JP5638664B2 - Protected readout electrode assembly and avalanche particle detector - Google Patents
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Description
本発明は、アバランシェ粒子検出器のため、特にマイクロパターンガス検出器（ＭＰＧＤ）のための読み出し電極アセンブリに関する。 The present invention relates to a readout electrode assembly for an avalanche particle detector, in particular for a micropattern gas detector (MPGD).
粒子検出器は、放射線または粒子を検出し、追跡し、および／または、識別するための装置であり、素粒子物理学、生物学、および、医療技術の全体にわたって幅広い用途を見出す。 A particle detector is a device for detecting, tracking and / or identifying radiation or particles and finds wide application throughout elementary particle physics, biology and medical technology.
ガス中で電離および電荷増倍のプロセスを利用する粒子検出器は、ラザフォードが１９０８年に自然放射能を研究するために最初にガス充填ワイヤカウンタを使用して以来ずっと連続的改良により使用されてきた。大きな安定した比例ゲイン、高い分解能、スパークおよび放電に対する高いロバスト性をガス検出器で得るための方法は、今日の検出器コミュニティにおいても依然として研究の対象である。 Particle detectors that utilize ionization and charge multiplication processes in gas have been used with continuous improvement since Rutherford first used a gas-filled wire counter in 1908 to study natural radioactivity. It was. Methods for obtaining large stable proportional gains, high resolution, high robustness against sparks and discharges with gas detectors are still the subject of research in today's detector community.
ガス検出器は、一般に、放射線を電離することにより解放される電子を収集して、それらの電子を大きな電場を伴う領域へと案内し、それにより、電子雪崩を起こす。電子雪崩は、読み出し電極アセンブリで収集でき且つ読み出し電子機器によって解析できる十分に大きい電流または電荷を形成するに足る電子を生み出すことができる。収集された電子電荷は、入射粒子の電荷、エネルギー、モーメント、移動方向、および、他の属性を表し得る。 A gas detector generally collects electrons released by ionizing radiation and guides them to a region with a large electric field, thereby causing an electron avalanche. An electronic avalanche can produce enough electrons to produce a sufficiently large current or charge that can be collected by the readout electrode assembly and analyzed by the readout electronics. The collected electronic charge can represent the charge, energy, moment, direction of movement, and other attributes of the incident particle.
殆どのそのような検出器において、電子雪崩を起こして助長するために必要な大きい増幅場は、プラスの高い電位で細いワイヤによってもたらされる。また、この同じ細いワイヤは、アバランシェからの電子を収集して、それらの電子を読み出し電子機器へ向けて誘導する。最近になって、マイクロメッシュガス構造チャンバ（マイクロメガス）およびガス電子増倍管（ＧＥＭ）などの、所謂マイクロパターンガス検出器（ＭＰＧＤ）が注目されてきた。半導体技術を使用することにより、印象的な様々な形状で大面積トラッキングＭＰＧＤを大量生産することができると同時に、アバランシェギャップを小さくすることができ、それにより、急速な信号開発、高速読み出し、および、高い信頼性が可能となる。ＭＰＧＤにおいて、増幅プロセスで発生される電子は、一般に、半導体基板上に所定のパターンで配置されて高速読み出し電子機器に電気的に接続される金属製の読み出しパッドまたはストリップに集められる。 In most such detectors, the large amplification field required to cause and promote an avalanche is provided by a thin wire at a positive high potential. This same thin wire also collects electrons from the avalanche and reads them out and directs them towards the electronic equipment. Recently, so-called micropattern gas detectors (MPGD), such as micromesh gas structure chambers (micromegas) and gas electron multipliers (GEM), have attracted attention. By using semiconductor technology, large area tracking MPGD can be mass-produced in various striking shapes and at the same time the avalanche gap can be reduced, thereby enabling rapid signal development, fast readout, and High reliability is possible. In MPGD, electrons generated in an amplification process are generally collected in a metal readout pad or strip that is arranged in a predetermined pattern on a semiconductor substrate and is electrically connected to high-speed readout electronics.
読み出しパッド、検出器基板、および、読み出し電子機器を保護するため、および、隣接するパッドを良好に絶縁するため、読み出しパッドを薄い抵抗層で覆うことが慣習になってきた。しかしながら、正しい抵抗率特性を有する材料を見出しつつ依然として容易な製造を可能にすることは困難であることが分かってきた。また、従来からカバー層として使用されてきた有機抵抗層は、増幅ギャップにおけるスパークおよび放電に対してかなり感度が高く、そのため、高い計数率または高い増幅場で動作されると、早期に劣化する傾向がある。鉱物抵抗層は、スパークおよび放電に対してロバスト性が高いが、複雑な製造を必要とし、そのため、大面積検出器の大量生産にあまり適さない。 It has become customary to cover the readout pad with a thin resistive layer to protect the readout pad, detector substrate, and readout electronics, and to provide good isolation between adjacent pads. However, it has proven difficult to find a material with the correct resistivity characteristics while still allowing easy manufacture. Also, the organic resistance layer that has been used as a cover layer in the past is quite sensitive to sparks and discharges in the amplification gap, and therefore tends to deteriorate early when operated at high count rates or high amplification fields. There is. Mineral resistance layers are highly robust to sparks and discharges, but require complex manufacturing and are therefore not well suited for mass production of large area detectors.
スパークは、読み出し検出器の表面を損傷させるだけでなく、必然的に、イベントを検出できないデッドタイムももたらし、そのため、検出器効率が低下する場合がある。 Sparks not only damage the surface of the readout detector, but also inevitably result in dead time during which events cannot be detected, which can reduce detector efficiency.
本発明の目的は、前述した従来技術の限界を克服する読み出し電極アセンブリを提供することである。特に、本発明の目的は、スパークまたは放電からの良好な防御を与えると同時に、検出器のデッドタイムを減らすことができる読み出し電極アセンブリを提供することである。独立請求項１の特徴を有する本発明の読み出し電極アセンブリがこの目的を達成する。従属請求項は好ましい実施形態に関する。 It is an object of the present invention to provide a read electrode assembly that overcomes the limitations of the prior art described above. In particular, it is an object of the present invention to provide a readout electrode assembly that can provide good protection from sparks or discharges while simultaneously reducing detector dead time. The readout electrode assembly according to the invention having the features of independent claim 1 achieves this object. The dependent claims relate to preferred embodiments.
本発明に係るアバランシェ粒子検出器用の読み出し電極アセンブリは、複数の読み出しパッドと、前記読み出しパッド上及び／または前記読み出しパッド間に形成される絶縁層と、前記読み出しパッドよりも上側で前記絶縁層中に形成される複数のレジスタパッドとを備える。好ましい実施形態では、前記絶縁層が誘電体を備える。 A readout electrode assembly for an avalanche particle detector according to the present invention includes a plurality of readout pads, an insulating layer formed on and / or between the readout pads, and in the insulating layer above the readout pads. A plurality of register pads. In a preferred embodiment, the insulating layer comprises a dielectric.
レジスタパッドは、電子読み出しチェーンにおいて直列レジスタとしての機能を果たし、それにより、読み出し電極アセンブリへの信頼できる信号伝搬を可能にすると同時に、読み出しパッドおよび読み出し電子機器を保護する。読み出しパッド上及び／または読み出しパッド間に形成される絶縁層は、隣接する読み出しパッド間の望ましくない結合またはクロストークを減少させる。 The register pad serves as a serial register in the electronic readout chain, thereby allowing reliable signal propagation to the readout electrode assembly while simultaneously protecting the readout pad and readout electronics. An insulating layer formed on and / or between read pads reduces undesirable coupling or crosstalk between adjacent read pads.
スパークは、一般に局在化され、そのため、レジスタパッドのうちの１つだけに影響を及ぼし、一方、入射粒子によって起こされるアバランシェは、通常、所定の読み出しパッドの上側に形成される多数のレジスタパッドにわたって非局在化される。複数のレジスタパッドの抵抗率は単一のレジスタパッドの抵抗率とは異なるため、本発明に係る読み出し電極アセンブリは、スパークまたは放電によって引き起こされる信号をイベントによって引き起こされる信号から良好に分離することができ、それにより、検出器のデッドタイムを効果的に減少させる。 Sparks are generally localized so that only one of the register pads is affected, while the avalanche caused by the incident particles is typically a large number of register pads formed above a given read pad. Delocalized over time. Because the resistivity of multiple register pads is different from the resistivity of a single resistor pad, the readout electrode assembly according to the present invention can better separate the signal caused by spark or discharge from the signal caused by the event. And thereby effectively reduce detector dead time.
好ましい実施形態によれば、レジスタパッドの上面が絶縁層の上面と面一である。レジスタパッドの上面を絶縁層の上面と面一に形成することにより、非常に滑らかな読み出し面を有する検出装置を得ることができる。 According to a preferred embodiment, the top surface of the register pad is flush with the top surface of the insulating layer. By forming the upper surface of the register pad flush with the upper surface of the insulating layer, a detection device having a very smooth readout surface can be obtained.
本発明の好ましい実施形態において、レジスタパッドは、レジスタを備える第１の層と、前記第１の層上に形成される第２の層とを備え、前記第２の層が金属を備える。好ましい実施形態では、前記金属が銅を備えてもよい。 In a preferred embodiment of the present invention, the register pad includes a first layer including a register and a second layer formed on the first layer, and the second layer includes a metal. In a preferred embodiment, the metal may comprise copper.
レジスタ層上に形成される金属カバー層は、スパークまたは放電からの優れた防御を与えると同時に、読み出し電極アセンブリへの良好な信号伝搬を可能にする。保護用の金属カバー層に起因して、下側のレジスタ層を形成するために、スパークまたは放電に対してかなり感度が高い材料を含む多種多様な抵抗材料が選択されてもよく、それにより、ＭＰＧＤの構造に大きな柔軟性がもたらされる。 A metal cover layer formed on the resistor layer provides good protection from sparks or discharges while at the same time allowing good signal propagation to the readout electrode assembly. Due to the protective metal cover layer, a wide variety of resistive materials may be selected to form the lower resistor layer, including materials that are fairly sensitive to sparks or discharges, thereby Great flexibility is provided in the structure of MPGD.
更なる実施形態によれば、複数のレジスタパッドが読み出しパッドの上側に位置される。所定の読み出しパッドの上側に複数のレジスタパッドを形成することにより、スパークまたは放電から生じる信号の信号強度と入射粒子から生じる信号の信号強度との間の比率を減少させることができ、それにより、デッドタイムを減らして、検出器効率を高めることができる。適度な境界内では、読み出しパッドごとのレジスタパッド数が多くなればなるほど、スパークをイベントからより良く区別することができる。好ましい実施形態によれば、少なくとも２０個のレジスタパッドが読み出しパッドの上側に配置される。 According to a further embodiment, a plurality of register pads are located above the read pad. By forming multiple register pads above a given readout pad, the ratio between the signal strength of the signal resulting from spark or discharge and the signal strength of the signal resulting from incident particles can be reduced, thereby Dead time can be reduced and detector efficiency can be increased. Within reasonable boundaries, the greater the number of register pads per read pad, the better the spark can be distinguished from the event. According to a preferred embodiment, at least 20 register pads are located above the read pad.
本発明の好ましい実施形態に係る読み出し電極アセンブリでは、レジスタパッドの一部または全てが読み出しパッドと直接に接触する。レジスタパッドと読み出しパッドとの直接的な接触は、増幅ギャップからレジスタパッドを介した読み出し電極アセンブリへの特に効率的な信号伝搬を可能にする。 In a read electrode assembly according to a preferred embodiment of the present invention, some or all of the register pads are in direct contact with the read pad. Direct contact between the register pad and the read pad allows for particularly efficient signal propagation from the amplification gap through the register pad to the read electrode assembly.
しかしながら、本発明は、レジスタパッドが読み出しパッドと直接に接触する読み出し電極アセンブリに限定されず、レジスタパッドが絶縁層の少なくとも一部によって読み出しパッドから空間的に分離される実施形態も含む。絶縁層は、レジスタパッドと読み出し電極アセンブリとの間の容量結合を可能にする。 However, the present invention is not limited to read electrode assemblies in which the register pad is in direct contact with the read pad, but also includes embodiments in which the register pad is spatially separated from the read pad by at least a portion of the insulating layer. The insulating layer allows capacitive coupling between the resistor pad and the read electrode assembly.
好ましい実施形態では、読み出し電極アセンブリの表面に対して垂直な方向に沿って測定される読み出しパッドとレジスタパッドとの間の距離が５０μｍ〜２００μｍの範囲内である。 In a preferred embodiment, the distance between the readout pad and the register pad, measured along the direction perpendicular to the surface of the readout electrode assembly, is in the range of 50 μm to 200 μm.
本発明に係る読み出し電極アセンブリは、複数の前記レジスタパッドと複数の前記読み出しパッドとの間で絶縁層中に埋め込まれる抵抗電荷拡散パッドを備えることが好ましい。 The readout electrode assembly according to the present invention preferably includes a resistive charge diffusion pad embedded in an insulating layer between the plurality of register pads and the plurality of readout pads.
電荷拡散パッドの抵抗率および／または抵抗の適切な選択により、電荷拡散パッドは、隣り合う読み出しパッド間に所定の度合いの結合をもたらすことができる。そのため、電荷拡散パッドを介して所定のパッドに結合される隣接する読み出しパッドがもたらす信号比率から、特定の読み出しパッドの上側の増幅ギャップにおけるイベントの正確な位置を決定することができる。結果として、さもなければ個々の読み出しパッドのサイズに限定される場合がある検出装置の空間分解能をかなり高めることができる。この場合、驚くべきことに、電荷拡散パッドによる広い領域にわたる電荷の拡散は、検出装置の空間分解能を高めることができる。 By appropriate selection of the resistivity and / or resistance of the charge diffusion pad, the charge diffusion pad can provide a certain degree of coupling between adjacent readout pads. Thus, the exact location of the event in the amplification gap above a particular read pad can be determined from the signal ratio provided by adjacent read pads that are coupled to a given pad via a charge diffusion pad. As a result, the spatial resolution of the detection device, which may otherwise be limited to the size of the individual readout pads, can be significantly increased. In this case, surprisingly, the diffusion of charge over a large area by the charge diffusion pad can increase the spatial resolution of the detection device.
本発明の読み出し電極アセンブリは、絶縁層中に埋め込まれる複数の抵抗電荷拡散パッドを備えてもよく、各電荷拡散パッドは、複数のレジスタパッドと複数の読み出しパッドとの間に位置する。 The read electrode assembly of the present invention may comprise a plurality of resistive charge diffusion pads embedded in an insulating layer, each charge diffusion pad being located between the plurality of register pads and the plurality of read pads.
それぞれが所定の一群の読み出しパッドと関連付けられてこれらの読み出しパッドの上側に形成される複数の電荷拡散パッドを設けることにより、選択された読み出しパッドを互いに機能的に結合することができ、それにより、検出器構造の柔軟性を更に高めることができる。 By providing a plurality of charge diffusion pads, each associated with a predetermined group of read pads and formed above these read pads, selected read pads can be functionally coupled to each other, thereby Further, the flexibility of the detector structure can be further increased.
本発明の好ましい実施形態では、１または複数の電荷拡散パッドがレジスタパッドと直接に接触する。直接的な接触は、特に効果的な信号伝搬を可能にする。 In a preferred embodiment of the present invention, one or more charge diffusion pads are in direct contact with the register pads. Direct contact allows for particularly effective signal propagation.
本発明の更なる実施形態によれば、読み出し電極アセンブリの上面に対して垂直な方向に沿う電荷輸送のための前記読み出し電極アセンブリの抵抗は、前記読み出し電極アセンブリの上面と平行な方向に沿う電荷輸送のための１または複数の電荷拡散パッドの抵抗とは異なる。特に、読み出し電極アセンブリの前記上面に対して垂直な方向に沿う電荷輸送のための前記１または複数の電荷拡散パッドの抵抗率は、読み出し電極アセンブリの前記上面と平行な方向に沿う電荷輸送のための前記１または複数の電荷拡散パッドの抵抗率とは異なってもよい。好ましい実施形態によれば、表面抵抗率は、前者の方向での電荷輸送において単位面積当たり１０Ω〜１０００Ωの範囲内であり、後者の方向での電荷輸送において単位面積当たり０．５ＭΩ〜１０ＭΩの範囲内である。 According to a further embodiment of the present invention, the resistance of the readout electrode assembly for charge transport along a direction perpendicular to the top surface of the readout electrode assembly is a charge along a direction parallel to the top surface of the readout electrode assembly. Different from the resistance of one or more charge diffusion pads for transport. In particular, the resistivity of the one or more charge diffusion pads for charge transport along a direction perpendicular to the top surface of the read electrode assembly is due to charge transport along a direction parallel to the top surface of the read electrode assembly. The resistivity of the one or more charge diffusion pads may be different. According to a preferred embodiment, the surface resistivity is in the range of 10Ω to 1000Ω per unit area for charge transport in the former direction and in the range of 0.5 MΩ to 10 MΩ per unit area for charge transport in the latter direction. Is within.
隣接する読み出しパッド間の結合を支配する抵抗率である読み出し電極アセンブリの上面と平行な方向に沿う１または複数の電荷拡散パッドの抵抗を、増幅ギャップから読み出しパッドへの信号伝搬を支配する抵抗率である読み出し電極アセンブリの上面と垂直な方向に沿う読み出し電極アセンブリの抵抗に調整することにより、隣り合う読み出しパッド間のクロストークのレベル、したがって、検出装置の空間分解能を注意深く制御できる。
抵抗間または抵抗率間を調整することにより、検出感度と空間分解能との間で適切な歩み寄りを行うことができる。
The resistivity governing the coupling between adjacent readout pads, the resistance of one or more charge diffusion pads along the direction parallel to the top surface of the readout electrode assembly, and the resistivity governing signal propagation from the amplification gap to the readout pad By adjusting the resistance of the readout electrode assembly along the direction perpendicular to the top surface of the readout electrode assembly, the level of crosstalk between adjacent readout pads, and thus the spatial resolution of the detection device, can be carefully controlled.
By adjusting the distance between the resistors or the resistivity, an appropriate compromise can be made between the detection sensitivity and the spatial resolution.
好ましい実施形態によれば、読み出し電極アセンブリの上面と平行な方向での電荷輸送のための１または複数の電荷拡散パッドの表面抵抗率は、単位面積当たり１ＭΩ〜３ＭΩの範囲内である。 According to a preferred embodiment, the surface resistivity of the one or more charge diffusion pads for charge transport in a direction parallel to the top surface of the readout electrode assembly is in the range of 1 MΩ to 3 MΩ per unit area.
本発明の更なる実施形態によれば、読み出し電極アセンブリの上面に対して垂直な方向での電荷輸送のためのレジスタパッドの抵抗は１０Ω〜１０００Ωの範囲内である。読み出し電極アセンブリの上面に対して垂直な方向での電荷輸送のための１または複数の電荷拡散パッドおよびレジスタパッドの全抵抗は１０Ω〜１０００Ωの同じ範囲内であってもよい。 According to a further embodiment of the invention, the resistance of the resistor pad for charge transport in a direction perpendicular to the top surface of the readout electrode assembly is in the range of 10Ω to 1000Ω. The total resistance of the one or more charge diffusion pads and register pads for charge transport in a direction perpendicular to the top surface of the readout electrode assembly may be in the same range of 10Ω to 1000Ω.
好ましい実施形態によれば、前記読み出しパッドおよび／または前記レジスタパッドが柱状である。柱状のパッドは製造が比較的容易である。円柱が特に好ましい。しかしながら、本発明は円柱状の読み出しパッドおよび／またはレジスタパッドに限定されない。実際に、読み出しパッド、レジスタパッド、および、電荷拡散パッドを、特定の検出器構造に応じて、ストリップ、立方体、六角形パッド、放射状セグメント、および、他の読み出し形状を含むほぼ任意の形状に形成できる。 According to a preferred embodiment, the read pad and / or the register pad are columnar. Columnar pads are relatively easy to manufacture. A cylinder is particularly preferred. However, the present invention is not limited to cylindrical readout pads and / or register pads. In fact, the readout pad, register pad, and charge diffusion pad are formed in almost any shape, including strips, cubes, hexagonal pads, radial segments, and other readout shapes, depending on the specific detector structure it can.
好ましい実施形態によれば、レジスタパッドの表面直径が１００μｍ〜２００μｍの範囲内である。更なる実施形態によれば、前記読み出しパッドの表面直径は、前記レジスタパッドの表面直径よりも７〜２０倍大きい。 According to a preferred embodiment, the register pad has a surface diameter in the range of 100 μm to 200 μm. According to a further embodiment, the surface diameter of the read pad is 7 to 20 times larger than the surface diameter of the register pad.
更なる実施形態によれば、前記レジスタパッドの面密度は、読み出し電極アセンブリ表面の１ｍｍ２当たり２５パッドよりも大きい。 According to a further embodiment, the area density of the register pads is greater than 25 pads per mm 2 of the readout electrode assembly surface.
好ましい実施形態では、読み出しパッドが誘電体バルク基板上に形成される。特に、読み出しパッドは、誘電体基板を貫通して延びる介挿体によって、電荷読み出しおよび解析のための読み出し手段に接続されてもよく、また、読み出しパッドを所定の電位へと引き上げるようになっている分極手段に接続されてもよい。 In a preferred embodiment, a read pad is formed on the dielectric bulk substrate. In particular, the readout pad may be connected to readout means for charge readout and analysis by an interposer extending through the dielectric substrate, and is adapted to raise the readout pad to a predetermined potential. May be connected to the polarization means.
同様に、１または複数の電荷拡散パッドが、バルク基板を貫通して延びる介挿体によって分極手段に接続されてもよい。 Similarly, one or more charge diffusion pads may be connected to the polarization means by an interposer extending through the bulk substrate.
好ましい実施形態によれば、読み出しパッドは金属を備える。好ましい実施形態では、前記金属が銅を備えてもよいが、他の金属が同様に使用されてもよい。 According to a preferred embodiment, the readout pad comprises metal. In a preferred embodiment, the metal may comprise copper, but other metals may be used as well.
本発明に係る読み出し電極アセンブリは、マイクロメガスまたはＧＥＭ検出器などのマイクロパターンガス検出器を含む多種多様な粒子検出器において非常に有利に使用できる。 The readout electrode assembly according to the present invention can be used very advantageously in a wide variety of particle detectors including micropattern gas detectors such as micromegas or GEM detectors.
また、本発明は、ガスチャンバと、第１の平面電極、第２の平面電極、および、第３の平面電極であって、この順序で前記ガスチャンバ内に配置される平面電極とを備え、前記第１の電極および前記第２の電極が入射粒子による電子の発生のための変換ギャップを画定し、前記第２の電極および前記第３の電極がアバランシェプロセスでの電子の増倍のための増幅ギャップを画定する、アバランシェ粒子検出器に関する。第２の電極には穴が穿孔され、第３の電極が前述したような本発明の特徴の一部または全部を有する読み出し電極アセンブリを備える。 The present invention also includes a gas chamber, and a first planar electrode, a second planar electrode, and a third planar electrode, which are arranged in this order in the gas chamber, The first electrode and the second electrode define a conversion gap for the generation of electrons by incident particles, and the second electrode and the third electrode are for electron multiplication in an avalanche process The present invention relates to an avalanche particle detector that defines an amplification gap. The second electrode is perforated and the third electrode comprises a readout electrode assembly having some or all of the features of the invention as described above.
第２の穿孔された電極および第３の読み出し電極アセンブリは、増幅ギャップ内で高電場を発生するための分極手段に接続されてもよい。電子は、ギャップ内で発生されて、読み出し電極アセンブリへと向かい、このアセンブリにおいて、読み出されて解析されるべき最終的な電子電荷を生み出す。本発明に係る読み出し電極アセンブリは、増幅ギャップから読み出しパッドへの効果的な信号伝搬を可能にすると同時に、検出器性能を損なう場合があるスパークおよび放電の有害な効果を抑制する。結果として、増幅場が高ければ高いほど、高い計数率を得ることができ、それにより、利得係数およびトラッキング効率がかなり高い検出器がもたらされる。 The second perforated electrode and the third readout electrode assembly may be connected to polarization means for generating a high electric field within the amplification gap. Electrons are generated in the gap and directed to the readout electrode assembly where they are read out to produce the final electronic charge to be analyzed. The readout electrode assembly according to the present invention allows effective signal propagation from the amplification gap to the readout pad while suppressing the deleterious effects of sparks and discharges that can impair detector performance. As a result, the higher the amplification field, the higher the count rate can be obtained, resulting in a detector with much higher gain factor and tracking efficiency.
別の実施形態によれば、本発明は、ガスチャンバと、第１および第２の電極であって、この順序で前記ガスチャンバ内に配置される第１および第２の電極とを備えるアバランシェ粒子検出器に関する。前記第１の電極は、その両側の表面に第１および第２の金属コーティング層を有する絶縁体と、前記電極を貫通して延びる複数の穴とを備える。検出器は、前記コーティング層に結合され、第１のコーティング層を第１の電位へと引き上げるとともに、第２のコーティング層を前記第１の電位よりも高い第２の電位へと引き上げるようになっている分極手段を更に備える。前記第２の電極は、先に開示された特徴の一部または全部を有する本発明に係る読み出し電極アセンブリを備える。 According to another embodiment, the present invention provides an avalanche particle comprising a gas chamber and first and second electrodes, the first and second electrodes being disposed in the gas chamber in this order. It relates to a detector. The first electrode includes an insulator having first and second metal coating layers on both surfaces thereof and a plurality of holes extending through the electrode. The detector is coupled to the coating layer and raises the first coating layer to a first potential and raises the second coating layer to a second potential that is higher than the first potential. Further comprising polarization means. The second electrode comprises a readout electrode assembly according to the present invention having some or all of the previously disclosed features.
前記別の実施形態によれば、両側に金属コーティングを有する箔を貫通して延びる複数の穴で電子増倍が行われてもよい。発生される電子は、その後、増幅プロセスに関与しない読み出し電極アセンブリへと向かってもよい。また、第２の検出器構造によれば、本発明に係る読み出し電極アセンブリは、増幅ギャップから読み出しパッドへの効率的な電荷輸送を可能にすると同時に、検出器をスパークおよび放電から保護する。 According to another embodiment, electron multiplication may be performed with a plurality of holes extending through a foil having a metal coating on both sides. The generated electrons may then be directed to a readout electrode assembly that is not involved in the amplification process. Also, according to the second detector structure, the readout electrode assembly according to the present invention enables efficient charge transport from the amplification gap to the readout pad, while protecting the detector from sparking and discharging.
本発明に係る読み出し電極アセンブリの特徴および多くの利点は、下記の添付図面の説明から最も良く理解できる。 The features and many advantages of the readout electrode assembly according to the present invention can be best understood from the following description of the accompanying drawings.
図１は、本発明に係る読み出し電極アセンブリ１０の一部の側面図を示している。読み出しパッド１２が誘電体バルク基板１４の表面上に形成される。図１に示される実施形態では、バルク基板１４は難燃剤４（ＦＲ４）、エポキシ樹脂接着ガラス布から形成され、一方、読み出しパッド１２は銅から形成される。しかしながら、読み出しパッド１２およびバルク基板１４のために他の材料が使用されてもよい。バルク基板１４中には金属製の相互コネクタ１６が埋め込まれ、該相互コネクタは、読み出しパッド１２をバルク基板１４の反対側の面に形成されるコネクタプレート１８に対して接続する。また、コネクタプレート１８は、読み出しパッド１２を所定の電位へと引き上げるための分極手段（図示せず）と、読み出しパッド１２に集められる電荷を引き出すようになっている読み出し手段（図示せず）とに接続されてもよい。以下に、図３を参照して、読み出し電極アセンブリ１０の動作について更に詳しく説明する。 FIG. 1 shows a side view of a portion of a readout electrode assembly 10 according to the present invention. A read pad 12 is formed on the surface of the dielectric bulk substrate 14. In the embodiment shown in FIG. 1, the bulk substrate 14 is formed from flame retardant 4 (FR4), an epoxy resin bonded glass cloth, while the readout pad 12 is formed from copper. However, other materials may be used for the read pad 12 and the bulk substrate 14. A metal interconnector 16 is embedded in the bulk substrate 14, and the interconnector connects the read pad 12 to a connector plate 18 formed on the opposite surface of the bulk substrate 14. Further, the connector plate 18 includes polarization means (not shown) for pulling up the read pad 12 to a predetermined potential, and read means (not shown) adapted to draw out charges collected on the read pad 12. May be connected. Hereinafter, the operation of the readout electrode assembly 10 will be described in more detail with reference to FIG.
図１に示される実施形態において、読み出しパッド１２は、約２ｍｍ×２ｍｍの表面積と約７０μｍの厚さとを伴う矩形のものであり、隣り合うパッド同士が約１００μｍの間隔を隔ててバルク基板１４の表面上に一定の間隔で分布される。しかしながら、マイクロパターンガス検出器の顕著な利点のうちの１つは、検出器構造および動作状態に応じて、二次元ストリップ、六角形パッド、放射状セグメント、および、他の読み出し形状を含む多種多様な異なる形状および形態で読み出しパッドを形成できるという点である。読み出し形状の例は、参照することにより本願に組み入れられるＡ．Ｂｒｅｓｓａｎ ｅｔ ａｌ．の“Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｒｅａｄｏｕｔ ｏｆ ＧＥＭ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ”（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ
Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ４２５（１９９９）２５４−２６１）に記載されている。
In the embodiment shown in FIG. 1, the readout pad 12 is rectangular with a surface area of about 2 mm × 2 mm and a thickness of about 70 μm, with adjacent pads spaced about 100 μm apart of the bulk substrate 14. Distributed on the surface at regular intervals. However, one of the significant advantages of micropattern gas detectors is a wide variety, including two-dimensional strips, hexagonal pads, radial segments, and other readout shapes, depending on the detector structure and operating conditions. The read pad can be formed in different shapes and forms. Examples of readout shapes are described in A.C., which is incorporated herein by reference. Bressan et al. "Two-Dimensional Readout of GEM Detectors" (Nuclear Instruments and Methods in
Physics Research A425 (1999) 254-261).
読み出し形状に応じて、読み出しパッド１２は、読み出し手段に個別に接続されてもよく、あるいは、集合的な読み出しのために隣り合うパッドに結合されてもよい。個々の読み出しは、特に高い空間分解能を可能にするため好ましいが、超高密度電子機器を必要とする。 Depending on the readout shape, the readout pad 12 may be individually connected to the readout means or may be coupled to adjacent pads for collective readout. Individual readouts are preferred because they allow for particularly high spatial resolution, but require ultra-high density electronics.
図１に描かれる読み出し電極アセンブリ１０では、約２００μｍの厚さを有する誘電体カバー層２０がバルク基板１４上に形成されて読み出しパッド１２の上側および読み出しパッド１２間で延びる。誘電体カバー層２０は、読み出し電極アセンブリ１０と対向電極２２との間の増幅ギャップから読み出しパッド１２をシールドする役目を果たし、対向電極２２は、読み出し電極アセンブリと所定の間隔Ｄを隔てて平行に設けられて、同様に分極手段（図示せず）に接続される。図１に示される実施形態において、誘電体カバー層２０は、デュポンから市販される材料であるＰｙｒａｌｕｘ（登録商標）１０２５により形成されるが、他の誘電体材料が使用されてもよい。 In the readout electrode assembly 10 depicted in FIG. 1, a dielectric cover layer 20 having a thickness of about 200 μm is formed on the bulk substrate 14 and extends above the readout pads 12 and between the readout pads 12. The dielectric cover layer 20 serves to shield the read pad 12 from the amplification gap between the read electrode assembly 10 and the counter electrode 22, and the counter electrode 22 is parallel to the read electrode assembly with a predetermined distance D therebetween. Provided and similarly connected to polarization means (not shown). In the embodiment shown in FIG. 1, the dielectric cover layer 20 is formed by Pyralux® 1025, a material commercially available from DuPont, although other dielectric materials may be used.
複数のレジスタパッド２４が、読み出しパッド１２の上面と読み出し電極アセンブリ１０の上面２６との間で延びて読み出しパッド１２および上面２６の両方と接触するように誘電体カバー層２０に形成される。図１に示される実施形態において、レジスタパッド２４は、約１００μｍの直径と約１５０μｍの高さとを有する円柱形状を成し、隣り合うパッド同士が約１００μｍの距離間隔をもって規則正しい間隔で読み出しパッド１２上に配置される。しかしながら、本発明は、一定の間隔で形成される円柱状のレジスタパッド２４に限定されない。実際に、レジスタパッド２４は、検出器構造およびレイアウトに応じて、円柱や立方体などの多種多様な異なる形状および形態で形成されてもよい。本発明に係る読み出し電極アセンブリの利点は、従来のリソグラフィによってレジスタパッド２４を誘電体カバー層２０に形成でき、それにより、依然として比較的低いコストで高い精度をもって大量生産を可能にしつつ、大きい自由度が得られるという点である。 A plurality of register pads 24 are formed in the dielectric cover layer 20 so as to extend between the upper surface of the read pad 12 and the upper surface 26 of the read electrode assembly 10 and contact both the read pad 12 and the upper surface 26. In the embodiment shown in FIG. 1, the register pad 24 has a cylindrical shape having a diameter of about 100 μm and a height of about 150 μm, and adjacent pads are spaced apart from each other at regular intervals with a distance of about 100 μm. Placed in. However, the present invention is not limited to the cylindrical register pad 24 formed at regular intervals. Indeed, the register pad 24 may be formed in a wide variety of different shapes and forms, such as cylinders and cubes, depending on the detector structure and layout. The advantage of the read electrode assembly according to the present invention is that the resistor pad 24 can be formed on the dielectric cover layer 20 by conventional lithography, thereby allowing a high degree of freedom while still allowing high volume production with a relatively low cost. Is obtained.
図１に示されるように、各レジスタパッド２４は、読み出しパッド１２の上面と直接に接触する下層抵抗材料２８と、下層抵抗材料２８上に形成されてそこから上面２６へと延びる上側金属層３０とから成る。図１に示される実施形態において、レジスタパッド２４の上側金属層３０は約１５μｍの厚さで銅から形成され、一方、下層２８は約１００μｍの厚さで高抵抗ペーストから形成されるが、他の量の他の材料が使用されてもよい。レジスタパッド２４の材料および寸法は、読み出し電極アセンブリ１０の上面２６に対して垂直な方向Ｚに沿う電荷輸送のためのレジスタパッド２４の全抵抗が１０オーム〜１０００オームの範囲内となるように調整される。抵抗率は、検出器上面２６よりも上側の増幅ギャップで発生される電荷を読み出しおよびその後の解析のために読み出しパッド１２へ効率的に輸送できるように選択される。上側金属層３０は、下層の抵抗材料２８をスパークおよび放電から保護し、そのため、高い増幅場および大きいイベントレートを受ける検出器で本発明に係る読み出し電極アセンブリを使用できるようにする。 As shown in FIG. 1, each register pad 24 has a lower resistive material 28 that is in direct contact with the upper surface of the read pad 12 and an upper metal layer 30 formed on the lower resistive material 28 and extending therefrom to the upper surface 26. It consists of. In the embodiment shown in FIG. 1, the upper metal layer 30 of the resistor pad 24 is formed from copper with a thickness of about 15 μm, while the lower layer 28 is formed from a high resistance paste with a thickness of about 100 μm, Other amounts of other materials may be used. The material and dimensions of the resistor pad 24 are adjusted so that the total resistance of the resistor pad 24 for charge transport along the direction Z perpendicular to the top surface 26 of the readout electrode assembly 10 is in the range of 10 ohms to 1000 ohms. Is done. The resistivity is selected so that charge generated in the amplification gap above the detector top surface 26 can be efficiently transported to the readout pad 12 for readout and subsequent analysis. The upper metal layer 30 protects the underlying resistive material 28 from sparks and discharges, so that the readout electrode assembly according to the present invention can be used in detectors that experience high amplification fields and large event rates.
本発明に係る読み出し電極アセンブリ１０は、検出器のデッドタイムを減少させることにより検出器の効率を高めるという更なる利点を有する。スパークまたは放電を受ける読み出しパッドは、それがその後のイベントを記録できる前に特定の回復時間を必要とする。この所謂“デッドタイム”は、検出レートを減少させ、そのため、検出器性能を低下させる。高い空間分解能を有するＭＰＧＤ検出器は、それらの高い増幅場に起因して、特に放電を起こし易い。しかしながら、スパークは、通常は非常に局在化され、図１の電極１０の場合には一般にレジスタパッド２４のうちの１つだけに当たり、一方、入射粒子と関連する電子カスケードは、一般に、より広い領域にわたって、例えば１つの読み出しパッド１２の上側に形成される全てのレジスタパッド２４に対応する領域にわたって非局在化される。そのため、スパークによって堆積される電荷は、単一のレジスタパッド２４を介して読み出しパッド１２へ移送されて、前記１つのレジスタパッド２４の電気抵抗を受け、一方、アバランシェで発生される電荷は、複数のレジスタパッド２４を同時に介して読み出しパッド１２へ輸送され、それにより、非常に小さな電気抵抗を受ける。結果として、スパークに対する検出器装置の感度がかなり低下される一方で、イベントに対する高い感度が維持され、それにより、検出器のデッドタイムが減少される。 The readout electrode assembly 10 according to the present invention has the further advantage of increasing the efficiency of the detector by reducing the dead time of the detector. A read pad that undergoes spark or discharge requires a certain recovery time before it can record subsequent events. This so-called “dead time” reduces the detection rate and hence the detector performance. MPGD detectors with high spatial resolution are particularly prone to discharge due to their high amplification fields. However, the spark is usually very localized and generally hits only one of the resistor pads 24 in the case of the electrode 10 of FIG. 1, while the electron cascade associated with the incident particle is generally wider. It is delocalized over a region, for example, a region corresponding to all register pads 24 formed above one read pad 12. Therefore, the charge accumulated by the spark is transferred to the read pad 12 through the single register pad 24 and receives the electrical resistance of the one register pad 24, while the charge generated in the avalanche is plural. Are simultaneously transferred to the read pad 12 via the register pads 24, thereby receiving a very small electrical resistance. As a result, the sensitivity of the detector device to spark is significantly reduced while maintaining high sensitivity to events, thereby reducing detector dead time.
ここで、図２を参照して、本発明に係る読み出し電極アセンブリ１０の別の実施形態について説明する。図２に描かれる読み出し電極アセンブリ１０は、構造およびレイアウトの両方が、図１に関連して前述した読み出し電極アセンブリにかなり類似しており、対応する要素が同じ参照符号を共有する。特に、読み出しパッド１２が誘電体バルク基板１４の表面上に形成され、また、誘電体カバー層２０が読み出しパッド１２上および読み出しパッド１２間に設けられる。読み出しパッド１２の寸法および形態は、図１に関連して前述した寸法および形態に対応する。前述したように、下層抵抗材料２８と下層２８の上側で延びる上側金属層３０とをそれぞれが備える複数のレジスタパッド２４は、読み出しパッド１２よりも上側の誘電体カバー層２０に形成される。 Now, with reference to FIG. 2, another embodiment of the readout electrode assembly 10 according to the present invention will be described. The readout electrode assembly 10 depicted in FIG. 2 is quite similar in both structure and layout to the readout electrode assembly described above with reference to FIG. 1, and corresponding elements share the same reference numerals. In particular, a read pad 12 is formed on the surface of the dielectric bulk substrate 14, and a dielectric cover layer 20 is provided on the read pad 12 and between the read pads 12. The dimensions and form of the read pad 12 correspond to the dimensions and form described above in connection with FIG. As described above, the plurality of register pads 24 each including the lower resistance material 28 and the upper metal layer 30 extending on the upper side of the lower layer 28 are formed in the dielectric cover layer 20 above the read pad 12.
しかしながら、図１の先の実施形態と対照的に、レジスタパッド２４は、読み出しパッド上に直接に形成されず、読み出しパッド１２の真上で延びる領域に限定されない。むしろ、レジスタパッド２４は、検出器上面２６と誘電体カバー層２０中に埋め込まれる電荷拡散パッド３２との間で延びるが、読み出しパッド１２から分離される。電荷拡散パッド３２は、バルク基板１４を貫通し且つ誘電体カバー層２０を部分的に貫通して延びる相互コネクタ３４を介してバルブ基板１４の反対側に形成されるコネクタプレート３６に接続される。コレクタプレート３６は、電荷拡散パッド３２を所定の電位へと引き上げるようになっている分極手段に接続されてもよい。 However, in contrast to the previous embodiment of FIG. 1, the register pad 24 is not formed directly on the read pad and is not limited to a region extending directly above the read pad 12. Rather, the resistor pad 24 extends between the detector top surface 26 and the charge diffusion pad 32 embedded in the dielectric cover layer 20 but is separated from the readout pad 12. The charge diffusion pad 32 is connected to a connector plate 36 formed on the opposite side of the valve substrate 14 via an interconnector 34 that extends through the bulk substrate 14 and partially through the dielectric cover layer 20. The collector plate 36 may be connected to polarization means adapted to raise the charge diffusion pad 32 to a predetermined potential.
図２の実施形態に係る読み出し電極アセンブリにおいて、電荷拡散パッド３２は、約７０μｍの誘電体カバー層２０によって読み出しパッド１２から離間されるが、読み出しパッドに対して容量結合される。そのため、レジスタパッド２４上に蓄積される電荷は、電荷拡散パッド３２へ移送されて、下側の１または複数の読み出しパッド１２上に対応する電荷を誘発し、その後、相互コネクタ１６およびコネクタプレート１８を介して読み出しパッドを読み出して解析することができる。先と同様に、この読み出し電極アセンブリは、図１に示される別の実施形態に関連して前述したように、検出されるべきイベントのための高い感度を維持しつつ、スパークに対する感度を低下させてロバスト性を高めるという利点を有する。 In the read electrode assembly according to the embodiment of FIG. 2, the charge diffusion pad 32 is spaced from the read pad 12 by a dielectric cover layer 20 of about 70 μm, but is capacitively coupled to the read pad. As such, the charge accumulated on the register pad 24 is transferred to the charge diffusion pad 32 to induce a corresponding charge on the lower read pad or pads 12 and then the interconnect 16 and connector plate 18. The reading pad can be read and analyzed via the. As before, this readout electrode assembly reduces sensitivity to spark while maintaining high sensitivity for the event to be detected, as described above in connection with another embodiment shown in FIG. And has the advantage of improving robustness.
また、電荷拡散パッド３２は、電荷を隣接する読み出しパッドに分配することができ、それにより、検出器装置の空間分解能を高めることができる。これは、図１の先の実施形態の場合と同様に、入射粒子から発生して複数のレジスタパッド２４により集められる電荷がその複数のレジスタパッド２４の真下の領域に位置する読み出しパッド１２だけをトリガしないからである。代わりに、電荷は、読み出し電極アセンブリ１０の表面２６と平行な方向で電荷拡散パッド３２を介して拡散され、隣接する読み出しパッドにも対応する電荷を誘発する。これらの隣り合う読み出しパッドで収集される信号の相対的な強度は、カスケードの正確な位置を推測できるようにする。例えば、所定の読み出しパッド１２の直ぐ右側の読み出しパッドが所定の読み出しパッド１２の直ぐ左側の読み出しパッドよりもかなり強い信号を記録する場合には、イベントが読み出し電極アセンブリ１２の右側縁部の上側から生じたと推測できる。読み出しパッドの注意深い較正および適切な補間スキームは、個々の読み出しパッドのサイズにもはや限定されないがかなり高くなり得る空間分解能で高い精度をもってイベントを局在化することができる。ひと目で驚くべきところだが、電荷拡散パッド３２による広い領域にわたる電荷の分配は、実際に、個々の読み出しパッド１２のサイズおよび間隔によって規定される空間分解能に限定されるバイナリ検出の代わりに補間された連続する空間的検出を可能にすることにより、空間分解能が高い検出装置をもたらす。電荷拡散パッド３２の抵抗を横方向および縦方向で調整することにより、電荷拡散の度合いを注意深く制御でき、それにより、信号感度と空間分解能との間で適切な歩み寄りが可能になる。 The charge diffusion pad 32 can also distribute the charge to adjacent readout pads, thereby increasing the spatial resolution of the detector device. As in the case of the previous embodiment of FIG. 1, only the readout pad 12 in which the charges generated from the incident particles and collected by the plurality of register pads 24 are located in the region immediately below the plurality of register pads 24 is used. This is because it does not trigger. Instead, the charge is diffused through the charge diffusion pad 32 in a direction parallel to the surface 26 of the read electrode assembly 10 and induces a corresponding charge in the adjacent read pad. The relative strength of the signals collected at these adjacent readout pads makes it possible to infer the exact position of the cascade. For example, if the read pad immediately to the right of a given read pad 12 records a much stronger signal than the read pad just to the left of the given read pad 12, the event will start from above the right edge of the read electrode assembly 12. We can guess that it happened. Careful calibration of the read pad and a suitable interpolation scheme can localize events with high accuracy with a spatial resolution that is no longer limited to the size of the individual read pad but can be quite high. Surprisingly at a glance, the distribution of charge over a large area by the charge diffusion pad 32 was actually interpolated instead of binary detection limited to the spatial resolution defined by the size and spacing of the individual readout pads 12. By enabling continuous spatial detection, a detection device with high spatial resolution is provided. By adjusting the resistance of the charge diffusion pad 32 in the horizontal and vertical directions, the degree of charge diffusion can be carefully controlled, thereby allowing an appropriate compromise between signal sensitivity and spatial resolution.
図２に示される実施形態では、約１５μｍの厚さを有する単一の電荷拡散パッド３２が全ての読み出しパッド１２を覆い、約１００μｍの表面直径および約１００μｍ〜１５０μｍの厚さを有する円柱状のレジスタパッド２４が電荷拡散パッド３２上に均一に分布される。任意の２つの隣り合うレジスタパッド２４が５０μｍ〜７５μｍの誘電体カバー層２０によって離間される。しかしながら、検出器の構造およびレイアウトに応じて、電荷拡散パッド３２およびレジスタパッド２４の両方に関して異なる形態および形状が選択されてもよい。特に、単一の電荷拡散パッド３２の代わりに、複数の別個の電荷拡散パッドが使用されてもよく、それぞれの電荷拡散パッドは、複数の読み出しパッドに対応する領域を覆うとともに、電荷拡散パッドから検出器上面２６へと延びる複数のレジスタパッド２４と直接に接触する。 In the embodiment shown in FIG. 2, a single charge diffusion pad 32 having a thickness of about 15 μm covers all the readout pads 12 and has a cylindrical shape having a surface diameter of about 100 μm and a thickness of about 100 μm to 150 μm. The register pads 24 are uniformly distributed on the charge diffusion pads 32. Any two adjacent register pads 24 are separated by a dielectric cover layer 20 of 50 μm to 75 μm. However, depending on the detector structure and layout, different configurations and shapes for both the charge diffusion pad 32 and the register pad 24 may be selected. In particular, instead of a single charge diffusion pad 32, a plurality of separate charge diffusion pads may be used, each charge diffusion pad covering a region corresponding to a plurality of read pads and from the charge diffusion pad. Direct contact is made with a plurality of register pads 24 extending to the detector top surface 26.
図２に示される実施形態において、電荷拡散パッド３２は、デュポン社からカプトン（登録商標）（Ｋａｐｔｏｎ １００ＸＣ１０Ｅ７）の名で市販される高抵抗ポリイミドから形成される。しかしながら、他の材料が同様に使用されてもよい。図２に描かれる電荷拡散パッド３２は不均一であり、そのため、読み出し電極アセンブリ１０の上面２６に対して垂直な方向Ｚに沿う電荷輸送のための抵抗は、読み出し電極アセンブリ１０の上面２６と平行な方向に沿う電荷輸送のための抵抗とは異なっている。抵抗をＺ方向で調整するとともに電荷拡散パッド３２の表面抵抗率を調整することにより、隣り合う読み出しパッド間の結合レベルが注意深く制御されてもよい。 In the embodiment shown in FIG. 2, the charge diffusion pad 32 is formed from a high resistance polyimide commercially available under the name Kapton 100XC10E7 from DuPont. However, other materials may be used as well. The charge diffusion pad 32 depicted in FIG. 2 is non-uniform so that the resistance for charge transport along the direction Z perpendicular to the top surface 26 of the readout electrode assembly 10 is parallel to the top surface 26 of the readout electrode assembly 10. This is different from the resistance for charge transport along a specific direction. By adjusting the resistance in the Z direction and adjusting the surface resistivity of the charge diffusion pad 32, the coupling level between adjacent read pads may be carefully controlled.
高さがａ、長さがｌ、および、幅がｗの均一材料の矩形ブロックの表面抵抗率またはシート抵抗率Ｒｓは、一般に、ρ／ｈによって与えられる。ここで、ρは材料の比抵抗である。基板の長さｌに沿う電荷輸送のための全抵抗Ｒは、表面抵抗率Ｒｓに関して、Ｒ＝Ｒｓ・ｌ／ｗ＝ρ／ｈ・ｌ／ｗとして与えられる。本発明に係る読み出し電極アセンブリでは、電荷拡散パッドが二次曲面領域を有する。そのため、ｌ＝ｗであり、読み出し電極アセンブリの上面２６と平行な方向での電荷輸送のための抵抗Ｒはシート抵抗率Ｒｓに等しく、すなわち、Ｒ＝Ｒｓである。表面抵抗率を全抵抗からより良く区別するため、表面抵抗率は、通常、単位面積当たりのオームを単位として測定される。 The surface resistivity or sheet resistivity Rs of a rectangular block of uniform material of height a, length l and width w is generally given by ρ / h. Here, ρ is the specific resistance of the material. The total resistance R for charge transport along the length l of the substrate is given as R = Rs · l / w = ρ / h · l / w with respect to the surface resistivity Rs. In the readout electrode assembly according to the present invention, the charge diffusion pad has a quadric surface area. Therefore, l = w and the resistance R for charge transport in a direction parallel to the top surface 26 of the readout electrode assembly is equal to the sheet resistivity Rs, ie R = Rs. In order to better distinguish surface resistivity from total resistance, surface resistivity is usually measured in ohms per unit area.
特に、下層抵抗２８および電荷拡散パッド３２の材料および寸法は、上面２６に対して垂直な方向Ｚでの電荷輸送のためのレジスタパッド２４および電荷拡散パッド３２の全抵抗が１００オーム〜１０００オームの範囲内となる一方で、読み出し電極アセンブリ１０の上面２６と平行な方向での電荷輸送のための電荷拡散パッドの表面抵抗率Ｒｓが単位面積当たり１〜３メガオームの範囲内となるように選択されてもよい。 In particular, the material and dimensions of lower layer resistor 28 and charge diffusion pad 32 are such that the total resistance of resistor pad 24 and charge diffusion pad 32 for charge transport in direction Z perpendicular to upper surface 26 is between 100 ohms and 1000 ohms. While within the range, the surface resistivity Rs of the charge diffusion pad for charge transport in a direction parallel to the top surface 26 of the readout electrode assembly 10 is selected to be within the range of 1-3 mega ohms per unit area. May be.
ここで、公報“ＭＩＣＲＯＭＥＧＡＳ：Ａ Ｈｉｇｈ−Ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｇａｓｅｏｕｓ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｐａｒｔｉｃｌｅ−Ｆｌｕｘ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ”（Ｙ．Ｇｉｏｍａｔａｒｉｓ，Ｐ．Ｒｅｂｏｕｒｇｅａｒｄ，Ｊ．Ｐ．Ｒｏｂｅｒｔ，Ｇ．Ｃｈａｒｐａｋ；Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ ３７６（１９９６），２９頁〜３５頁）および図３の基礎となる関連する米国特許６，１３３，５７５から知られるマイクロメガス検出器を一例として、本発明に係る読み出し電極アセンブリの動作について説明する。
Here, the publication “MICROMEGAS: A High-Granularity Position-Sensitive Gasase Detector for High Particle-Flux Environment” (Y. Giomataris, P. Rebourard, J. P. Reb.
Research A 376 (1996), pp. 29-35) and the operation of the readout electrode assembly according to the present invention, taking as an example the micro megas detector known from the related US patent 6,133,575 on which FIG. 3 is based. explain.
図３に描かれるマイクロメガス検出器３８は、適切なガス、例えば混合物、または、アルゴンおよびメタンを循環させるための手段が設けられるガスチャンバ４０を備える。検出器は第１、第２、および、第３の平面電極４２，２２，１０を更に備え、これらの電極は、この順序でガスチャンバ４０内に配置されるとともに、互いに平行に維持される。第１の電極４２および第２の電極２２は、電離入射粒子がイオン−電子対を形成する低電場変換ギャップＣを画定し、一方、第２の電極２２および第３の電極１０は、発生される電子が流れ着くとともに読み出されて解析されるべき最後の電子電荷を生み出す隣接する高電場増幅ギャップＡを画定する。 The micromegas detector 38 depicted in FIG. 3 comprises a gas chamber 40 provided with means for circulating a suitable gas, for example a mixture or argon and methane. The detector further comprises first, second and third planar electrodes 42, 22, 10 which are arranged in this order in the gas chamber 40 and are kept parallel to each other. The first electrode 42 and the second electrode 22 define a low field conversion gap C in which the ionized incident particles form an ion-electron pair, while the second electrode 22 and the third electrode 10 are generated. As adjacent electrons flow and are read out, they define an adjacent high field amplification gap A that produces the final electronic charge to be analyzed.
第３の電極１０は、図１に関連して前述した本発明に係る読み出し電子アセンブリであり、一般に２５μｍ〜２００μｍの範囲の距離Ｄだけ第２の電極２２から離間される（図３には一定の倍率で描かれていない）。第２の電極２２と第１の電極４２との間の距離は、更に大きくすることができ、約３ｍｍに相当してもよい。第２の電極２２は、検出器の陰極としての役目を果たし、規則的な間隔Ｐで形成される小径Ｔの複数の穴４４を有する導電プレートから成る。そのため、陰極２２は、小さいサイズのその穴４４に起因して時としてマイクログリッドまたはマイクロメッシュと呼ばれるグリッドを形成する。第１の電極４２は、同様に、電極２２の構造に類似する構造を有するグリッドから成ってもよい。 The third electrode 10 is a readout electronic assembly according to the present invention described above with reference to FIG. 1 and is generally spaced from the second electrode 22 by a distance D in the range of 25 μm to 200 μm (constant in FIG. 3). Not drawn at scale). The distance between the second electrode 22 and the first electrode 42 can be further increased and may correspond to about 3 mm. The second electrode 22 serves as a cathode of the detector and is composed of a conductive plate having a plurality of holes 44 with a small diameter T formed at regular intervals P. Thus, the cathode 22 forms a grid sometimes referred to as a microgrid or micromesh due to its small size of the holes 44. The first electrode 42 may similarly comprise a grid having a structure similar to that of the electrode 22.
マイクロメガス検出器は、第１の電極４２を第１の電位ＨＶ１へと引き上げることができる分極手段４６と、対向電極２２を第１の電位ＨＶ１よりも高い第２の電位ＨＶ２へと引き上げることができる分極手段４８と、読み出し電極アセンブリ１０を第２の電位ＨＶ２よりも更に高い第３の電位ＨＶ３へと引き上げるための分極手段５０とを更に備える。
電圧ＨＶ１，ＨＶ２，ＨＶ３は、電極２２，１０間の増幅ギャップで発生される電場が電極４２，２２間の変換ギャップで発生される電場よりもかなり強くなるように、例えば１０倍強くなるように選択される。例えば、変換ギャップで発生される電場が１ｋＶ／ｃｍに相当してもよく、一方、増幅ギャップで発生される電場が５０ｋＶ／ｃｍに選択されてもよい。
The micro megas detector can raise the polarization means 46 capable of raising the first electrode 42 to the first potential HV1 and the counter electrode 22 to the second potential HV2 higher than the first potential HV1. And a polarization means 48 capable of further raising the readout electrode assembly 10 to a third potential HV3 higher than the second potential HV2.
The voltages HV1, HV2, and HV3 are, for example, 10 times stronger so that the electric field generated in the amplification gap between the electrodes 22 and 10 is considerably stronger than the electric field generated in the conversion gap between the electrodes 42 and 22. Selected. For example, the electric field generated in the conversion gap may correspond to 1 kV / cm, while the electric field generated in the amplification gap may be selected as 50 kV / cm.
電離粒子がガスチャンバ４０を通過すると、電離粒子は、第１の電極４２と第２の電極２２との間の変換ギャップＣ内に位置されるガスを電離して、一般にそのギャップ内に約１０個の一次電子を形成する。図３には、入射電離粒子の経路が参照符号５２によって示されており、一方、変換ギャップＣ内で発生される一次電子のうちの１つの経路が参照符号５４によって示されている。一次電子は、陰極２２の穴４４を通過した後、増幅ギャップＡ内へと移動して、読み出し電極アセンブリ１０へと向かう。陰極２２の横断は、増幅ギャップＡに形成される電場と変換ギャップＣに形成される電場との間の高い比率によって促進される。一次電子は、陰極２２を通過した後、増幅ギャップＡに存在する強い電場によって加速され、増幅ギャップＡ内に存在するガス分子と衝突するときに二次電子を生み出す。その後、各二次電子は、それ自体、同じ衝突電離プロセスによって更なる電子を生み出して、それにより、増幅ギャップＡ内で電子のアバランシェを発生させてもよい。
一次電子の経路５４に沿う一次電子と関連するアバランシェが参照符号５６により示されている。
As the ionized particles pass through the gas chamber 40, the ionized particles ionize the gas located in the conversion gap C between the first electrode 42 and the second electrode 22, and generally about 10 in that gap. Forming primary electrons. In FIG. 3, the path of incident ionized particles is indicated by reference numeral 52, while the path of one of the primary electrons generated in the conversion gap C is indicated by reference numeral 54. After passing through the hole 44 of the cathode 22, the primary electrons move into the amplification gap A and go to the readout electrode assembly 10. The crossing of the cathode 22 is facilitated by a high ratio between the electric field formed in the amplification gap A and the electric field formed in the conversion gap C. The primary electrons, after passing through the cathode 22, are accelerated by the strong electric field present in the amplification gap A, produce secondary electrons when colliding with gas molecules present in the amplification gap A. Each secondary electron may then itself generate additional electrons through the same impact ionization process, thereby generating an avalanche of electrons within the amplification gap A.
The avalanche associated with the primary electrons along the primary electron path 54 is indicated by reference numeral 56.
衝突電離プロセスによって形成される正イオンは陰極２２の方へ引き寄せられ、一方、電子は、読み出し電極アセンブリ１０のレジスタパッド２４に集められる。前述したように、レジスタパッド２４に集められる電荷は、その後、読み出しパッド１２へ移送された後、入射粒子５２の属性を推測ために読み出されて解析される。読み出しパッド１２に接続される読み出し手段は、読み出しパッド１２によって収集される電気信号を増幅する高速増幅器５８、および、高速増幅器５８によって供給される信号を処理するための処理手段６０の両方を備える。 Positive ions formed by the impact ionization process are attracted towards the cathode 22, while electrons are collected on the resistor pad 24 of the readout electrode assembly 10. As described above, the charges collected on the register pad 24 are then transferred to the read pad 12 and then read and analyzed to infer the attributes of the incident particles 52. The read means connected to the read pad 12 comprises both a high speed amplifier 58 that amplifies the electrical signal collected by the read pad 12 and a processing means 60 for processing the signal supplied by the high speed amplifier 58.
本発明に係るレジスタパッド２４を有する誘電体カバー層２０によるスパークおよび放電からの読み出し電極アセンブリ１０の防御は、陽極１０と陰極２２との間において狭い増幅ギャップおよび強い電場を可能にし、それにより、マイクロメガス検出器の高い空間分解能および高い増幅レートを確保する。 The protection of the readout electrode assembly 10 from sparks and discharges by the dielectric cover layer 20 having the resistor pads 24 according to the present invention allows a narrow amplification gap and a strong electric field between the anode 10 and the cathode 22, thereby Ensuring high spatial resolution and high amplification rate of micromegas detector.
しかしながら、本発明に係る読み出し電極アセンブリ１０は、マイクロメガス検出器に限定されず、様々な他の粒子検出器、特にマイクロパターンガス検出器に同様に適用されてもよい。例えば、図１および図２に関連して前述した読み出し電極アセンブリ１０は、例えば米国特許６，０１１，２６５に詳しく記載されるようなガス電子増倍検出器（ＧＥＭ）の陽極としての役目を同様に果たしてもよく、先と同様に、ロバスト性が高く、放電に対する感度が低いと同時に、高い検出効率を与える検出器をもたらす。 However, the readout electrode assembly 10 according to the present invention is not limited to a micromegas detector, and may be similarly applied to various other particle detectors, particularly micropattern gas detectors. For example, the readout electrode assembly 10 described above in connection with FIGS. 1 and 2 similarly serves as the anode of a gas electron multiplier detector (GEM) as described in detail, for example, in US Pat. No. 6,011,265. As described above, this provides a detector that provides high detection efficiency while having high robustness and low sensitivity to discharge.
前述した実施形態および添付図面は、本発明に係る読み出し電極アセンブリおよび粒子検出器を単に例示する役目を果たすにすぎず、何らの限定をも示唆するように解釈されるべきではない。特許の範囲は、以下の請求項によってのみ決定される。 The foregoing embodiments and accompanying drawings serve merely to illustrate the readout electrode assembly and particle detector according to the present invention and should not be construed to suggest any limitation. The scope of the patent is determined only by the following claims.
１０ 読み出し電極アセンブリ
１２ 読み出しパッド
１４ バルブ基板
１６ 相互コネクタ
１８ コネクタプレート
２０ 誘電体カバー層
２２ 対向電極
２４ レジスタパッド
２６ 誘電体カバー層２０／読み出し電極アセンブリ１０の上面
２８ 下層抵抗材料
３０ 上側金属層
３２ 電荷拡散パッド
３４ 電荷拡散パッド３２の相互コネクタ
３６ 電荷拡散パッド３２のコネクタプレート
３８ マイクロメガス検出器
４０ ガスチャンバ
４２ 第１の電極
４４ 対向電極２２の穴
４６ 第１の電極４２のための分極手段
４８ 対向電極２２のための分極手段
５０ 読み出し電極アセンブリ１０のための分極手段
５２ 入射粒子の経路
５４ 一次電子の経路
５６ アバランシェ
５８ 増幅器
６０ 処理手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Read-out electrode assembly 12 Read-out pad 14 Valve board 16 Interconnector 18 Connector plate 20 Dielectric cover layer 22 Counter electrode 24 Register pad 26 Upper surface 28 of dielectric cover layer 20 / read-out electrode assembly 10 Lower resistance material 30 Upper metal layer 32 Charge Diffusion pad 34 Reciprocal connector 36 of charge diffusion pad 32 Connector plate 38 of charge diffusion pad 32 Micromega detector 40 Gas chamber 42 First electrode 44 Hole 46 of counter electrode 22 Polarization means 48 for first electrode 42 Opposing Polarization means 50 for electrode 22 Polarization means 52 for readout electrode assembly 10 Path of incident particles 54 Path of primary electrons 56 Avalanche 58 Amplifier 60 Processing means
Claims (28)
複数の読み出しパッド（１２）と、
前記複数の読み出しパッド（１２）上及び／または前記複数の読み出しパッド（１２）間に形成される絶縁層（２０）と、
前記複数の読み出しパッド（１２）よりも上側で前記絶縁層（２０）中に形成される複数のレジスタパッド（２４）と、
を備え、
前記複数のレジスタパッド（２４）は、前記絶縁層（２０）の少なくとも一部によって前記複数の読み出しパッド（１２）から空間的に分離される、
読み出し電極アセンブリ（１０）。 A readout electrode assembly (10) for an avalanche particle detector comprising:
A plurality of readout pads (12);
An insulating layer (20) formed on the plurality of readout pads (12) and / or between the plurality of readout pads (12);
A plurality of register pads (24) formed in the insulating layer (20) above the plurality of readout pads (12);
With
The plurality of register pads (24) are spatially separated from the plurality of readout pads (12) by at least a portion of the insulating layer (20).
Read electrode assembly (10).
第１の平面電極（４２）、第２の平面電極（２２）、および、第３の平面電極（１０）であって、この順序で前記ガスチャンバ（４０）内に配置される平面電極と、
を備え、
前記第１の平面電極（４２）および前記第２の平面電極（２２）が入射粒子による電子の発生のための変換ギャップ（Ｃ）を画定し、
前記第２の平面電極（２２）および前記第３の平面電極（１０）がアバランシェプロセスでの電子の増倍のための増幅ギャップ（Ａ）を画定し、
前記第２の平面電極（２２）には穴（４４）が穿孔され、前記第３の平面電極（１０）が請求項１から請求項２０のいずれか一項に記載の読み出し電極アセンブリを備える、
アバランシェ粒子検出器。 A gas chamber (40);
A first planar electrode (42), a second planar electrode (22), and a third planar electrode (10), arranged in this order in the gas chamber (40);
With
The first planar electrode (42) and the second planar electrode (22) define a conversion gap ( C ) for the generation of electrons by incident particles;
The second planar electrode (22) and the third planar electrode (10) define an amplification gap ( A ) for electron multiplication in an avalanche process;
21. A hole (44) is drilled in the second planar electrode (22), and the third planar electrode (10) comprises a readout electrode assembly according to any one of claims 1-20.
Avalanche particle detector.
第１および第２の電極であって、この順序で前記ガスチャンバ内に配置される第１および第２の電極と、
を備え、
前記第１の電極（４２）は、その両側の表面に第１および第２の金属コーティング層を有する絶縁体と、前記第1の電極を貫通して延びる複数の穴とを備え、
前記第1及び第2の金属コーティング層に結合され、前記第１の金属コーティング層を第１の電位へと引き上げるとともに、前記第２の金属コーティング層を前記第１の電位よりも高い第２の電位へと引き上げるようになっている分極手段を備え、
前記第２の電極は、請求項１乃至請求項２０のいずれか一項に記載の読み出し電極アセンブリを備える、
アバランシェ粒子検出器。 A gas chamber;
First and second electrodes, wherein the first and second electrodes are disposed in the gas chamber in this order;
With
The first electrode (42) includes an insulator having first and second metal coating layers on both surfaces thereof, and a plurality of holes extending through the first electrode,
Coupled to the first and second metal coating layers, pulling the first metal coating layer to a first potential and raising the second metal coating layer to a second potential higher than the first potential; With polarization means adapted to raise to a potential,
The second electrode comprises a readout electrode assembly according to any one of claims 1 to 20.
Avalanche particle detector.
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