ДЕТЕКТОР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к устройствам для детектирования заряженных частиц высоких энергий, в частности, мюонов в больших спектрометрах с использованием принципа умножения электронов в отверстиях газового электронного умножителя (ГЭУ).
Известны газо-наполненные детекторы ионизирующего излучения и заряженных частиц на основе газового электронного умножителя (GEM - Gaseous Electron Multiplier), опубликованные в работах: F. Sauli, "GEM: a new concept for electron amplification in gas" Nuclear Instruments and Methods, A 386, p. 531-534, 1997 [1] и в патенте US 006011265 A. (Sauli "Radiation detector of very high performance") [2].
Конструктивно ГЭУ представляет собой тонкую, гибкую диэлектрическую пластину, покрытую с двух сторон медной фольгой, как правило, выполненную из каптона-фольгированной полиимидной пленки, в которой проделано множество сквозных отверстий. Для создания детектора на основе ГЭУ добавляется катод и катодный (рабочий) зазор, а также анод и анодный (индукционный) зазор, детектор наполняется газовой смесью.
Принцип работы детектора на основе ГЭУ заключается в следующем: при подаче напряжения на катод и на медные электроды ГЭУ в отверстиях возникает сильное электрическое поле. Электроны, образовавшиеся в рабочем зазоре детектора в результате ионизации, под воздействием электрического поля между катодом и ГЭУ дрейфуют к отверстиям ГЭУ В этих отверстиях за счет сильного электрического поля развиваются электронные лавины, возникает значительное число свободных электронов и положительных ионов. Электроны выходят из отверстий в газовый промежуток на другую сторону пластины и собираются на считывающем электроде анода (например, стрипе-металлической полоске на печатной плате). Индуцированный сигнал содержит быструю электронную компоненту и медленную ионную компоненту. Последняя проявляется в виде "хвоста", и доля этой составляющей в сигнале зависит от диаметра отверстий и индукционного зазора.
Коэффициент газового усиления в детекторе с ГЭУ зависит от напряжения, приложенного между металлическими пластинами ГЭУ. Для повышения коэффициента усиления детекторов на основе ГЭУ принято использовать каскады ГЭУ [1, 2]. Детектор с многокаскадным соединением ГЭУ содержит катод с рабочим зазором, каскады ГЭУ и анод с индукционным зазором. Каскады ГЭУ размещаются с промежутками, которые называют транспортными, в которых нет усиления. Электроны выходят из отверстий первого каскада, дрейфуют в транспортном промежутке и попадают в отверстия следующего каскада ГЭУ, где снова умножаются (таких каскадов в детекторе может быть несколько). Образованные в процессе многокаскадного усиления заряды электронной и ионной компонент, равные по абсолютной величине, дрейфуют в электрическом поле с существенно разными скоростями в противоположных направлениях, проходят до нейтрализации разные длины и индуцируют на стрипах анода импульсы отрицательной полярности, содержащие электронную и ионную компоненты (ионный хвост). В так называемых "тонких" ГЭУ с толщиной каптона порядка 50 микрон, с отверстиями диаметром 50 микрон и шагом отверстий 150 микрон (типовые размеры) [1, 2] ионная компонента значительно короче, чем в так называемых "толстых" ГЭУ (THGEM - Thick GEM), описанных A. Breskin et al. "A concise review on THGEM detectors", Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009) 107 [arXiv:0807.2026] [3]. В качестве материала диэлектрика в толстых ГЭУ используется стеклотекстолит, толщина которого в 5-20 раз больше чем каптона в тонких ГЭУ, с отверстиями также в 5-20 раз большими чем в тонких ГЭУ. Преимуществом толстых ГЭУ является простота и относительно низкая стоимость их изготовления в промышленности, производящей печатные платы, в сравнении с тонкими ГЭУ, в технологию изготовления которых входит процесс травления как металла, так и каптона, что усложняет производство.
Недостатком детекторов с толстыми ГЭУ является то, что ионный хвост в наведенном сигнале может достигать микросекунды и более.
Наиболее близким к заявляемому объекту по конструктивным признакам является устройство для измерения координаты траектории заряженных частиц, описанное в патенте RU 2383035 C1 "Многослойный газовый электронный умножитель" [4], в котором используются толстые ГЭУ в многокаскадном включении. В данном устройстве газовые электронные умножители соединены в одно целое в виде многослойной печатной платы, причем первый ГЭУ имеет общий электрод со вторым ГЭУ, а второй ГЭУ имеет общий электрод с третьим ГЭУ Технический результат - повышение коэффициента усиления многокаскадного умножителя при упрощении конструкции, что обусловлено ликвидацией транспортных промежутков между отдельными каскадами ГЭУ. Возможность определения координат частиц достигается тем, что считывание сигнала, как отмечается в описании, происходит с нижнего слоя третьего каскада ГЭУ. При указанном способе считывания сигнала о коордирате частицы последний слой ГЭУ выполняет также роль анода. Выполнение многокаскадного ГЭУ без транспортных промежутков в виде многослойной печатной платы упрощает производство и сборку детектора.
Недостатком этого устройства, обеспечивающего определение координат траектории заряженных частиц, является наличие в считываемом сигнале значительной ионной компоненты, обусловленной индукционным воздействием на считывающий электрод положительного заряда, причем тем большей, чем ближе расположен считывающий электрод к положительному заряду, образованному на выходе последнего каскада ГЭУ. Эта ионная компонента в 10-100 раз в зависимости от диаметра отверстий увеличивает длительность выходного импульса по сравнению с чисто электронной компонентой. Измерения показывают [5 - А.В. Ханзадеев], что длительность ионного хвоста в выходном сигнале достигает 0.5-2.7 микросекунд и достигает 10-30% от амплитуды суммарного наведенного сигнала при диаметре отверстий 0.4 мм при различных газовых смесях. Соответственно, мертвое время канала регистрации из-за ионного хвоста составит те же 0.5-2.7 мксек. Этот фактор существенно ограничивает быстродействие детектора. Для повышения быстродействия детектора на основе толстого ГЭУ необходимо убрать из выходного сигнала ионный хвост.
Другим фактором, ограничивающим быстродействие детектора, выполненного на основе ГЭУ, как тонкого так и толстого, является время ухода электронов первичной ионизации из рабочего зазора. Рабочим зазором является катодный зазор. Так, при зазоре 1 мм (10 мм) и скорости дрейфа электронов 100 мкм/нс электроны уйдут из зазора через 10 не (100 нс). Как видно, уменьшая рабочий зазор, можно уменьшить время занятости детектора, следовательно, дополнительно повысить быстродействие. Однако, число первичных электронов на треке зависит от длины трека, т.е. от ширины зазора, и уменьшение рабочего зазора сопряжено с уменьшением эффективности детектора для частиц, пересекающих детектор по нормали к плоскости детектора.
Задачей данного изобретения является повышение быстродействия детектора при сохранении высокой эффективности регистрации частиц.
Поставленная цель достигается тем, что в известном детекторе заряженных частиц, включающем электронные умножители в виде многослойной печатной платы из фольгированного стеклотекстолита со сквозными отверстиями, объединенные вместе с катодом и анодом в первый детектирующий слой, новым является то, что введен второй детектирующий слой, экранирующие электроды (не менее одного в каждом детектирующем слое), которые располагаются между ГЭУ и анодом и выполнены в виде многослойной печатной платы, являющейся продолжением многослойной печатной платы ГЭУ с ее отверстиями, причем аноды двух детектирующих слоев объединены в общий считывающий электрод детектора, выполненный в виде стрипов, которые размещены на поверхности стеклотекстолита параллельно друг другу и размещены между рядами отверстий ГЭУ, причем соответствующие стрипы из каждого детектирующего слоя попарно соединены вместе на плате считывающего электрода и выведены к общему для пары стрипов усилителю, регистрирующему сигнал от частицы.
Ширина рабочего зазора в каждом детектирующем слое выбирается предельно узкой (например, 1 мм). Экранирующие электроды заземлены при помощи блокирующих конденсаторов. Металлический слой экранирующего электрода в области каждого отверстия при изготовлении печатной платы вытравлен больше (например, на 100 микрон), чем диаметр отверстия ГЭУ. Ширина каждого стрипа выбирается предельно узкой (например, 0.1 мм) или для считывания применяется проволочный электрод (например, с диаметром проволочек 10 микрон).
Заявляемая совокупность признаков позволяет устранить противоречие, свойственное прототипу и другим известным детекторам на основе ГЭУ, а именно: убирается из выходного сигнала ионный хвост и уменьшается время ухода электронов первичной ионизации из рабочего зазора - факторы, ограничивающие быстродействие. При этом не ухудшается эффективность детектора для частиц за счет удвоения первичной ионизации в суммарном рабочем зазоре детектора. Иными словами, высокая эффективность, свойственная прототипу и известным однослойным детекторам с ГЭУ сохраняется.
На фигуре 1 изображен детектор заряженных частиц, где 1 - первый детектирующий слой; 2 - второй детектирующий слой; 3 - многокаскадный ГЭУ; 4 - катод и катодный (рабочий) зазор; 5 - анод и анодный (индукционный) зазор с объединенным в общий узел двух детектирующих слоев считывающим электродом; 6 - блок с экранирующим электродом (электродами), где пунктирной линией 7 показано, что экранирующий электрод не имеет выхода в отверстия 8, которые выполнены как продолжение отверстий ГЭУ, а расстояние от последнего ГЭУ до экранирующего электрода образует транспортный зазор, в котором отсутствует газовое усиление, и которое может изменяться выбором необходимой толщины слоя диэлектрика; 9 - один из стрипов считывающего электрода; 10 - направления дрейфа электронов; 11 - направления дрейфа положительных ионов; 12 - цепи подачи напряжений на электроды детектора.
На фигуре 2 изображена в разрезе печатная плата считывающего электрода с тремя, как пример, стрипами 9 двух детектирующих слоев, попарно соединенными металлизированными отверстиями 13; стрелками 14 показаны выводы сигналов со стрипов к электронике, причем эти выводы выполнены во внутреннем слое печатной платы считывающего электрода или за пределами активной площади детектора.
На фигуре 3 показаны сквозные отверстия 8, причем металлический слой экранирующего электрода в области каждого отверстия вытравлен больше (например, на 100 микрон), чем диаметр отверстия 8, образованный ободок 16 в литературе и тексте описания называется "римом".
На фигуре 4 приведена зависимость, показывающая эффективность детектора в случае достаточно узкого рабочего зазора каждого детектирующего слоя, например такого, что в зазоре образуется в среднем n=5 кластеров первичной ионизации. Вероятность образования k кластеров из n хорошо описывется распределением Пуассона. Здесь k считается порогом регистрации. Там же приведена зависимость эффективности детектора, полученная за счет удвоения среднего числа кластеров в суммарном зазоре до n=10 при объединении соответствующих стрипов из двух детектирующих слоев. Эффективность детектора, как функция порога регистрации k (k<n) находится по формуле:
Здесь  - эффективность регистрации заряженной частицы детектором, n - среднее число первичных лектронов (п.эл.), образовавшихся в рабочем зазоре одного детектирующего слоя, k=1, 2, … (п.эл.) - порог регистрации. Пример приведен для случая, когда в газе детектора на милиметре трека регистрируемой частицы в одном детектирующем слое образуется в среднем n=5 п.эл. В двухслойном детекторе это число удваивается, т.к. сумма распределений Пуассона есть также распределение Пуассона со средним, равным сумме средних. При этом эффективность регистрации существенно увеличивается, например, с 0.73 для однослойного детектора при пороге k=3 п.эл. до 0.99 в случае описываемого двухслойного детектора при том же пороге.
Детектор заряженных частиц работает следующим образом. При прохождении заряженной частицы через детектирующие слои 1 и 2 в направлении, близком к нормали к плоскости детектора, в рабочем (катодном) зазоре 4 каждого слоя образуется определенное число кластеров первичной ионизации. Электроны первичной ионизации дрейфуют в электрическом поле катодного зазора к отверстиям 8 первого каскада ГЭУ. В отверстиях усилительного блока 3, выполненного в виде многослойной печатной платы, создается электрическое поле при помощи делителя 12, достаточное для лавинного умножения электронов путем их ускорения в отверстиях и вторичной ионизации. При этом образуется одинаковое количество электронов и положительных ионов вторичной ионизации, и наибольшее количество свободных электронов и ионов образуется на выходе последнего каскада ГЭУ. Заряды разделяются довольно быстро, т.к. электроны движутся вперед (в направлении 10) в 1000 раз быстрее ионов, которые движутся назад (в направлении 11). Электронная компонента заряда попадает в транспортный блок 6, в котором нет лавинного умножения, но в котором размещены экранирующие электроды (не менее одного). При помощи экранирующих электродов 7 устраняется индукционное воздействие положительного заряда на считывающий электрод 9, если стрипы считывающего электрода размещены между отверстиями, т.е. устраняется ионный хвост в выходном сигнале. В то же время, это не мешает электронной компоненте наводить сигнал и собираться на считывающем электроде 9. Для исключения потерь электронов, движущихся в отверстиях 8, экранирующие электроды не имеют выхода в отверстия структуры (что отражено пунктирной линией 7 на чертеже 1) за счет того, что при изготовлении печатной платы металл экранирующих электродов вытравлен больше диаметра отверстий 8, см. ободок 15 на чертеже 3. Такой же ободок 15 имеется на первом в каскаде ГЭУ, что уменьшает вероятность электрического пробоя и позволяет сосредоточить наибольшее усиление в первом каскаде и меньшее - в последующих каскадах ГЭУ. Время собирания электронной компоненты на считывающем электроде 9 равняется времени дрейфа всех электронов первичной ионизации через рабочий зазор. Поэтому для дальнейшего повышения быстродействия детектора рабочий зазор выбирается предельно узким, и этот предел определяется допустимым уровнем потери эффективности детектора, т.е. определяемым некоторым минимальным числом образованных в зазоре первичных электронов (зависит от рабочего газа). Для удвоения первичной ионизации и повышения эффективности регистрации частиц два идентичных детектирующих слоя имеют общий считывающий электрод с объединенными стрипами, например, при помощи металлизированных отверстий 13. Оба детектирующих слоя включены зеркально-симметрично относительно считывающего электрода. Незначительная суммарная толщина двухслойного детектора, например 3 мм, позволяет расширить углы регистрации частиц относительно нормали к плоскости детектора и применять детектор также в магнитном поле.
Пример реализации 3-х каскадного координатного детектора на основе газового электронного умножителя (одного детектирующего слоя) приведен в таблице. Диаметр отверстий 0.3 мм (диаметр рима 0.4 мм), шаг отверстий 0.6 мм, ширина стрипа 0.1 мм, шаг стрипов 0.6 мм, напряжения на электродах: V1=3 кВ, V2=1.6 кВ, конденсаторы: С=1000 пФ, резисторы R=1 МОм и значения других резисторов, задающие указанные в таблице электрические поля.
Таблица
Рабочий зазор
1-й ГЭУ
2-й ГЭУ
3-й ГЭУ
Трансп. зазор
Индукц. зазор
Толщина (мм)
1
0.15
0.15
0.15
0.3
0.3
Напряжение (кВ)
1.4
0.4
0.4
0.4
0.2
0.2
Эл. поле (кВ/см)
14
27
27
27
6.7
6.7
Итак, технический результат повышения быстродействия детектора достигается следующими средствами.
Во-первых, минимизацией индукционного воздействия на считывающие стрипы анода положительного заряда, образованного на выходе последнего каскада ГЭУ, путем введения экранирующих электродов и размещением стрипов между отверстиями. Выбор предельно узких печатных стрипов или использование проволочек для считывания сигналов служит цели минимизации емкости детектора на землю, а, следовательно, минимзации шумов электроники, что служит повышению разрешения детектора как при выполнении пространственных, так и временных измерений. Повышение быстродействия детектора заряженных частиц в такой структуре достигается тем, что на стрипы собирается только быстрая электронная компонента заряда. Металлический слой экранирующего электрода в области каждого отверстия вытравлен больше (например, на 100 микрон), чем диаметр отверстия, т.е. выполнен с римом, и при склеивании многослойной платы этот зазор заплывает эпоксидным клеем. Таким образом, отсутствие металла в отверстиях исключает потерю на экран дрейфующих в отверстиях электронов. Повышение эффективности экранирования может достигаться введением нескольких экранирующих слоев (двух - на чертеже 1).
Во-вторых, для дальнейшего повышения быстродействия детектора путем уменьшения ширины импульса электронной компоненты на стрипе уменьшается рабочий зазор в каждом детектирующем слое, например, до 1 мм, вследствие чего уменьшается время ухода из зазора электронов первичной ионизации, т.к. ширина дрейфующих в отверстиях электронов. Повышение эффективности экранирования может достигаться введением нескольких экранирующих слоев (двух - на чертеже 1).
Во-вторых, для дальнейшего повышения быстродействия детектора путем уменьшения ширины импульса электронной компоненты на стрипе уменьшается рабочий зазор в каждом детектирующем слое, например, до 1 мм, вследствие чего уменьшается время ухода из зазора электронов первичной ионизации, т.к. ширина зазора и скорость дрейфа электронов определяют это время. Предельно минимальное значение рабочего зазора определяется газовой смесью, ионизирующей способностью и энергией регистрируемых частиц, что выражается в итоге минимально допустимым числом кластеров первичной ионизации и определяет эффективность детектора (см. формулу, приведенную в описании).
Таким образом, применение двух детектирующих слоев позволяет достичь одновременно высокого быстродействия и высокой эффективности регистрации детектором заряженных частиц. Введение экранирующих электродов дополнительно уменьшает кросстоки между каналами системы считывания координатной информации. Это объясняется тем, что наличие экранирующих заземленных электродов значительно уменьшает емкостные связи между каналами считывающего электрода через ГЭУ.
7
-
Чертеж детектора, приведенный на фиг. 1, выполнен не в масштабе, его реальная толщина в активной части (усиление и регистрация сигналов) составляет 2-3 мм, а это значит, что наклонные треки и угол Лоренца при работе детектора в магнитном поле не будут создавать значительных систематические ошибки при регистрации коодинат частиц, в частности мюонов высокихз энергий. Следует подчеркнуть, что дальнейшее увеличение эффективности, если это необходимо, может быть получено в 4-х слойной структуре путем объединения цифровых сигналов логическим ИЛИ с двух описанных выше двухслойных детекторов. При создании мюонных детекторов больших спектрометров такая задача возникает. При регистрации преимущественно электронной компоненты и устранении из ширины импульса ионного хвоста, а также при минимизации рабочего зазора детектора длительность импульсов на стрипах предложенного детектора может составлять 10 не при близкой к 100% эффективности регистрации частицы, а это значит, что детектор может применяться при интенсивности пучка 10 с1.
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].
5. 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.