научная статья по теме МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ Физика

Текст научной статьи на тему «МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 1, с. 49-53

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

УДК 539.107.422

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

© 2011 г. Б. М. Овчинников, В. В. Парусов, Ю. Б. Овчинников

Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а Поступила в редакцию 07.06.2010 г.

Описаны результаты исследования многоканального газового электронного умножителя с металлическими электродами толщиной 1 мм, перфорированными по всей рабочей площади отверстиями диаметром 1 мм с расстояниями между ними 1.5 мм, и зазором между электродами 3 мм. Исследовано влияние на работу умножителя с неоновым наполнением микродобавок N и Н2О. При регистрации в-частиц (63№) получен максимальный коэффициент пропорционального размножения электронов в неоне под давлением 1 атм (абс.) с гасящими добавками (Н2О + К2) « 100 млн-1, равный КупмТ = 3 • 104.

ВВЕДЕНИЕ

В работах [1-3] нами были предложены и детально исследованы многоканальные проволочные газовые электронные умножители с зазорами 1 и 3 мм, характеризующиеся высокой надежностью в работе и обеспечивающие большую рабочую область пропорционального размножения

электронов (КумнТ до 106) при заполнении камеры коммерческим неоном.

Недостатком проволочных умножителей является возникновение в условиях механических вибраций микрофонного эффекта. С целью увеличения механической прочности умножителя и устранения микрофонного эффекта электроды умножителя были изготовлены из латунных пластин.

В настоящей работе поставлена также цель поиска оптимальных концентраций гасящих примесей N и Н2О, обеспечивающих стабильную работу умножителя с неоновым наполнением.

КОНСТРУКЦИЯ УМНОЖИТЕЛЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК

Электроды многоканального газового электронного умножителя (м.г.э.у.) изготовлены из латунных пластин толщиной 1 мм. При сверлении отверстий 01 мм обе пластины жестко скреплялись между собой. Острые кромки отверстий устранялись зенковкой с радиусом ~2 мм. Шаг между отверстиями составляет 1.5 мм. Зазор между электродами равен 3 мм (рис. 1). Рабочая площадь имеет диаметр 20 мм.

Испытания умножителя проводили в камере, схема которой приведена на рис. 2. Дрейфовый зазор между катодом К камеры и м.г.э.у. равен 13 мм, анодный зазор между м.г.э.у. и анодом А камеры — 6 мм.

Сигналы с анода камеры поступали на зарядо-чувствительный усилитель БУС2-96, а с него — на запоминающий осциллограф С9-8.

На рис. 3, 4 представлены результаты испытаний умножителя в камере, которая не прогревалась с целью удаления примесей воздуха и влаги с внутренних поверхностей. Камера заполнялась

1.5 мм

01 мм

и и и и и и и а 1Ш1

и и и и и т

ООО ОООООО ООООООО

оооооооо ооооооооо

Рис. 1. Устройство умножителя.

0

1

1

АГ м.г.э.у. 0 2

1

|-К„

1 м

: м.г.э.у.

220 М

2200 п

-БУС2-96

> + Гя

Рис. 2. Камера для испытаний умножителя. Гд — напряжение на резистивном делителе камеры умножителя; А — анод камеры; К — катод камеры.

чистым коммерческим неоном, однако в результате выделения воздуха и влаги с внутренних поверхностей камеры содержание примесей воздуха и влаги в неоне составляло ~100 млн-1 в течение ~1 ч. Эти примеси работали как гасящие и позволяли получать достаточно большие коэффициенты размножения электронов.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НА РАБОТУ УМНОЖИТЕЛЯ ПРИМЕСЕЙ Н2О И N

Перед началом испытаний для удаления с внутренних поверхностей камеры адсорбированных воздуха и влаги камера с умножителем прогревалась до 200°С в течение 2 ч с вакуумировани-ем и продувом чистым аргоном. Для заполнения камеры использовался чистый коммерческий неон, содержащий молекулярные примеси, в том числе К2, О2, Н2О на уровне ~2 млн-1.

При наполнении прогретой камеры чистым коммерческим неоном камера не вносила в газ заметного количества примесей О2, Н2О и N в течение нескольких часов. Последующее постепенное ухудшение чистоты газа в камере было обусловлено использованием для электрической изоляции ее электродов фторопластовой пленки, которая, как известно, является пористой и содержит большое количество газа и влаги, трудно удаляемых даже при длительном прогреве.

Формы сигналов, полученных при заполнении камеры чистым неоном, а также неоном с примесями Н2О и К2, представлены в таблице.

Выбор для испытаний примесей Н2О и N обусловлен тем, что именно эти примеси выделяются в неон с внутренних поверхностей камеры.

Заполнение коммерческим неоном прогретой камеры позволило провести измерения на чистом

К полн Кумн

104

103

102

101

100

а / /

_ / /р

г 1 1111

100

200

300

400

АК,

500 , В

м.г.э.у.

Рис. 3. Зависимости коэффициентов полного про-

т^Иолн

порционального размножения электронов Кумн от разности потенциалов между электродами умножителя при облучении а- и в-частицами, давлении неона 1 атм (абс.) и коэффициенте размножения электронов в анодном зазоре Кумнд =10 (Уа = 440 В).

к полн Кумн

105

104

103

102

101

100

- 14 5/1 I2

Аз3 а

а / / !1

а

| 1 1 1

100

200

300 400

АКм.г.э.у., В

Рис. 4. Зависимости коэффициентов полного про-

т^полн

порционального размножения электронов Кумн от разности потенциалов между электродами умножителя при облучении а- и в-частицами, давлении неона 0.4 атм (абс.) с размножением электронов в анодном

зазоре: 1 - Га = 250 В (К^ = 1); 2, 3 - Га = 300 В

(Куамнд = 6); 4, 5- Га = 320 В (К^Т = 15).

анод

0

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ 51

Форма сигналов для различных наполнений камеры

Состав газа для наполнения камеры Р, атм В а или в Кан°Д умн т-^макс Кумн М.Г.Э.у. Форма сигнала в пропорциональной области Форма сигнала в районе макс Кумн м.Г.э.у.

Чистый № 1.0 400 в 6 10 / [ 5 мс

Чистый № 0.4 250 в 1 60 —^(Умкс^^-— 70 мкс / 150 мкс г~ У / 5 мс

№ + 100 млн-1 Н20 1.0 470 в 66 г\100 мкс/ 1—/

№ + 100 млн-1 N 1.0 400 в 6 \/ /у^

№ + 100 млн-1 N 0.4 440 в 10 100 мкс

№ + 200 млн-1 N 1.0 400 в 6 "К V

№ + 500 млн-1 N 1.0 400 в 6 60 и/ 0 мкс IV

№ + 1 млн-1 Н20 + 10 млн-1 N 1.0 400 в 6 Г/90 мкс 6 мс

№ + 6 млн-1 Н20 + 50 млн-1 N 1.0 400 в 6 6 мс ЛАг

№ + 12 млн-1 Н20 + 100 млн-1 N 0.4 280 в 4 60 мкс 5-10 мс 1

неоне. Отсутствие в неоне необходимого количества гасящих примесей приводит к сильному фотоэффекту на электродах камеры, вызываемому фотонами, испускаемыми лавинами. При давлении неона 1 атм (абс.) и облучении Р-частицами такой фотоэффект ограничивает максимальный коэффициент размножения электронов м.г.э.у. величиной К;г = 10, а при давлении неона 0.4 атм

(абс.) — величиной К^аГ = 60. Этот результат согласуется с результатами работ [4, 5].

Пропорциональный сигнал в чистом неоне при давлении 0.4 и 1.0 атм включает в себя сигнал, соответствующий первичной лавине (Д = 30 мкс), и сигнал вторичной лавины (Д? = 70 мкс) [6].

При напряжении, соответствующем Кумн , пропорциональные сигналы превращаются в стример-ные разряды длительностью до 5 мс с переходом в режим непрерывного разряда при дальнейшем увеличении напряжения на несколько вольт.

Для смеси Не + 100 млн-1 Н2О при давлении 1 атм и облучении Р-частицами для пропорционального сигнала характерно запаздывание вторичной лавины относительно первичной, причем амплитуды вторичных лавин возрастают в несколько раз по отношению к амплитудам первичных лавин с увеличением анодного напряжения Га до максимального. Примесь влаги 100 млн-1 к неону уменьшает вероятность образования стримеров, которые не образуются в заметном коли-

макс

честве, даже при максимальном значении Кумн . Необходимо отметить, что только при увеличении анодного напряжения Га до 470 В электроны из зазора умножителя эффективно вытягивались в анодный зазор с размножением в нем с коэффициентом Ку™д = 66. Причиной плохой проницаемости нижнего электрода умножителя является, по-видимому, неудачно выбранное соотношение диаметра отверстия к толщине электрода (1:1).

В смеси Не + 100 млн-1 N2 (1 атм, облучение Р-частицами) вторичные лавины практически не отделяются от первичных и имеют суммарную

длительность ~60-200 мкс. Однако при КумГ сигналы превращаются в стримеры и принимают изрезанную форму из-за фотоэффекта от фотонов на электродах камеры.

В смеси Не + 200 млн-1Н2 вторичные лавины отчетливо отделяются от первичных.

В смеси Не + 500 млн-1Н2 все сигналы в пропорциональной области имеют изрезанную форму из-за фотоэффекта.

Анализ этих результатов позволяет сделать вывод, что азот является плохой гасящей добавкой к

неону, по-видимому, потому, что его молекулы имеют метастабильные состояния 6.2 эВ (1.3-2.6 с) и 8.4 эВ (0.5 с).

Лучшие результаты были получены для смесей Не + (1-12) млн-1 Н20 + (10-100) млн-% (1 атм, облучение Р-частицами). В пропорциональной области наблюдались сигналы с фронтами 60-80 мкс,

хотя при Кумм7 образовывались стримеры изрезанной формы длительностью 5-10 мс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан многоканальный газовый электронный умножитель с электродами, изготовленными из латунных пластин толщиной 1 мм, с отверстиями диаметром 1 мм, расположенными с шагом 1.5 мм, и с зазором между электродами 3 мм. При заполнении камеры с умножителем неоном под давлением 1 атм (абс.) с количеством примесей воздуха и влаги ~100 млн-1 получены максимальные полные коэффициенты размножения электронов:

при облучении Р-частицами (63№) (см. рис. 3)

т^полн /о\ т^макс / \ т^анод

Кумн (в) = Кумн (м.г.э.у.) X КумН =

= 3 • 103 X 10 = 3 • 104;

при облучении а-частицами (239Ри)

полн макс анод

Кумн (а) = Кумн (м.г.э.у.) х Кумн =

= 1.9 • 103 X 10 = 1.2 • 104, а при заполнении неоном под давлением 0.4 атм (абс.) (см. рис. 4) соответственно:

т^полн /о\ т^макс/ \ т^анод

Кумн (в) = Кумн (м.г.э.у.) х Кумн =

= 1.33 • 103 X 15 = 2 • 105;

полн макс анод

Кумн (а ) = Кумн (м.г.э.у.) х Кумн =

= 3 • 103 X 15 = 4.5 • 104.

Необходимость подачи высокого анодного напряжения (приводящего к размножению электронов в анодном зазоре) связана с тем, что проницаемость нижнего электрода умножителя при меньшем анодном напряжении резко уменьшается (см. рис. 4), что, по-видимому, обусловлено неудачно выбранным соотношени

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.

Показать целиком