China. [5].
Задачей данного изобретения является устранение ионного хвоста в наведенном выходном сигнале, что уменьшает мертвое время канала регистрации ионизирующего излучения и повышает быстродействие устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в известном газовом электронном умножителе в многокаскадном включении, выполненном как одно целое в виде многослойной печатной платы, причем первый газовый электронный умножитель имеет общий электрод со вторым газовым электронным умножителем, а второй газовый электронный умножитель имеет общий электрод с третьим газовым электронным умножителем, а считывание сигналов производится с нижней поверхности многослойной печатной платы, новым является то, что в состав многослойной печатной платы введены экранирующие электроды (не менее одного), которые выполнены в виде дополнительных слоев печатной платы, имеют также сквозные отверстия, совпадающие с отверстиями ГЭУ, причем каждый экранирующий электрод имеет диэлектрический ободок вокруг отверстий и заземляется в рабочем режиме при помощи блокирующих конденсаторов. Количество экранирующих электродов определяет эффективность подавления ионного хвоста.
Описание устройства.
На фигуре 1 изображен многослойный газовый электронный умножитель (ГЭУ), где блок 1 - усилитиельный блок, содержащий несколько каскадов ГЭУ, выполненный в виде многослойной печатной плты, блок 2 - дополнительные слои многослойной печатной платы, выполняющие функцию экранирующих электродов; 3 - сквозные отверстия многослойной структуры; 4 - пунктирной линией показано, что экранирующие электроды не имеют выхода в отверстия благодаря тому, что металл электродов вытравливается больше (например, на 100 мкм), и образованный таким образом зазор заплывет эпоксидной смолой при склеивании многослойной печатной платы; 5 - считывающий электрод, который может быть выполнен в виде токопроводящих полосок (стрипов) на нижней стороне многослойной печатной платы, причем стрипы расположены между сквозными отверстиями структуры, а для минимизации электрической емкости ширина стрипов должна выбираться предельно узкой; 6 - напрвление дрейфа электронов; 7 - направление дрейфа положительных ионов.
На фигуре 2 показаны сквозные отверстия 3 структуры, причем токопроводящий слой первого ГЭУ (верхнего на фиг. 1) может иметь ободок 8, а экранирующие электроды обязательно должны иметь ободок 8. В первом случае уменьшается вероятность электрического пробоя, а во втором - исключается потеря электронов, дрейфующих в отверстиях, на экранирующие электроды.
Устройство работает следующим образом. На все электроды блоков 1 и 2 прикладываются напряжения, величина которых выбирается таким образом, чтобы напряженность электрического поля в отверстиях ГЭУ была достаточной для ускорения электронов до энергии, при которой возникает лавинное умножение за счет вторичной ионизации, и чтобы на выходе последнего каскада ГЭУ возник заряд, который может быть зарегистрирован. Поскольку возникнет два равных по абсолютной величине заряда - отрицательный заряд электронов и положительный заряд ионов, причем максимальный по величине заряд возникнет на выходе блока 1, то оба заряда при движении в противоположных направлениях (см. фиг. 1) будут индуцировать сигнал одной полярности. Этот сигнал будет содержать две компоненты: быструю электронную компоненту и ионный хвост. Если заземлить экранирующие электроды при помощи блокирующих конденсаторов, а в отверстиях блока 2 создать электрическое поле, недостаточное для развития лавины (транспортное поле), то образованный заряд электронов полностью соберется на считывающем электроде 6, в то время, как индукционное воздействие на электрод 6 положительного заряда будет экранировано. Таким образом, будет подавлен или исключен ионный хвост в выходном сигнале. Неэффективность экранирования зависит от количества экранирующих электродов и от диаметра ободка.
Список литературы
1. F. Sauli, "GEM: a new concept for electron amplification in gas" Nuclear Instruments and Methods, A 386, p. 531-534, 199.
2. F. Sauli, US 006011265 A, "Radiation detector of very high performance".
3. A. Breskin et al. "A concise review on THGEM detectors", Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009) 107 [arXiv:0807.2026].
4. B.B. Скворцов, патент RU 2383035 C1 "Многослойный газовый электронный умножитель" - прототип
5. A. Khanzadeev, 18 th СВМ COLLABORATION MEETING and Symposium on QCD Phase Structure at High-Baryon Density September 26 - September 30, 2011, Tsinghua University, Beijing, China.