Проволочный газонаполненный электронный умножитель высокого пространственного разрешения
WIRE GAS-FILLED ELECTRONIC MULTIPLIER OF HIGH SPATIAL RESOLUTION

Изобретение относится к устройствам для детектирования ионизирующих излучений (ИИ) и может применяться во многих областях экспериментальной физики и прикладных исследованиях. При использовании соответствующих конверторов устройство может регистрировать фотоны, рентгеновские и гамма-лучи, тепловые и холодные нейтроны.
Проволочный газонаполненный электронный умножитель (ГЭУ) высокого пространственного разрешения является ключевым элементом детектора ИИ. Детектор образуется добавлением еще двух электродов, выполняющих функцию катода и анода детектора, и двух зазоров - конверторного (рабочего) зазора и индукционного зазора. В конверторном зазоре возникает первичный заряд. В конверторном зазоре может размещаться соответствующий конвертор, если необходимо регистрировать нейтральное излучение (фотоны, нейтроны). Ширина этого зазора определяет эффективность регистрации детектором ионизирующего излучения. Первичный заряд электронов дрейфует из конверторного зазора в зазор умножения, расположенный между катодом и анодом ГЭУ, где происходит лавинное умножение заряда с рождением в равных количествах вторичных пар электрон-ион. Вторичный заряд электронов транспортируется в индукционный зазор к аноду детектора, где нейтрализуется. Положительные ионы дрейфуют к катоду детектора, где нейтрализуются. Движение зарядов индуцирует сигналы на электродах ГЭУ. Отношение величин вторичного заряда к первичному определяет коэффициент газового умножения (усиления).
Впервые ГЭУ с конверторным и индукционным зазорами был предложен в работе [1] (F. Sauli, GEM: a new concept for electron amplification in gas // Nuclear Instruments and Methods, A386 (1997), p.531) и патенте [2] (F. Sauli, Radiation detector of very high performance II US 006011265 A). Здесь описано устройство ГЭУ, в котором умножение электронов происходит в отверстиях с высокой напряженностью электрического поля.
В конструкции [1, 2] катод и анод ГЭУ выполнены из медной фольги, нанесенной на гибкую полиимидную пленку (каптон) толщиной 50 микрон; проделано множество сквозных отверстий диаметром 50-70 мкм (биконической формы) с шагом 140 мкм, расположенных в гексагональной геометрии. ГЭУ этой конструкции изготавливается методом фотолитографии и химического травления сначала металла, а затем каптона. Применение двухстороннего фольгированного каптона создает хорошую план арность электродов - катода и анода ГЭУ.
8
-1
-2
Конструкция [1, 2] обеспечивает высокое быстродействие до загрузок ~10 ссм, а также высокое пространственное разрешение ~50 мкм (сигма).
Недостатком устройства является то, что для двухкоординатного считывания требуется дополнительная плата считывания, что существенно увеличивает количество вещества; в единицах радиационной длины отношение составляет Х/Х0~0.1%.
Известен проволочный ГЭУ [3] (B. Ovchinnikov, et al. A Multichannel Wire Gas Electron Multiplier // Instrum. and Experimental Techniques, 2010, V. 53, №5, 653-656 и патент [4] на изобретение RU 2417384 C1). Здесь устранен диэлектрик, благодаря чему повышена стабильность коэффициента умножения. Намоткой проволочек диаметром 100 мкм из бериллиевой бронзы вплотную друг к другу в виде полос (групп проволочек) шириной 1 мм, чередующихся с участками без проволочек шириной 0.5 мм, созданы идентичные проволочные электроды, один из которых выполняет функцию катода ГЭУ, а развернутый на 90 градусов второй - функцию анода ГЭУ. Участки без проволочек образуют "окна" 0.5×0.5 мм наподобие отверстий [1] с высокой напряженностью электрического поля, где происходит лавинное умножение первичного заряда электронов. Вторичный заряд электронов транспортируется электрическим полем в индукционный зазор к считывающему электроду. Движение электронов в индукционном зазоре наводит сигналы на элементах дополнительного считывающего электрода - ортогонально ориентированных стрипах X и Y.
У рассматриваемой конструкции ГЭУ много вещества, существенно больше, чем в [1]. Во-вторых, пространственное разрешение, на порядок ниже, чем в [1], а уменьшить на порядок шаг полос из проволочек в рассматриваемой конструкции не представляется возможным. Для 20-считывания требуется дополнительная плата считывания, что увеличивает количество вещества.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является проволочный ГЭУ высокого пространственного разрешения, предложенный в работе [5] (М.Д. Шафранов, Т.П. Топурия. Координатный детектор высокого пространственного разрешения на основе многопроволочного газового электронного умножителя. Письма в ЭЧАЯ №2, 2001, с. 105). Здесь нет диэлектрика в зазоре умножения и связанного с ним накопления заряда, катод и анод ГЭУ выполнены из проволочек диаметром ~30 мкм, расположенных параллельно друг другу с шагом -100 мкм; высокая напряженность поля создается между проволочками, в "щели" по всей длине проволочных электродов. В отличие от [3, 4] в этой конструкции проволочки натянуты с равномерным шагом.
Недостатком устройства является то, что для двухкоординатного считывания требуется дополнительная плата считывания, что увеличивает количество вещества на порядок.
Поставленная задача минимизации количества вещества в двухкоординатном детекторе решается тем, что в проволочном ГЭУ высокого пространственного разрешения, содержащем идентичные проволочный катод и проволочный анод, проволочки которых натянуты с равномерным шагом, новым является то, что проволочки анода размещены ортогонально проволочкам катода, считывание Х-координаты производится с катода, a Y-координаты - с анода, при этом шаг s и диаметр d проволочек связаны соотношением s=7td. Целесообразно шаг проволочек s и диаметр d выбирать 100 и 30 микрон, соответственно.
При указанном соотношении шага и диаметра проволочек s≈πd (допускается приблизительное равенство в пределах 10-20%), зазор умножения h не сказывается на эффективности передачи первичного заряда электронов из конверторного зазора в зазор умножения и может изменяться в широких пределах, начиная от h>d.
Конструкцию проволочного ГЭУ высокого пространственного разрешения иллюстрирует Фиг. 1. На рисунке обозначены: 1 – герметичный корпус, заполненный газовой смесью; 2 - проволочный катод ГЭУ; 3 - проволочный анод ГЭУ, 4 - катод детектора, 5 - анод детектора. Символами обозначены: d - диаметр проволочек, s - шаг проволочек, h - ширина зазора умножения между катодом и анодом ГЭУ, D - ширина конверторного зазора; g - ширина индукционного зазора.
1
На рисунке Фиг. 2 показана конфигурация электрического поля в плоскости XZ (ось Y образует правую систему координат с осью X), полученного программой COMSOL для геометрии d=30 мкм, s=100 мкм, h=100 мкм, при этом конверторный зазор составлял D=5 мм с напряженностью поля 1 кВ/см, а индукционный зазор g=2 мм с напряженностью поля 5 кВ/см.
min
min
min
На рисунке Фиг. 3 приведена функциональная зависимость напряженности электрического поля E(z) вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости детектора от катода детектора до его анода и проходящей в середине области умножения h. Слева на графике виден исходный уровень 1 кВ/см, соответствующий конверторному зазору D, а справа - конечный уровень 5 кВ/см, соответствующий индукционному зазору g. Подчеркнем, что поле получено при ортогональном размещении проволочек анода относительно катода для геометрии d=30, s=100, h=100 (размеры - в микронах) при указанных выше напряженностях поля в D и g зазорах. Как видно, между этими уровнями E(z) изменяется, причем значительно и полная ширина на полувысоте зависимости E(z) соответствует h=100 мкм в данном конкретном случае. При определенном пороговом значении Е и соответствующем ему пороговом напряжении V начинается процесс лавинного умножения, который также обрывается при снижении напряженности поля до E после перехода через максимум.
Приведенное выше соотношение s=πd выбрано согласно работе(O. Bunemann, et al. DESIGN OF GRID IONIZATION CHAMBERS, 1946, Canada.), оно получено аналитически для импульсной ионизационной камеры с сеткой Фриша. Неэффективность регистрации первичного заряда после сетки содержит два сомножителя:
При s=πd неэффективность нулевая, а эффективность 100% независимо от h, т.к. сомножитель log(s/πd)=0.
Это значит, что h можно уменьшать - важный вывод формулы (1): чем меньше h, тем меньше рабочее напряжение между катодом и анодом, при котором происходит умножение первично заряда (при том же Е), повышается надежность прибора. Кроме того, чем меньше h, тем проще обеспечить планарность электродов. Необходимая планарностъ электродов в предложенном ГЭУ высокого пространственного разрешения обеспечена известным методом фотолитографии, заимствованным из технологии MicroMegas(Appl. Sci. 2021, 11(12). 5362; https://doi.org/10.3390/app11125362; S. Andriamonje, et al. Development and performance of Microbulk Micromegas detectors. JINST2010, 5, P02001.). С применением этого метода проволочки катода и анода оказываются монолитно связанными друг с другом поддерживающими спейсерами. Последние выполняются травлением фоторезиста и занимают площадь 1-2% от площади детектора (см. Фиг. 1), соответственно и "мертвая" зона под спейсерами составляет 1-2%. При этом зазор умножения h определяется толщиной пленки сухого фоторезиста (выпускается с толщинами 40, 50, 60 мкм, две пленки - 100 мкм).
В предлагаемой конструкции проволочного ГЭУ высокого пространственного разрешения элементами считывания координатной информации являются проволочки или стрипы из проволочек, объединенных вместе, например, по 10 штук при d=30 мкм и s=100 мкм, что дает шаг стрипов 1 мм. При этом считывание Х-координаты производится с катода, a Y-координаты - с анода подключением стрипов к электронике.
Важнейшим параметром предлагаемого ГЭУ является количество вещества X, вносимого катодом и анодом ГЭУ, которое определяется в единицах радиационной длины Х0 и для конкретных данных: проволочки d=30 мкм из сплава AlMg(5%), s=100 мкм и h=100 мкм составляет Х/Х0=0.02%, что существенно меньше известных двухкоординатных детекторов, не только построенных на основе ГЭУ. В прототипе X/X0, вычисленное для электродов катода и анода при тех же данных, что и в предложенной конструкции, может составлять столько же но, как уже отмечалось выше, в прототипе для двухкоординатного считывания необходимо ввести дополнительную плату считывания, что увеличит X/X0 на порядок.
2
Как правило, большинство газонаполненных детекторов работают при атмосферном давлении на продув, поэтому толщина материала окон корпуса может быть минимальной (фольга), а в качестве электродов 4 и 5, (Фиг. 1) применен алюминизированный майлар. Рабочая газовая смесь, например, АrСО(10%) при атмосферном давлении вносит мало вещества в конструкцию.
Предложенный проволочный ГЭУ высокого пространственного разрешения работает следующим образом.
Каждый первичный электрон, возникший под воздействием ИИ в конверторном (рабочем) зазоре в результате первичной ионизации газа, дрейфует в электрическом поле, показанном на Фиг. 2, в направлении максимума напряженности поля, созданного между катодом 1 и анодом 2, где происходит лавинное умножение первичного заряда. В результате умножения возникает равное количество электронов и положительных ионов, и каждая компонента индуцирует сигналы на электродах - катоде и аноде.
Показанное поле на рисунках на Фиг. 2 и Фиг. 3 получено для частного случая: D=100, d=30, s=100, h=100, g=1000 (в микронах) при рабочем напряжении между катодом и анодом ГЭУ 350 В. Однако этот случай можно считать оптимальным для ряда применений в экспериментальной физике. При изменении напряжения от 150 В до 350 В уже на этапе моделирования получена зависимость коэффициента газового усиления от напряжения G(V), которая хорошо описывается функцией:
min
min
min
13
с двумя параметрами: ΔV и V, где n - число эквипотенциалей с шагом ΔV в зазоре умножения h, зависящее от напряжения. Как видно из Фиг. 2, n=13, G=2≈8000 при V=350 В. Параметр ΔV в формуле (2) соответствует средней суммарной энергии электрона, движущегося в зазоре умножения, затраченной на ионизацию атомов аргона (~15 эВ) и возбуждение (~11 эВ), Как видно из формулы (2), изменение рабочего напряжения на каждые ΔV=26 Вольт изменяет усиление в 2 раза, а число эквипотенциалей n - на единицу. Таким образом, можно установить усиление в пределах 1<G<100000 (0<n<16). Программа COMSOL дает значение n, но не дает пороговое значение V. Последнее можно найти измерениями или калибровкой шкалы V, пользуясь известными измерениями, например, детектора MicroMegas с таким же индукционным зазором и с таким же рабочим газом. В нашем случае V=188B.
Основные параметры конструкции d, s, h - диаметр, шаг проволочек и зазор умножения количественно можно выбрать оптимальными на этапе моделирования электростатического поля программой COMSOL. Как показывает моделирование, разброс d, s, h на 10% не вносит существенных изменений в напряженность электрического поля. Наиболее чувствительным является изменение h. Однако, однородность h~10% может быть обеспечена предварительным натяжением проволочек катода 2 и анода 3 при намотке, а также введением поддержек-спейсеров, выполненных, как отмечалось выше, известным способом фотолитографии (известны и другие способы, например(JianxinFengetal.AthermalbondingmethodformanufacturingMicromegas detectors // arXiv: 1910.03170(2021).
В заключение отметим дополнительно, что предложенная на Фиг. 1 структура проволочного ГЭУ высокого пространственного разрешения с двумя проволочными электродами с фиксированной геометрией d, s и h при варьировании двух других конструктивных параметров D и g, а также значений потенциалов, позволяет создавать одно-двух- и даже трехкаскадные двухкоординатные детекторы высокого пространственного разрешения с коэффициентом газового усиления, изменяющемся в значительных пределах - 6 порядков.
Литература
[1] F. Sauli, GEM: a new concept for electron amplification in gas // Nuclear Instruments and Methods, A386 (1997), p. 531.
[2] F. Sauli, Radiation detector of very high performance // Патент США US 006011265 A (1997).
[3] B. Ovchinnikov, et al. A Multichannel Wire Gas Electron Multiplier // Instrum. and Experimental Techniques, V. 53, №5 (2010), 653-656; arXiv: 1003.1240.
[4] B. Ovchinnikov, В. Парусов. Многоканальный Газовый Электронный Умножитель. // Патент на изобретение RU 2417384 C1 2010 г.
[5] М.Д. Шафранов, Т.П. Топурия. Координатный детектор высокого пространственного разрешения на основе многопроволочного газового электронного умножителя. // Письма в ЭЧАЯ №2, 2001, с. 105.