ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 5, с. 37-40
УДК 594.1.074
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ПРОВОЛОЧНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ
© 2010 г. Б. М. Овчинников, В. В. Парусов
Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а E-mail: ovchin@inr.ru; тел. (4967)519885 Поступила в редакцию 16.02.2010 г. После доработки 05.04.2010 г.
Разработана методика изготовления электродов многоканальных проволочных газовых электронных умножителей. Были опробованы две конструкции умножителей — с размножением электронов между двумя проволочными электродами (м.п.г.э.у.) и между проволочным электродом и сплошным анодом (м.г.э.у.). При заполнении неоном под давлением 760 Торр и облучении дрейфового (ионизационного) зазора камеры в-частицами (63№) был получен максимальный коэффициент пропорционального размножения электронов ионизации, равный ~104 для обеих конструкций. При облучении камеры с м.п.г.э.у. а-частицами (239Ри) получен максимальный коэффициент пропорционального размножения электронов -300. При повышении разности потенциалов на обкладках м.п.г.э.у. выше порогового напряжения пробоев, пробои между электродами м.п.г.э.у. не приводят к выходу их из строя, в отличие от г.э.у., изготовленных перфорацией пластин из пластика с металлическим покрытием с двух сторон. Также исследована работа м.г.э.у. при заполнении газами Лг, Лг + 1% Хе и Лг + 20% СН4.
1. многоканальный проволочный
ГАЗОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ С ДВУМЯ ПРОВОЛОЧНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ (М.П.Г.Э.У.)
В работе [1] был впервые предложен м.п.г.э.у., содержащий два плоских параллельных электрода, намотанных бериллиево-бронзовым проводом 00.1 мм, с газовым зазором между электродами. В отличие от известных г.э.у., изготовляемых путем перфорации пластин из пластика с металлическим покрытием с двух сторон [2], м.п.г.э.у. не боятся случайных пробоев между электродами.
В работе [1] был изготовлен макет м.п.г.э.у. с размерами прямоугольных отверстий 0.5 х 0.5 мм, шагом между отверстиями в ортогональных направлениях 1.5 мм, зазором между электродами 1 мм и диаметром рабочей области 20 мм. Газовое размножение электронов в м.п.г.э.у. происходит между отверстиями в электродах.
При заполнении камеры смесью Лг + 20% С02 под абсолютным давлением 760 Торр и облучении дрейфового зазора а-частицами (239Ри) был получен максимальный коэффициент размножения электронов, равный Кумн = 5 • 104. Однако для использованной смеси Лг + С02 во всей рабочей области (Кумн > 10) наблюдались стримерные разряды, а в области 2.8—3.0 кВ практически все пропорциональные сигналы переходили в стримеры, вследствие чего прекращалось увеличение разности
потенциалов между электродами м.п.г.э.у. Сильноточные стримерные разряды приводят к распылению материала электродов с последующим его осаждением на изоляторах камеры и пробоям.
В данной работе для изготовления проволочных электродов м.п.г.э.у. использовался специальный шаблон с зубьями шириной 0.5 мм и прорезями между ними 1 мм (рис. 1), позволяющий осуществить намотку электродов плотно, без зазоров в ряду, с точным совпадением отверстий в обоих электродах м.п.г.э.у. по х-, ^-координатам, что важно для создания необходимой конфигурации электрического поля между отверстиями в электродах. Структура электродов была аналогичной электродам работы [1]. В камере для испытаний (рис. 2) зазор катод К-м.п.г.э.у. равнялся 13 мм, м.п.г.э.у.—анод А — 6 мм и зазор между электродами м.п.г.э.у. — 1 мм.
Рис. 1. Шаблон для изготовления электродов м.п.г.э.у.
-Уд
ку
10 М
120 М
умн
=а«(Р—)
+ Уа
Рис. 2. Камера для испытаний м.п.г.э.у. Уд — напряжение, поступающее на резистивный делитель камеры м.п.г.э.у.
Камера заполнялась чистым коммерческим неоном под давлением 760 Торр. Выбор неона для основных испытаний был обусловлен минимальным сечением в нем рассеяния дрейфующих электронов по сравнению с другими газами, что позволило получить максимальный коэффициент размножения электронов при наименьшей разности потенциалов на его электродах и при отсутствии стримерных разрядов в рабочей области м.п.г.э.у.
Зазор К—м.п.г.э.у. поочередно облучался а(239Ри)- и Р(63№)-частицами.
Сигналы с анода камеры поступали на зарядо-чувствительный усилитель (ЗЧУ) БУС 2-96 и с него на осциллограф С9-8.
Результаты измерений представлены кривыми 1 и 2 на рис. 3. При облучении в-частицами (63№, -100 р—/с) получен максимальный коэффициент пропорционального размножения электронов ионизации, равный -8 • 103 (кривая 1). При этом в области с размножением, меньшим 8 • 103, стримерные разряды практически отсутствовали (при Кумн = 4 • 103 вероятность их появления составила -1% от полного количества импульсов), а в области выше 8 • 103 наблюдались практически только стримерные разряды, т.е. происходил резкий переход из пропорциональной области в стримерную.
Максимальный коэффициент пропорционального размножения при облучении а-частицами (кривая 2) составил -300.
^ В
Рис. 3. Зависимость коэффициента пропорционального размножения электронов Кумн для м.п.г.э.у. при заполнении неоном (760 Торр) от напряжения Уд, подаваемого на резистивный делитель камеры, при облучении дрейфового зазора Р-частицами ( М, 1) и а-частицами ( Ри, 2). Кривая 3 (см. ниже раздел 2) приведена для м.г.э.у. при заполнении N6 и облучении Р-частицами (Уд — напряжение, подаваемое на делитель камеры м.г.э.у. (рис. 4)).
2. многоканальный проволочный
ГАЗОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ С ПРОВОЛОЧНЫМ КАТОДОМ И СПЛОШНЫМ АНОДОМ (М.Г.Э.У.)
Прототипом газовых электронных умножителей в [2] являются детекторы, состоящие из сетки-катода и сплошного анода, с газовым зазором между ними 0.1—1 мм — м.г.э.у. [3].
В данной работе исследован детектор м.г.э.у., в котором катод изготовлен намоткой проводом такой же конфигурации, как и в м.п.г.э.у., а в качестве анода используется металлический диск. Испытания м.г.э.у. проведены в камере (рис. 4) с дрейфовым зазором, равным 13 мм, и с зазором м.г.э.у. 1 мм. При заполнении камеры чистым коммерческим неоном под давлением 760 Торр и облучении в-частицами получена зависимость Кумн от Уд (рис. 3, кривая 3), близкая к аналогичной зависимости, полученной для м.п.г.э.у. Максимальный коэффициент пропорционального размножения электронов составил 1.5 • 104. Редкие стримеры в этих измерениях появлялись вблизи Кумн = 1.5 • 104, а в области Кумн > 1.5 • 104 в основном наблюдались стримерные разряды, т.е. происходил резкий переход из области пропорционального размножения в стримерную область.
МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ПРОВОЛОЧНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ
39
"V,
K
-i
умн
1 М
10 М
120 М
А ■
|—>ЗЧУ 220 М\ I 22 н
Рис. 4. Камера для испытаний м.г.э.у.
На рис. 5 приведены результаты измерений при заполнении камеры пеннинговской смесью Ат + 20% СН4 (760 Торр) и облучении в-частица-ми. Максимальный коэффициент пропорционального размножения (кривая 1) составил -100, причем стримерные разряды (кривая 2) наблюдались во всей области пропорциональных сигналов. При напряжении на делителе камеры >3 кВ увеличивается количество стримерных разрядов, в связи с чем перестает расти разность потенциалов на обкладках м.г.э.у., а следовательно, и амплитуда стримерных разрядов (кривая 3).
На рис. 6 показана форма стримерного сигнала для наполнения м.г.э.у. Ат + 20% СН4. Причиной большой длительности стримерных сигналов и интенсивного образования стримеров для этой смеси является образование длительных (-20 мкс) вторичных лавин после каждого пропорционального сигнала [4]. Вторичные лавины при их большой величине перерастают в стримерные разряды.
На рис. 7 приведены результаты измерений при заполнении камеры чистым коммерческим Ат. Максимальный коэффициент пропорционального размножения электронов составил 103 (кривая 1), т.е. оказался на порядок большим, чем для смеси
-'стр
300-600 мкс
Рис. 6. Форма стримерного сигнала м.г.э.у. для смеси Аг + 20% CH4.
103
102
101
10°
Аг + 20%CH
4
1(Р")
50%
ДРсТр)
Уд, кВ
Рис. 5. Зависимости от напряжения Уд, подаваемого на резистивный делитель камеры м.г.э.у. (рис. 4), при заполнении камеры смесью Ат + 20% СН4 (760 Торр): 1 — коэффициента пропорционального размножения Кумн; 2 — амплитуды стримерных разрядов (в процентах приведены вероятности образования стримерных разрядов); 3 — разности потенциалов на электродах м.г.э.у.
Аг + 20% CH4. Стримерные разряды (кривая 2) наблюдались во всей области пропорциональных сигналов, и их амплитуда входила в область насыщения при Уд = 2 кВ.
ку
умн
103
102
101
100
Аргон ж-»"2(Р
- У /1(Р")
" : 1 1
стр
0.5
1.0
1.5
2.0
^ кВ
Рис. 7. Зависимости коэффициента пропорционального размножения Кумн от Уд при заполнении м.г.э.у. чистым Ат (1) и амплитуды стримерных разрядов от Уд (2).
в
в
Ку
умн
102
10
1 _
Уд, кВ
Рис. 8. Зависимость коэффициента пропорционального размножения электронов ^умн от Уд при заполнении м.г.э.у. смесью Аг + 1% Хе.
обеспечивает наибольший коэффициент пропорционального размножения электронов по сравнению с другими газами, при сравнительно небольшой разности потенциалов на электродах, с отсутствием стримерных разрядов в рабочей области. Сильноточные стримерные разряды приводят к распылению материала электродов с осаждением его на изоляторах камеры и к последующим пробоям. Отсутствие стримеров существенно увеличивает надежность работы м.п.г.э.у. и м.г.э.у. Использование смесей Аг + С02 и Аг + СН4 нежелательно из-за большого количества стримеров в рабочей области. Сделан вывод о том, что стримеры развиваются из вторичных лавин, появляющихся после пропорциональных первичных лавин, при наличии в благородном газе, заполняющем детектор, примеси с более низким потенциалом ионизации [4].
Надежно работающие м.п.г.э.у. могут найти широкое применение в медицине (рентгеноскопия, позитронная томография) и промышленной дефектоскопии.
На рис. 8 представлены результаты измерений при заполнении камеры смесью Аг + 1% Хе (760 Торр). Стримерные разряды для этой смеси наблюдались с частотой <1 Гц во всей области пропорциональных сигналов.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показано, что лучшим газом
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.