ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 3, с. 5-30
УДК 539.1.074.2 +537.563.22
ДЕТЕКТОРЫ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ ГАЗОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ
(обзор)
© 2007 г. А. Ф. Бузулуцков
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11 Поступила в редакцию 15.08.2006 г. После доработки 10.10.2006 г.
Замечательные свойства газовых электронных умножителей (г.э.у.) делают их привлекательными для многочисленных применений в физике высоких энергий, ядерной физике, астрофизике и в области медицинской визуализации. В данном обзоре представлены результаты по исследованию и разработке детекторов излучений на основе г.э.у. Изложены принципы работы г.э.у. и их основные характеристики, включая физику каскадных г.э.у. и их работу в чистых благородных газах. Рассмотрены детекторы ионизирующих излучений на основе г.э.у. В частности, кратко описаны результаты по трековым детекторам и более подробно - по детекторам, работающим при высоких давлениях и криогенных температурах, в том числе по двухфазным лавинным детекторам. Отдельная глава посвящена разработке газовых фотодетекторов на основе г.э.у.
PACS: 29.40.-n, 29.40.Cs
ВВЕДЕНИЕ
Газовые координатные детекторы ионизирующих излучений, работающие в лавинном режиме, являются одними из самых распространенных детекторов в физике высоких энергий и ядерной физике. До недавнего времени практически единственными представителями детекторов этого типа являлись многопроволочные камеры [1]. Ситуация существенно изменилась с появлением микроструктурных газовых детекторов [2], первым представителем которых была микрополос-ковая газовая камера [3]. Их главное отличие от многопроволочных камер заключалось в уменьшении на порядок размеров усилительной ячейки, что было достигнуто использованием методов фотолитографии. Это привело к существенному улучшению пространственного разрешения и загрузочной способности газовых детекторов, совершенно необходимому для работы в условиях центральных трековых систем на строящихся и проектируемых ускорителях частиц на встречных пучках, в частности на Большом адронном коллайдере LHC.
Газовый электронный умножитель или Gas Electron Multiplier (г.э.у. или GEM) [4], изобретенный Ф. Саули в 1996 г. в Центре европейских ядерных исследований - CERN [5], относится к классу микроструктурных газовых детекторов и является его наиболее успешным представителем. Действительно, интерес к детекторам на основе г.э.у. постоянно растет. Достаточно сказать, что число публикаций по этой теме превысило
три сотни, а возможные применения г.э.у. давно вышли за рамки собственно физики высоких энергий.
Замечательные свойства г.э.у. делают его привлекательным для многочисленных применений в физике высоких энергий, ядерной физике, астрофизике, в области медицинской визуализации и в других областях. Г.э.у. применяются, в частности, в трековых детекторах [6-10], в том числе работающих в интенсивных потоках частиц [11], быстрых детекторах для триггерных систем [12, 13], торцевых детекторах для времяпроекцион-ных камер [14-17], черенковских детекторах [18, 19], газовых фотодетекторах [20-28], криогенных детекторах [29-35] для регистрации нейтрино [36, 37] и темной материи [38], детекторах для регистрации когерентного рассеяния нейтрино на ядрах [39, 40], рентгеновских детекторах [41-44], нейтронных детекторах [44], детекторах с оптическим считыванием [44, 45], детекторах синхро-тронного излучения [46, 47].
Уникальным свойством г.э.у. является возможность его работы в чистых благородных газах в лавинном режиме с высоким газовым усилением [20, 48-50], включая работу при высоких давлениях [51-55] и криогенных температурах [29-35]. Последнее особенно важно для разработки двухфазных лавинных детекторов [29, 30, 32, 34], которые могут использоваться для регистрации солнечных нейтрино [36], нейтрино от ускорителей и космических лучей [37], темной материи [38], когерентно-рассеянных нейтрино [40], в
Рис. 1. Внешний вид г.э.у. [6]. Расстояние между центрами отверстий 140 мкм.
позитронной эмиссионной томографии [56, 57] и цифровой радиографии [58]. Самостоятельный интерес представляет изучение с помощью г.э.у. физики электронных лавин в плотных газах и при низких температурах [30, 33, 35, 54].
В данном обзоре представлены результаты по исследованию и разработке детекторов излучений на основе г.э.у. Так как литература по трековым детекторам на основе г.э.у. довольно широко представлена (см., например, обзоры [17, 59-61]), в нашем обзоре сделан акцент на детекторы других типов. В гл. 1 изложены принципы работы г.э.у. и его основные характеристики, включая физику каскадных г.э.у. и их работу в чистых благородных газах. В гл. 2 описаны детекторы ионизирующих излучений на основе г.э.у.; в частности, кратко описаны результаты по трековым детекторам и детекторам с визуализацией событий и более подробно - по детекторам, работающим при высоких давлениях и криогенных температурах. Гл. 3 посвящена разработке газовых фотодетекторов на основе г.э.у., включая описание специфических свойств газовых фотодетекторов с CsI-фотокатодом и фотокатодами для видимой области.
1. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ Г.Э.У.
1.1. Принципы работы г.э.у.
Газовый электронный умножитель [4] в "стандартном" исполнении представляет собой тонкую диэлектрическую полимерную (полиимидную) пленку толщиной 50 мкм, покрытую с обеих сторон металлической (медной) фольгой толщиной 5 мкм, в которой проделано множество отверстий (рис. 1). Отверстия имеют форму двойного конуса и расположены в виде гексагональной матрицы; их шаг составляет 140 мкм, а диаметр - 60-80 мкм
по металлу и 40-60 мкм в центре пленки. Г.э.у. изготавливается с помощью фотолитографии и химического травления металла и диэлектрика с обеих сторон пленки.
При подаче разности потенциалов между металлическими электродами в отверстиях формируется сильное электрическое поле напряженностью ~50 кВ/см (рис. 2). Существенно, что силовые линии поля фокусируются в отверстия. На рис. 3 показано распределение напряженности поля вдоль оси отверстия при различных его диаметрах [62]. Видно, что при уменьшении диаметра отверстия, электрическое поле в отверстии приближается к полю плоскопараллельного промежутка.
Первичные электроны, рожденные излучением в газовом промежутке перед г.э.у., дрейфуют вдоль силовых линий и фокусируются в отверстия, в которых под действием сильного электрического поля развиваются электронные лавины. Таким образом, каждое отверстие представляет собой независимый пропорциональный счетчик. Заметная часть электронов лавины может выйти из отверстия в газовый промежуток, что можно использовать для усиления в последующих каскадах или для регистрации на анодном (считывающем) электроде (рис. 4). Именно способность г.э.у. работать в каскадной конфигурации [20, 63] является одним из его главных преимуществ перед другими газовыми детекторами.
Уникальным свойством детекторов на основе г.э.у. является возможность пространственного разделения процессов усиления и считывания за счет использования считывающего электрода [64], сигнал на котором наводится движением электронов в так называемом индукционном промежутке (рис. 4). В этом случае сигнал получается быстрым, так как ионы не принимают участия в его формировании, а в считывающей электронике не происходит пробоев. Кроме того, поперечный размер наведенного сигнала является достаточно большим, что улучшает пространственное разрешение при считывании по методу центра тяжести.
Важным достоинством г.э.у. является высокая степень грануляции усилительных ячеек (50-100 отверстий/мм2), что в принципе позволяет при считывании визуализировать события с хорошим разрешением. Другим важным достоинством является потенциальное разнообразие форм детектора вследствие высокой гибкости и прочности полиимидной (каптоновой) пленки [5]. В частности, детектор может быть изготовлен в виде любой плоской фигуры [9] или в виде цилиндра [10], причем его рабочая площадь может достигать порядка квадратного метра.
Так как часть силовых линий поля в отверстии замыкается на "нижнем" электроде г.э.у. (рис. 2), значительная часть электронов лавины (от 1/2
Рис. 2. Картина электрического поля в г.э.у. для типичных условий работы [62]. Напряжение на г.э.у. Д^оем = 500 В, дрейфовое поле Е0 = 2 кВ/см, индукционное поле Е^ = 6 кВ/см, смесь 70%Аг + 30%С02.
до 2/3) будет собираться на нем и, следовательно, будет потеряна для регистрации на считывающем электроде. Поэтому различают "реальное" усиление (соответствующее полному заряду в лави-
не) и "эффективное" усиление г.э.у. (измеряемое на аноде) [62]. Эффективное усиление всегда меньше реального и соответствует заряду, пришедшему на анод. Оно зависит от диаметра и ша-
Е, кВ/см 120
100
80
60
40
20
0
-200-150 -100 -50 0 50 100
150 200 У, мкм
Рис. 3. Напряженность электрического поля в зависимости от координаты вдоль оси отверстия г.э.у. для различных диаметров отверстия по металлу [62]. Д^ОБМ = 500 В, толщина диэлектрика (каптона) 50 мкм, толщина медных электродов 5 мкм.
10
11 --
1с
-Уо сН==ЪН=ЗН==Н==ЬН==ЬН=М=Э
ДУ
ОЕМ
ДУ(
ОЕМ
ДУ
ОЕМ
Рис. 4. Типичная схема трехкаскадного г.э.у. [20], взятая из работы [81]. 1 - катод; 2, 3, 4 - соответственно 1-й, 2-й и 3-й г.э.у.; 5 - анод (считывающий электрод); 6 - дрейфовый промежуток; 7, 8 - транспортные промежутки; 9 - индукционный промежуток; 10 - корпус детектора; 11 - излучение; Д^оем - напряжение на одном г.э.у.; Е0 - дрейфовое поле; Ет - транспортное поле; Е^ - индукционное поле; ¥( - напряжение на делителе; - напряжение на катоде; /с - катодный ток; 1а - анодный ток.
Рис. 5. Реальное (1) и эффективное (2) усиления одно-каскадного г.э.у. в зависимости от диаметра отверстий по металлу в 70%Аг + 30%С02 [62]. ДКОЕМ = = 500 В, Е0 = 1 кВ/см, Е1 = 3 кВ/см.
Рис. 6. Эффективное усиление однокаскадного г.э.у. в Kr при 5 атм в зависимости от напряжения для трех конфигураций отверстий "диаметр/шаг" [55]: 1 -80/140 мкм, 2 - 40/140 мкм, 3 - 40/100 мкм.
га отверстий, а также от поля в промежутке, следующем з
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.