Газовый электронный умножитель колодезного типа

Полезная модель относится к устройствам для детектирования заряженных частиц и ионизирующих излучений и может применяться во многих областях экспериментальной ядерной физики и прикладных исследованиях. Газовый электронный умножитель (ГЭУ, 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.
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. В ГЭУ происходит лавинное умножение первичных электронов, образованных в рабочем зазоре - на входе и поступивших через усилительный элемент в индукционный зазор - на выход. Первичные электроны, дрейфуют в катодном зазоре к отверстиям ГЭУ, в отверстиях ускоряются под действием электрического поля до энергии, при которой возможна ионизация. В индукционный зазор выходит заряд, достаточный для регистрации его координат. 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 F, Radiation detector of very high performance // US 006011265 А). Конструктивно ГЭУ представляет собой тонкую, гибкую диэлектрическую пластинку, выполненную из полиимидной пленки (каптон) толщиной 50 микрон, покрытой с двух сторон медной фольгой, в которой проделано множество сквозных отверстий диаметром 50 мкм с шагом 140 мкм в гексагональном размещении. ГЭУ этой конструкции получили название "тонких", они изготавливаются методом фотолитографии и химического травления как металла, так и каптона.
2
Недостатком тонкого ГЭУ 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 этом триггером может послужить, например, регистрация сильноионизирующей альфа-частицы, попавшей в газ из материала конструкции детектора под воздействием адронов высоких энергий или космического излучения. Большой первичный заряд и наличие усиления в отверстиях ГЭУ может привести к критической концентрации электронов в отверстии и к электрическому пробою. Ток разряда конденсатора замыкается через низкое сопротивление плазмы в отверстии. Для уменьшения электрической емкости вводят сегментацию электродов. При размерах сегмента 100×100 мм и толщине пленки 50 микрон межэлектродная электрическую емкость составляет 8000 пФ, а запасенная таким конденсатором энергия при напряжении 500 В составляет ~1 мДж. В случае пробоя эта энергия выделяется в искровом канале в отверстии в виде тепла, при этом возможен значительный нагрев пленки, плавление материала электродов и выход ГЭУ из строя.
Известны "толстые" ГЭУ (англ. аббревиатура THGEM - thick GEM), выполненные на фольгированном стеклотекстолите по технологии производства печатных плат с толщинами диэлектрика в 5-10 раз большими, чем у тонких ГЭУ [3] (Breskin A., et al. A concise review on THGEM detectors // Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009), 107). Преимуществом толстых ГЭУ является простота проектирования, а также относительно низкая стоимость изготовления их сверловкой в промышленности печатных плат. Однако накопленная электрическая энергия на образованном электродами конденсаторе не меньше, чем в тонких ГЭУ (при увеличении толщины уменьшается емкость, но увеличивается рабочее напряжение, а энергия пропорциональна квадрату напряжения).
9
Известны ГЭУ с отверстиями колодезного типа (англ. WELL), у которых отверстия не сквозные, а глухие - колодезного типа [4] (Moleri L., et al. The Resistive-PlateWELL with Argon mixtures - A robust gaseous radiation detector // arXiv:1603.04820vl, to be published in Nucl. Instr. and Meth, 2018). В работе толстый ГЭУ этого типа изготовлен сверловкой одностороннего стеклотекстолита. Вторым электродом является резистивный элемент - пластика Semitron ESD225 толщиной 0.4 мм с большим объемным сопротивлением 2⋅10 Ом⋅см. В ГЭУ с отверстиями колодезного типа (нет индукционного зазора). Образовавшиеся в отверстии вторичные электроны "садятся" на резистивный слой и, растекаясь по нему, наводят сигналы на стрипах считывающего электрода, расположенного за резистивным элементом и отделенного от него изолирующей пленкой. Такой считывающий электрод выполнен на отдельной плате и содержит пэды (площадки). Перечисленные выше две платы объединены в одну многослойную плату таким образом, что резистивный электрод становится дном отверстий ГЭУ. В случае электрического пробоя в ГЭУ с резистивным электродом разряжается не полная межэлектродная емкость, а "локальная", 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.
Недостатками конструкции [4] являются недостаточная надежность резистивного электрода в радиационных условиях применения, а также большая толщина резистивного электрода - много вещества, 0.4 мм.
Прототипом заявляемого изобретения является [5] (Arazi L., et al. Beam Studies of the Segmented Resistive WELL: a Potential Thin Sampling Element for Digital Hadron Calorimetry // arXiv:1305.158). Здесь ГЭУ с отверстиями колодезного типа (в дальнейшем - ГЭУ колодезного типа) изготовлен сквозной сверловкой платы из одностороннего стеклотекстолита FR4, где фольга является первым электродом ГЭУ, диаметр отверстий 0.5 мм, шаг 1 мм. Вторым электродом является резистивный электрод-анод, выполненный в виде тонкой пленки из смеси графита и эпоксидной смолы с поверхностным сопротивлением 1-20, которая нанесена на отдельную плату из стеклотекстолита толщиной 0.1-0.2 мм. Резистивный слой нанесен сверху на медную печатную решетку в виде клетки, которая используется как для подачи напряжения на резистивный слой, так для ускорения стекания заряда с него. Считывающий (третий) электрод в виде печатных пэдов размещен после резистивного слоя, изолирован от него и выполнен на плате из стеклотекстолита толщиной 3 мм (очевидно, может быть и меньше). Составляющие конструкцию платы объединены склеиванием в одну многослойную плату таким образом, что резистивный слой становится дном отверстий, проводники печатной решетки шириной 0.1 мм размещены между отверстиями ГЭУ (диаметр отверстий 0.5 мм, шаг 1 мм.) с шагом 1 см, а считывающие пэды, размещены напротив отверстий ГЭУ. В этой конструкции благодаря резистивному слою существенно уменьшена мощность разряда в газе в случае пробоев.
Однако графит, который используется в качестве резистивного электрода в смеси с эпоксидным клеем, в случае пробоев "улетучивается", а органический материал (клей) оплавляется, нарушается морфология резистивного покрытия, постепенно снижается надежность, за длительное время эксплуатации значительная область резистивной поверхности может исчезнуть, что приводит к недолговечности из-за изменения поверхностного сопротивления. Не исключается пробой по поверхности прямо на медную решетку, при этом мощность искры увеличивается.
Технический эффект заявляемой полезной модели заключается в повышении надежности.
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, который выполнен в виде пленки, нанесенной на проводящую печатную решетку дополнительной платы, содержащей также считывающие элементы, при этом две платы объединены в одну многослойную плату таким образом, что резистивный слой образует дно отверстий, проводники решетки размещены между отверстиями, а считывающие элементы размещены напротив отверстий, новым является то, что резистивный электрод выполнен в виде пленки из алмазоподобного углерода (АПУ).
1
Предложенное техническое решение иллюстрируют фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, где: 1 -первый электрод, выполненный на плате из одностороннего фольгированного диэлектрика 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, 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 изображена решетка, на которую нанесен АПУ. Отметим, что на фиг. 1 приведен вариант с четырьмя сквозными отверстиями на первом электроде, на фиг. 3-е шестнадцатью сквозными отверстиями; (в прототипе - 81 сквозное отверстие).
2
Материалом предложенного ГЭУ колодезного типа является односторонний фольгированный диэлектрик толщиной, например, 500 микрон с отверстиями диаметром 200 микрон, расположенными с одинаковым шагом по осям X и Y, например, 500 микрон. Все элементы объединены в одну многослойную печатную плату таким образом, что созданы отверстия колодезного типа, где резистивный слой из АПУ является дном колодца.
Предложенный ГЭУ колодезного типа с тонкой пленкой АПУ в качестве резистивного электрода с толщиной пленки не более 1 микрона представляет собой одну гибкую плату.
Предложенное устройство работает следующим образом. Предположим, что на первый электрод 1 подан нулевой потенциал, а на второй электрод 3 - потенциал+V, причем такой, 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
1
Материал, применяющийся в технологии производства печатных плат.
2
Материалом может быть стеклотекстолит, полиимидная пленка (каптон), лавсан, фторопласт, полиэтилен и др.
длине свободного пробега электрона в несколько микрон на глубине колодца может образоваться достаточно большой вторичный заряд, определяемый газовым усилением. Две компоненты заряда - электронная и ионная разделяются полем, электронный заряд "садится" на резистивный слой (дно колодца) 3, а ионный заряд дрейфует в обратном направлении к электроду 1. Растекающийся вдоль поверхности резистивного слоя заряд электронов наводит импульсы отрицательной полярности на считывающих стрипах 6 (координата X) и 8 (координата Y). На резистивном электроде 3 и одновременно на решетке 5 также наводится импульс отрицательной полярности, а на электроде 1 -импульс положительной полярности. В соответствии с законом Кирхгофа для токов, циркулирующих в контурах, суммарный сигнал наведенных зарядов на электродах равняется нулю.
Применение пленки алмазоподобного углерода в качестве резистивного электрода, нанесенного на проводящую печатную решетку, обеспечивает достижение нового технического результата - повышение надежности. Алмазоподобный углерод, обладая необходимым удельным электрическим сопротивлением при толщине, не превышающей 1 микрон, также исключительно устойчив к воздействию радиации и электрических разрядов благодаря высокой твердости, гладкости, прочному удержанию графита в алмазе, высокой температуре плавления и высокой теплопроводности алмаза, эффективно снимающего тепло с графита в случае возможного электрического пробоя по графиту. 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 мала - наносекунды, существенно снижается средний ток и мощность разряда. Возникнув, электрический разряд тут же гасится падением напряжения в области разряда.
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. Moleri L., et al. The Resistive-Plate WELL with Argon mixtures - A robust gaseous radiation detector // arXiv:1603.04820vl, to be publ. in Nucl. Instr. and Meth (2018).
5. Arazi L., et al. Beam Studies of the Segmented Resistive WELL: a Potential Thin Sampling Element for Digital Hadron Calorimetry // arXiv:1305.1585vl, presented at the 13th Vienna Conference on Instrumentation, 2013. – прототип.