ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 2, с. 16-19
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.2+537.563.22
РАЗРАБОТКА АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЕТЕКТОРОВ НА ОСНОВЕ ТОЛСТОСЛОЙНЫХ ГАЗОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ
© 2010 г. В. И. Иньшаков, В. И. Крышкин, В. В. Скворцов, А. Н. Сытин,
Н. А. Кузьмин*, С. Я. Сычков*
ГНЦ РФ "Институт физики высоких энергий" Россия, 142281, Протвино Московской обл., ул. Победы, 1
* Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 Поступила в редакцию 07.07.2009 г.
Для создания радиационно-стойких быстродействующих детекторов (адронных калориметров, координатных детекторов и т.д.) в качестве активного элемента взят толстослойный газовый электронный умножитель. Проведена конструкторская и технологическая работа по оптимизации структуры элемента, приводятся результаты измерений и ближайшие планы.
ВВЕДЕНИЕ
В связи с планируемым повышением на порядок величины светимости LHC [1] возникла необходимость модернизации активных элементов торцевых адронных калориметров CMS, разработанных и изготовленных в ИФВЭ [2]. В данной работе анализируются требования к активным элементам адронных калориметров, работающих при высоких радиационных загрузках, предлагается вариант детекторов, приводятся результаты измерений и планы дальнейшего развития.
Основными требованиями к детекторам, работающим в тяжелых радиационных условиях и высоких загрузках, являются высокая радиационная стойкость (~60 Мрад) и высокое быстродействие. Кроме того, детекторы должны быть просты в изготовлении (низкая стоимость), надежны (на коллайдерах доступ к аппаратуре ограничен) и прочны. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют толстослойные газовые электронные умножители (т.г.э.у.) [3]. В последнее время выполнено много работ, в которых, кроме изучения принципиальных проблем, исследованы характеристики т.г.э.у. в зависимости от множества параметров. Поэтому наши исследования опирались на эти результаты и носили чисто практический характер: оптимизация конструкции камеры для упрощения технологии изготовления и достижения максимального усиления.
КОНСТРУКЦИЯ
Структура одноэлектродного т.г.э.у. показана на рис. 1а. Отличие от конструкции газового электронного умножителя, предшественника т.г.э.у., заключается только в характерных разме-
рах электрода, которые на порядок величины больше для т.г.э.у. (диаметр отверстий, шаг и толщина электрода), что позволяет использовать при их изготовлении обычный фольгированный стеклотекстолит и стандартную технологию производства печатных плат.
На рис. 2а показан фрагмент электрода т.г.э.у., который использовался в данных измерениях. Вокруг отверстий имеются ободки для повышения напряжения пробоя. Диаметр отверстий приблизительно равен толщине пластины. Шаг между отверстиями — 800 мкм. Электроды изготавливали в ИФВЭ (Протвино). Ободки вокруг отверстий формировались по технологии, предложенной в CERN. Готовые отверстия очищали гидроабразивным методом, электрод промывали в ультразвуковой ванне и просушивали.
Все измерения проводили с электродами, изготовленными из стеклотекстолита толщиной 500 мкм, фольгированного медью 35 мкм. Диаметр отверстий 400 мкм, ширина ободка 120 мкм и шаг между отверстиями 800 мкм. На рис. 3 представлена фотография электрода под микроскопом.
Используемая технология изготовления электродов обеспечивает высокое качество и точность вытравленных ободков вокруг отверстий, что и определяет, в конечном счете, величину пробойного напряжения (максимальное усиление).
Для проведения измерений использовалась камера, схема которой приведена на рис. 1. Камера продувалась газовой смесью Ar + 30%C02 при атмосферном давлении. Такая конструкция, согласно многочисленным публикациям, обеспечивает усиление до 105. Во многих случаях этого недостаточно. Дальнейшее увеличение усиления
РАЗРАБОТКА АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЕТЕКТОРОВ
17
(а)
Высоковольтный электрод
Дрейфовый зазор
___Т.г.э.у.
Индукционный зазор
■ ~ " Сигнальный электрод
(б)
Высоковольтный электрод
Дрейфовый зазор
Т.г.э.у. 1
Индукционный зазор
Сигнальный электрод
(в)
Дрейфовый зазор
Т.г.э.у.
Высоковольтный электрод
Индукционный зазор
Сигнальный электрод
Рис. 1. Структура т.г.э.у. с одним (а), двумя (б) и с трехслойным (в) электродами. Типичные размеры газовых зазоров: дрейфового 3 мм и индукционного 1 мм.
может быть достигнуто каскадированием электродов, как показано на рис. 4. Конструктивно такое решение заметно сложнее, чем одноэлек-тродная камера.
Чтобы обойти эту проблему (ликвидировать зазор между электродами), изготовлена конструкция, показанная на рис. 2б. Трехслойный электрод изготавливался по такой же технологии, как и двухслойный, т.е. этапы сверления и травления пластины выполнялись однократно. Ободок в среднем электроде такой же, как и во внешних электродах.
Электрод устанавливался между высоковольтным и сигнальным электродами, как показано на рис. 1в.
Камера работала при тех же условиях, что и предыдущая. На каждый электрод напряжение подавалось от отдельного источника через сопротивление 10 мОм. Толщина электрода равнялась 1 мм. При толщине высоковольтного и сигнального электродов по 1 мм (для совмещения функции защитного слоя) полная толщина камеры составит 7 мм, что позволит легко вставить ее в су-
ществующий поглотитель торцевых адронных калориметров СМ8.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Камера облучалась коллимированным радиоактивным источником 908г. При использовании двухслойного электрода (рис. 2а) амплитуда сигнала при У1 = 2.6 кВ, У2 = 2.3 кВ и У3 = 0.4 кВ равнялась ~1 мВ на нагрузку 50 Ом. При увеличении напряжения У2 начинались пробои, изменение У1 и У3 мало влияло на усиление.
На рис. 4 показан сигнал с трехслойного т.г.э.у. При этом Удрейф = 600 В, Ут.г.э.у.1 = 1.9 кВ, У.г.э.у.2 = = 1.5 кВ и Уивдук = 200 В. Напряжение с сигнального электрода через усилитель подавалось на многоканальный анализатор.
На рис. 5 приведен амплитудный спектр камеры с трехслойным электродом, облучаемой 908г, без отбора событий сцинтилляционными счетчиками. Такое распределение можно ожидать от минимально ионизирующей частицы (мюона). Ана-
18
ИНЬШАКОВ и др.
(а)
(б)
(в)
Рис. 2. а — поперечное сечение фрагмента электрода т.г.э.у. (стеклотекстолит толщиной 500 мкм, фольги-рованный медью толщиной 35 мкм с двух сторон); б — фрагмент трехслойного электрода т.г.э.у.; в — фрагмент четырехслойного электрода.
■ 1 Т1 1 i^^Ui 1 1 ri 1 1 1 J 1 tif РТЧ 1 1 V 1 гПг 1 11Ti il L* 1 'Т-г 1 1 hfi ■
5 мВ \ / =
if = 25 нс 1 1 1 ...
: : :
Рис. 4. Сигнал с камеры с трехслойным электродом.
Число событий 16000
12000
8000
4000
50
100
150 200 Номер канала
Рис. 3. Фотография электрода т.г.э.у. под микроскопом.
лиз амплитудного распределения дает оценку числа первичных электронов ~13.
Был также изготовлен четырехслойный электрод, показанный на рис. 2в. Усиление выросло по сравнению с трехслойным электродом примерно на порядок величины. Основным недостатком такого решения можно считать увеличение высокого напряжения на камере приблизительно на 2000 В. Такое высокое усиление может быть востребовано при конструировании детек-
Рис. 5. Амплитудный спектр с трехслойного электрода от радиоактивного источника 908г.
торов для определенного типа задач. Известно, максимально достижимый заряд лавины в плоско-параллельном газовом детекторе определяется так называемым пределом Ротера [4]:
Ап0 < 10 8 электронов,
где А — коэффициент усиления, п0 — число первичных электронов. Для стабильной работы детектора величина заряда в лавине должна быть на один-два порядка ниже.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенная работа позволила оптимизировать конструктивные решения, которые использовались при изготовлении первых образцов камер для прототипов координатных детекторов и активных элементов калориметров. Мы планируем провести исследование работы прототипов в конце этого года. Также предполагается установить небольшие камеры на входе в магнит установки ФОДС [5] для изучения долговременной стабильности работы в сильном магнитном поле и высоких загрузках. Для оценки радиационной
0
РАЗРАБОТКА АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЕТЕКТОРОВ
19
стойкости т.г.э.у. аналогичная камера будет облучена до 60 Мрад.
Один из авторов (Н.А. Кузьмин, ОИЯИ) благодарит Г. И. Бритвича за помощь в работе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Abdulin S, Azuelos G., Ball A. et al. // CERN-TH/2002-078.
2. Abramov V., Volkov A., Goncharov P. et al. // Nucl. Phys. B. Proc. Suppl. 2006. V. 150. P. 110.
3. Breskin A., Alon R, Cortesi M. et al. // Nucl. Instrum. and Methods. 2009. V. A598. P. 107 and references there in.
4. Peskov V., Fonte P., Danielsson M. et al. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2001. V. 48. P. 1070.
5. Абрамов В.В., Балдин Б.Ю., Бузулуцков А.Ф. и др. // ПТЭ. 1992. № 6. С. 75.
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.