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.