МИКРОСТРУКТУРНЫЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Описанные выше приборы, такие как пропорциональная, дрейфовая и время-проекционная камеры из-за своей сложности, точности изготовления отдельных деталей и т.п. требуют применения самых новейших технологий и не могут быть изготовлены без участия передовых промышленных производств. Микроструктурные детекторы [26] тоже требуют применения передовой технологии, а именно фотолитографического метода изготовления электродных структур. Благодаря применению фотолитографии удалось резко уменьшить размеры электродов и создать новые, прежде недоступные приборы с характеристиками (прежде всего это касается пространственного разрешения), заметно превосходящими характеристики приборов, описанных в предыдущем разделе. Вместе с тем следует подчеркнуть, что, в основном они не конкурируют друг с другом, а являются своеобразным дополнением со своим специфическим применением.

3.1. Микростриповая газовая камера.

Устройство микростриповой газовой камеры показано на Рис.45 [27].

Дрейфовый электрод -3,5 кВ

Нижний электрод

Рис.45 Устройство микростриповой газовой камеры. С – катод, А – анод (0 В)

Из рисунка видно, что аноды и катоды расположены в одной плоскости и представляют собой металлические полоски (напыленные или вытравленные из сплошного покрытия) очень малой толщины порядка 300 - 1000 нм. Практически весь объем камеры – это дрейфовый промежуток. Электроны ионизации, образованные на треке частицы, дрейфуют к плоскости анод – катод, попадают в область сильного поля между анодом и катодом, где и происходит процесс газового усиления. Таким образом, ударная ионизация и размножение носителей происходит практически над поверхностью подложки. На Рис.46 показана структура анодных и катодных полосок и линии поля в непосредственной области анод – катод. Быстрый сбор ионов на близлежащий катод заметно увеличивает среднюю загрузку (скорость счета) камеры.

Подложка камеры может быть как изолирующей, так и слабопроводящей. Для изолирующих подложек важен выбор потенциала нижнего электрода (см. Рис.45). Если он близок к потенциалу катода, то усиливает размножающее поле, но при этом часть силовых линий между анодом и катодом утыкается в подложку межэлектродного промежутка. Это приводит к тому, что часть ионов попадает на подложку и прилипает к ее

.

Рис.46 Структура анодных и катодных полосок (стрипов) и линии поля в пространстве анод – катод.

поверхности, создавая тем самым объемный заряд в промежутке анод – катод.

Величина равновесного потенциала зависит от скорости счета камеры и работа камеры при больших загрузках становится неустойчивой – коэффициент усиления начинает зависеть от загрузки. При потенциале заднего электрода, близком к потенциалу анода, проблема объемного заряда заметно уменьшается, но не исчезает совсем. Более радикальным решением является применение высокоомной слабопроводящей подложки из специального стекла с удельным сопротивлением 10⁹ – 10¹² Ом·см. Камеры на основе таких стекол позволяют достичь больших загрузок (до 10⁶ на мм²) при высокой долговременной стабильности. Однако такое стекло достаточно дорого в производстве.

Вообще говоря, потенциалы электродов, включая нижний (за подложкой), подбираются исходя из ширины дрейфового промежутка, необходимого коэффициента усиления и т.п. В частности, нижний электрод может находиться под нулевым потенциалом, что удобно, если он тоже разбит на стрипы, как это показано на Рис.47.

Следует подчеркнуть, что такая камера работает в режиме пропорционального усиления и обеспечивает хорошее энергетическое разрешение. Если нижний электрод камеры разбит на стрипы, благодаря индуцированному на них сигналу можно получить трехмерное считывание информации (Рис 47)[27].

Рис.47. Трехмерное считывание информации с микростриповой камеры.

Типичные параметры микростриповой камеры.

Размер: 10 х 10 см.

Пространственное разрешение : до 30-40 мкм, зависит от угла наклона частицы (Рис.4)

Двухтрековое разрешение: 500 мкм;

Коэффициент усиления: до 10⁴;

Энергетическое разрешение: 11% на линии 5,9 КэВ

Газ: аргон – DME, неон – DME.

Недостатком таких камер является пробой газового промежутка при регистрации частиц с удельной потерей энергии dE/dx, на несколько порядков превышающих удельные потери энергии релятивистских частиц [27]. При регистрации α-частиц небольшой энергии, тяжелых фрагментов деления ядра, многозарядных тяжелых ионов и т.п. возникающие между анодом и катодом большие токи из-за малой толщины электродов разрушают их структуру, приводят к распылению металла и замыканию межэлектродных промежутков.

Пространственное разрешение таких камер сильно зависит от угла наклона траектории частицы (Рис.48) из-за большой разницы между величиной дрейфового промежутка и шагом анод-катод.

Тем не менее, в настоящее время микростриповые камеры достаточно широко применяются в экспериментах как в физике высоких энергий, так и в радиомедицине, позволяя получить рентгеновское изображение внутренних органов с хорошим разрешением при гораздо меньшей дозовой нагрузке на пациента.

Тангенс угла наклона

Рис.48 Зависимость пространственного разрешения микростриповой камеры от тангенса угла наклона частицы по отношению к нормали. Три значения σ (кружки, треугольники и квадраты соответственно) относятся к трем конструктивно идентичным камерам.

3.2. Микромегас.

В физике газового разряда существует так называемый предел Ретера, согласно которому максимальный коэффициент усиления в плоскопараллельной геометрии ограничен количеством электронов, образующихся в лавине – 10⁷ – 10⁸ электронов. При достижении этого предела разряд сначала переходит из пропорционального в стримерный, а затем наступает пробой. Однако сравнительно недавно было выяснено, что в субмиллиметровых промежутках этот предел находится на верхней границе значений или даже несколько выше. Этот факт послужил основой создания прибора, именуемого микромегаc (MICROMEshGAS)[28]. В микромегасе ширина области пропорционального усиления составляет всего 50 - 100 мкм. В остальной части прибора происходит ионизация и дрейф электронов ионизации к области усиления [29,30,31,32]. Благодаря такой конструкции прибор остается пропорциональным, поскольку область газового усиления составляет всего не более 3% от дрейфового объема. Конструкция микромегас показана на Рис.49.

Рис.49 Принцип устройства прибора микромегас.

Между дрейфовым катодом и плоскостью анодных стрипов располагается сетка с микроотверстиями, свободно пропускающая электроны в область газового усиления. Дрейфовый промежуток имеет ширину 3 мм, а расстояние от сетки до плоскости анодных стрипов – всего 0,1 мм. Благодаря малой ширине области пропорционального усиления коэффициент усиления может достигать значения 10⁵. Сетка в такой конструкции для поддержания постоянства зазора отделена от плоскости анодных стрипов специальными спейсерами (Рис.50).

Рис.50. Электроды и спейсеры прибора микромегас.

Сетка – та же самая, что применяется при производстве цветных кинескопов. Микромегас работает при значительных загрузках до 10⁷ Гц/мм², однако при таких больших загрузках наблюдается значительное (на два порядка) падение коэффициента усиления.

Микромегас начал применяться в экспериментах в ЦЕРН. В эксперименте CAST [33] применяется прибор размером 40 х 40 см с очень хорошим энергетическим разрешением в 11% FWHM на рентгеновской линии 8 КэВ. Исследование свойств и развитие конструкции прибора продолжаются, поэтому его конкретные физические характеристики будут неизменно улучшаться. Во всяком случае, его пространственное разрешение должно быть не хуже, чем у микрострипового детектора.

3.3. Газовые электронные умножители.

Собственно говоря, газовые электронные умножители не являются самостоятельными трековыми детекторами и применяются в сочетании с другими структурами, например с микростриповыми газовыми камерами, позволяя получить либо значительно больший суммарный коэффициент газового усиления, либо существенно снизить коэффициент усиления собственно микрострипового детектора, что резко снижает вероятность пробоя микрострипового детектора от сильноионизирующих частиц.

Газовый электронный умножитель (ГЭУ) конструктивно представляет собой тонкую (порядка 50 микрон) полимерную пленку из каптона (разновидность полиимида), покрытую с обеих сторон медной фольгой толщиной (с каждой стороны) всего 7-10 микрон. В этой металлизированной с обеих сторон пленке протравлены сквозные отверстия с шагом порядка 75-100 микрон и диаметром 50 микрон [26,34]. Микрофотография газового электронного умножителя приведена на Рис.51. Размер единичной пленки составляет до 30 х 30 см и даже больше.

Рис.51. Микрофотография газового электронного умножителя.

Между верхним и нижним медными слоями прикладывается разность потенциалов несколько (300-500) вольт, создавая тем самым напряженность поля в отверстиях порядка 100 кВ/см. На Рис 52а показаны силовые линии поля и эквипотенциали внутри отверстий и в непосредственной близости от них. На Рис 52b условно показано, как электроны ионизации, попавшие из верхней части умножителя создают электронно-ионную лавину внутри отверстия. При этом коэффициент газового усиления в отверстии может достигать величины 10³.

Рис.52. а – линии напряженности и эквипотенциали внутри отверстия ГЭУ, b – условное изибражение электронно - ионной лавины, возникающей в отверстии ГЭУ.

Для создания трекового детектора на основе ГЭУ его следует дополнить сверху и снизу рядом дополнительных электродов (Рис.53), В дрейфовом промежутке, образованном дрейфовым электродом (верхний электрод на Рис.53) и ГЭУ, в котором собственно и происходит регистрация частицы, электроны ионизации дрейфуют в поле, приложенном между дрейфовым электродом и верхней поверхностью ГЭУ к ближайшим отверстиям ГЭУ, где происходит газовое усиление. При этом благодаря малости отверстий и шага между ними структура трека частицы или ее координаты сохраняются с высокой степенью точности – около 50 мкм. Усиленная электронная лавина (ионы очень быстро нейтрализуются внутри отверстия) регистрируется системой из двух взаимно перпендикулярных стриповых плоскостей (Рис.53).

Рис.53. Возможная конструкция трекового детектора на основе ГЭУ.

На рис. 54 показана электронная лавина, выходящая из отверстия ГЭУ в промежуток ГЭУ – стриповый сигнальный электрод. Несмотря на значительное уширение лавины, измерение сигналов с нескольких соседних стрипов позволяет методом центра тяжести получить хорошее пространственное разрешение, что показано на Рис.55.

Рис. 54. Электронная лавина в промежутке ГЭУ – считывающая плоскость стрипов.

Рис.55. Сигналы на соседних стрипах при ширине одного стрипа 200 мкм.

На Рис.53 приведена достаточно условная конструкция трекового детектора на основе ГЭУ. В различных практических конструкциях ГЭУ нередко применяются в сочетании с микростриповыми детекторами, в качестве замены многопроволочной пропорциональной камеры или как дополнение к ней на дне (регистрирующей плоскости) время-проекционных камер, в усилителях рентгеновского изображения.

Хотя коэффициент усиления ГЭУ, как уже отмечалось, может доходить до 10³ , работа при предельных напряжениях сопряжена с риском пробоя, который может быть вызван как микродефектами изготовления, так и регистрацией сильноионизирующих частиц, вызывающих электронно-ионные лавины, на несколько порядков превосходящие среднее значение. Ввиду сравнительно малой стоимости и простоте применения оказывается целесообразным каскадирование ГЭУ на 2-3 каскада [35], как это показано на Рис.56 с одновременным уменьшением коэффициента усиления каждого каскада.

Рис.56. Каскадирование ГЭУ 1,2,3 (GEM 1,2,3)

На Рис.57 приведен суммарный коэффициент усиления 1-, 2-х и 3-х каскадных систем в зависимости от напряжения, приложенного к каждому из ГЭУ. Из рисунка видно, что при напряжении в 450 в на каждом из ГЭУ можно получить суммарный коэффициент усиления более 10⁵ (верхняя прямая TGEM), хотя для одного каскада коэффициент усиления при этом напряжении чуть более 10², что довольно безопасно с точки зрения пробоев.

Рис.57 Зависимость суммарного коэффициента усиления для одиночной (SGEM), двойной (DGEM) и тройной (TGEM) структуры от напряжения на каждом ГЭУ. Точки, треугольники и квадратики – экспериментальные данные, прямые – экстраполяция.

ДВУХТРЕКОВОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ТРЕКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ

Под двухтрековым разрешением понимается минимальное расстояние между треками, на котором две частицы, одновременно прошедшие через детектор могут быть разрешены, т.е. для каждой из частиц могут быть раздельно определены, в зависимости от конструкции детектора одна, две или все три координаты.

Здесь мы ограничимся рассмотрением случая, когда трек частицы проходит перпендикулярно плоскости анодных проволок либо плоскости катодных ( или анодных и катодных одновременно в случае микростриповых газовых детекторов) стрипов. Очевидно, что в случае косых треков задача сильно усложняется, однако в подавляющем большинстве экспериментов детекторы располагаются таким образом, что угол наклона трека по отношению к нормали к катодной плоскости мал.

Поскольку сейчас практически повсеместно применяется стриповый либо пэдовый съем координатной информации (считывание сигнала с анодных проволок в случае пропорциональной камеры применяется для измерения энергетических потерь), очевидно, что задача двух близко расположенных треков сводится к задаче разложения экспериментального амплитудного распределения сигналов, полученного с совокупности стрипов или пэдов на два частично наложенных распределения амплитуд сигналов.

Обычно распределение сигналов по амплитудам с совокупности нескольких стрипов или пэдов (см. Рис. 25) апроксимируется (фитируется) распределением Гаусса, что позволяет определить положение максимума распределения (т.е. координаты частицы) с точностью, значительно превышающей ширину стрипа либо шага между ближайшими стрипами (в случае микростриповых камер). В случае аномально широкого распределения либо плохого фитирования экспериментальное распределение фитируется двумя гауссианами, соответствующими координатам двух близко расположенных треков.

Пример такого фитирования одним и двумя гауссианими амплитудного распределения для двух реальных близко расположенных треков приведен на Рис.58.

Рис.58. Фитирование сигналов со стрипов одним и двумя гауссианами. Четко видно, что фитирование одним гауссианом оказывается очень грубым, в то время как фитирование двумя гауссианами хорошо ложится на экспериментальные точки.

Естественно, что нельзя провести резкую границу между случаями, когда треки разделяются, и когда они не разделяются, поскольку это зависит от большого количества факторов, таких, как амплитудное разрешение, уровень электронных шумов, реальный наклон трека по отношению к нормали и т.п. Поэтому эффективность разделения треков зависит от расстояния между треками и довольно плохо описывается аналитически (см. Рис.59).

Рис.59. Зависимость эффективности двухтрекового разделения от расстояния между треками в пропорциональной камере.

В предельных случаях достигнутое двухтрековое разрешение равно:

- для пропорциональных камер около 2 мм;

- для дрейфовых камер около 1 мм;

- для время-проекционных камер –до 5мм (по времени дрейфа)

- для микростриповых камер около 400 мкм (при шаге анодных стрипов 200 мкм).

Для других детекторов, таких как микромегас и детекторы на основе ГЭУ двухтрековое разрешение определяется шагом и размерами стрипов или пэдов и в 5-10 раз хуже координатного разрешения для одной частицы.

Дата добавления: 2014-10-02; просмотров: 660; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!