RU135424U1 - CHARGED PARTICLE DETECTOR - Google Patents
CHARGED PARTICLE DETECTOR Download PDFInfo
- Publication number
- RU135424U1 RU135424U1 RU2013133472/28U RU2013133472U RU135424U1 RU 135424 U1 RU135424 U1 RU 135424U1 RU 2013133472/28 U RU2013133472/28 U RU 2013133472/28U RU 2013133472 U RU2013133472 U RU 2013133472U RU 135424 U1 RU135424 U1 RU 135424U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gem
- charged particle
- layer
- holes
- particle detector
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
1. Детектор заряженных частиц, включающий газовые электронные умножители (ГЭУ) в виде многослойной печатной платы из фольгированного стеклотекстолита со сквозными отверстиями, объединенные вместе с катодом и анодом (считывающий электрод) в первый детектирующий слой, отличающийся тем, что в детектор введен идентичный первому второй детектирующий слой и экранирующие электроды - не менее одного в каждом детектирующем слое, расположенные между последним ГЭУ и анодом, выполненные в виде многослойной печатной платы, являющиеся продолжением многослойной печатной платы ГЭУ с ее отверстиями, причем аноды двух детектирующих слоев объединены в общий считывающий электрод детектора, выполненный в виде металлических полосок (стрипов) на поверхности стеклотекстолита, причем соответствующие стрипы каждого детектирующего слоя попарно соединены вместе на плате общего считывающего электрода и расположены между отверстиями ГЭУ.2. Детектор заряженных частиц по п.1, отличающийся тем, что экранирующий электрод каждого детектирующего слоя заземлен при помощи блокирующего конденсатора.3. Детектор заряженных частиц по п.1, отличающийся тем, что металлический слой экранирующего электрода в области каждого отверстия вытравлен больше (например, на 100 мкм), чем диаметр отверстия.4. Детектор заряженных частиц по п.1, отличающийся тем, что ширина каждого стрипа выбирается предельно узкой (например, 0,15 мм).5. Детектор заряженных частиц по п.1, отличающийся тем, что ширина зазора между катодом и ГЭУ в каждом детектирующем слое выбирается предельно узкой (например, 1 мм).1. The charged particle detector, including gas electron multipliers (GEMs) in the form of a multilayer printed circuit board made of foil fiberglass with through holes, combined together with the cathode and anode (read electrode) in the first detection layer, characterized in that the detector is introduced identical to the first second a detecting layer and shielding electrodes - at least one in each detecting layer, located between the last GEM and the anode, made in the form of a multilayer printed circuit board, which is an extension of a GEM printed circuit board with its holes, the anodes of the two detection layers being combined into a common detector reading electrode made in the form of metal strips (strips) on the surface of the fiberglass, the respective strips of each detection layer being paired together on a common reading electrode board and located between the holes GEM. 2. The charged particle detector according to claim 1, characterized in that the shielding electrode of each detection layer is grounded with a blocking capacitor. The charged particle detector according to claim 1, characterized in that the metal layer of the shielding electrode in the area of each hole is etched more (for example, 100 μm) than the diameter of the hole. The charged particle detector according to claim 1, characterized in that the width of each strip is selected extremely narrow (for example, 0.15 mm). The charged particle detector according to claim 1, characterized in that the width of the gap between the cathode and the GEM in each detecting layer is selected extremely narrow (for example, 1 mm).
Description
Полезная модель относится к устройствам для детектирования заряженных частиц высоких энергий, в частности, мюонов в больших спектрометрах с использованием принципа умножения электронов в отверстиях газового электронного умножителя (ГЭУ).The utility model relates to devices for detecting charged particles of high energies, in particular, muons in large spectrometers using the principle of electron multiplication in the holes of a gas electron multiplier (GEM).
Известны газо-наполненные детекторы ионизирующего излучения и заряженных частиц на основе газового электронного умножителя (GEM - Gaseous Electron Multiplier), опубликованные в работах: F. Sauli, "GEM: a new concept for electron amplification in gas" Nuclear Instruments and Methods, A 386, p. 531-534, 1997 [1] и в патенте US 006011265 A. (Sauli "Radiation detector of very high performance") [2].Known gas-filled detectors of ionizing radiation and charged particles based on a gas electron multiplier (GEM - Gaseous Electron Multiplier), published in the works: F. Sauli, "GEM: a new concept for electron amplification in gas" Nuclear Instruments and Methods, A 386 , p. 531-534, 1997 [1] and in US patent 006011265 A. (Sauli "Radiation detector of very high performance") [2].
Конструктивно ГЭУ представляет собой тонкую, гибкую диэлектрическую пластину, покрытую с двух сторон медной фольгой, как правило, выполненную из каптона-фольгированной полиимидной пленки, в которой проделано множество сквозных отверстий. Для создания детектора на основе ГЭУ добавляется катод и катодный (рабочий) зазор, а также анод и анодный (индукционный) зазор, детектор наполняется газовой смесью.Structurally, a GEM is a thin, flexible dielectric plate coated on both sides with a copper foil, usually made of a kapton-foiled polyimide film, in which many through holes were made. To create a detector based on a GEM, a cathode and a cathode (working) gap are added, as well as an anode and anode (induction) gap, the detector is filled with a gas mixture.
Принцип работы детектора на основе ГЭУ заключается в следующем: при подаче напряжения на катод и на медные электроды ГЭУ в отверстиях возникает сильное электрическое поле. Электроны, образовавшиеся в рабочем зазоре детектора в результате ионизации, под воздействием электрического поля между катодом и ГЭУ дрейфуют к отверстиям ГЭУ В этих отверстиях за счет сильного электрического поля развиваются электронные лавины, возникает значительное число свободных электронов и положительных ионов. Электроны выходят из отверстий в газовый промежуток на другую сторону пластины и собираются на считывающем электроде анода (например, стрипе-металлической полоске на печатной плате). Индуцированный сигнал содержит быструю электронную компоненту и медленную ионную компоненту. Последняя проявляется в виде "хвоста", и доля этой составляющей в сигнале зависит от диаметра отверстий и индукционного зазора.The principle of operation of a detector based on a GEM is as follows: when a voltage is applied to the cathode and to the copper electrodes of the GEM, a strong electric field arises in the holes. Electrons formed in the working gap of the detector as a result of ionization, drift to the holes of the GEM under the influence of an electric field between the cathode and the GEM. In these holes, due to the strong electric field, electronic avalanches develop, a significant number of free electrons and positive ions arise. Electrons exit the holes in the gas gap on the other side of the plate and are collected on the reading electrode of the anode (for example, a strip-metal strip on a printed circuit board). The induced signal contains a fast electronic component and a slow ion component. The latter appears in the form of a “tail”, and the proportion of this component in the signal depends on the diameter of the holes and the induction gap.
Коэффициент газового усиления в детекторе с ГЭУ зависит от напряжения, приложенного между металлическими пластинами ГЭУ. Для повышения коэффициента усиления детекторов на основе ГЭУ принято использовать каскады ГЭУ [1, 2]. Детектор с многокаскадным соединением ГЭУ содержит катод с рабочим зазором, каскады ГЭУ и анод с индукционным зазором. Каскады ГЭУ размещаются с промежутками, которые называют транспортными, в которых нет усиления. Электроны выходят из отверстий первого каскада, дрейфуют в транспортном промежутке и попадают в отверстия следующего каскада ГЭУ, где снова умножаются (таких каскадов в детекторе может быть несколько). Образованные в процессе многокаскадного усиления заряды электронной и ионной компонент, равные по абсолютной величине, дрейфуют в электрическом поле с существенно разными скоростями в противоположных направлениях, проходят до нейтрализации разные длины и индуцируют на стрипах анода импульсы отрицательной полярности, содержащие электронную и ионную компоненты (ионный хвост). В так называемых "тонких" ГЭУ с толщиной каптона порядка 50 микрон, с отверстиями диаметром 50 микрон и шагом отверстий 150 микрон (типовые размеры) [1, 2] ионная компонента значительно короче, чем в так называемых "толстых" ГЭУ (THGEM - Thick GEM), описанных A. Breskin et al. "A concise review on THGEM detectors", Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009) 107 [arXiv:0807.2026] [3]. В качестве материала диэлектрика в толстых ГЭУ используется стеклотекстолит, толщина которого в 5-20 раз больше чем каптона в тонких ГЭУ, с отверстиями также в 5-20 раз большими чем в тонких ГЭУ. Преимуществом толстых ГЭУ является простота и относительно низкая стоимость их изготовления в промышленности, производящей печатные платы, в сравнении с тонкими ГЭУ, в технологию изготовления которых входит процесс травления как металла, так и каптона, что усложняет производство.The gas amplification coefficient in a detector with a GEM depends on the voltage applied between the metal plates of the GEM. To increase the gain of detectors based on GEMs, it is customary to use cascades of GEMs [1, 2]. A detector with a multistage GEM connection contains a cathode with a working gap, cascades of a GEM and an anode with an induction gap. Cascades of power plants are placed at intervals, which are called transport, in which there is no gain. Electrons exit the holes of the first cascade, drift in the transport gap and fall into the holes of the next cascade of the power plant, where they multiply again (there can be several such cascades in the detector). The absolute and equal charges formed in the process of multistage amplification drift in the electric field with substantially different velocities in opposite directions, pass different lengths until neutralization and induce negative polarity pulses on the anode strips containing electronic and ionic components (ion tail ) In the so-called “thin” GEMs with a kapton thickness of about 50 microns, with holes with a diameter of 50 microns and a hole pitch of 150 microns (typical sizes) [1, 2] the ionic component is much shorter than in the so-called “thick” GEMs (THGEM - Thick GEM) described by A. Breskin et al. "A concise review on THGEM detectors", Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009) 107 [arXiv: 0807.2026] [3]. As a dielectric material in thick GEMs, fiberglass is used, the thickness of which is 5-20 times greater than kapton in thin GEMs, with holes also 5-20 times larger than in thin GEMs. The advantage of thick GEMs is the simplicity and relatively low cost of their manufacture in the industry that produces printed circuit boards, in comparison with thin GEMs, the manufacturing technology of which includes the etching process of both metal and kapton, which complicates the production.
Недостатком детекторов с толстыми ГЭУ является то, что ионный хвост в наведенном сигнале может достигать микросекунды и более.The disadvantage of thick GEM detectors is that the ion tail in the induced signal can reach microseconds or more.
Наиболее близким к заявляемому объекту по конструктивным признакам является устройство для измерения координаты траектории заряженных частиц, описанное в патенте RU 2383035 C1 "Многослойный газовый электронный умножитель" [4], в котором используются толстые ГЭУ в многокаскадном включении. В данном устройстве газовые электронные умножители соединены в одно целое в виде многослойной печатной платы, причем первый ГЭУ имеет общий электрод со вторым ГЭУ, а второй ГЭУ имеет общий электрод с третьим ГЭУ Технический результат - повышение коэффициента усиления многокаскадного умножителя при упрощении конструкции, что обусловлено ликвидацией транспортных промежутков между отдельными каскадами ГЭУ. Возможность определения координат частиц достигается тем, что считывание сигнала, как отмечается в описании, происходит с нижнего слоя третьего каскада ГЭУ. При указанном способе считывания сигнала о коордирате частицы последний слой ГЭУ выполняет также роль анода. Выполнение многокаскадного ГЭУ без транспортных промежутков в виде многослойной печатной платы упрощает производство и сборку детектора.Closest to the claimed object by design features is a device for measuring the coordinates of the trajectory of charged particles, described in patent RU 2383035 C1 "Multilayer gas electron multiplier" [4], which uses thick GEMs in multi-stage switching. In this device, gas electron multipliers are connected in a single unit in the form of a multilayer printed circuit board, the first GEM having a common electrode with the second GEM, and the second GEM having a common electrode with the third GEM. The technical result is an increase in the gain of a multi-stage multiplier while simplifying the design, which is due to elimination transport gaps between individual cascades of power plants. The possibility of determining the coordinates of the particles is achieved by the fact that the readout of the signal, as noted in the description, occurs from the lower layer of the third cascade of the GEM. With this method of reading the signal about the coordinate of the particle, the last layer of the GEM also plays the role of the anode. The implementation of a multistage GEM without transport gaps in the form of a multilayer printed circuit board simplifies the production and assembly of the detector.
Недостатком этого устройства, обеспечивающего определение координат траектории заряженных частиц, является наличие в считываемом сигнале значительной ионной компоненты, обусловленной индукционным воздействием на считывающий электрод положительного заряда, причем тем большей, чем ближе расположен считывающий электрод к положительному заряду, образованному на выходе последнего каскада ГЭУ. Эта ионная компонента в 10-100 раз в зависимости от диаметра отверстий увеличивает длительность выходного импульса по сравнению с чисто электронной компонентой. Измерения показывают [5 - А.В. Ханзадеев], что длительность ионного хвоста в выходном сигнале достигает 0.5-2.7 микросекунд и достигает 10-30% от амплитуды суммарного наведенного сигнала при диаметре отверстий 0.4 мм при различных газовых смесях. Соответственно, мертвое время канала регистрации из-за ионного хвоста составит те же 0.5-2.7 мксек. Этот фактор существенно ограничивает быстродействие детектора. Для повышения быстродействия детектора на основе толстого ГЭУ необходимо убрать из выходного сигнала ионный хвост.The disadvantage of this device, which provides the determination of the coordinates of the trajectory of charged particles, is the presence of a significant ion component in the read signal due to the induction action of a positive charge on the read electrode, the greater the closer the read electrode is to the positive charge formed at the output of the last GES stage. This ionic component 10-100 times, depending on the diameter of the holes, increases the duration of the output pulse compared to a purely electronic component. Measurements show [5 - A.V. Khanzadeev] that the duration of the ion tail in the output signal reaches 0.5-2.7 microseconds and reaches 10-30% of the amplitude of the total induced signal with a hole diameter of 0.4 mm for various gas mixtures. Accordingly, the dead time of the recording channel due to the ion tail will be the same 0.5-2.7 μs. This factor significantly limits the speed of the detector. To increase the speed of the detector based on a thick GEM, it is necessary to remove the ion tail from the output signal.
Другим фактором, ограничивающим быстродействие детектора, выполненного на основе ГЭУ, как тонкого так и толстого, является время ухода электронов первичной ионизации из рабочего зазора. Рабочим зазором является катодный зазор. Так, при зазоре 1 мм (10 мм) и скорости дрейфа электронов 100 мкм/нс электроны уйдут из зазора через 10 не (100 нс). Как видно, уменьшая рабочий зазор, можно уменьшить время занятости детектора, следовательно, дополнительно повысить быстродействие. Однако, число первичных электронов на треке зависит от длины трека, т.е. от ширины зазора, и уменьшение рабочего зазора сопряжено с уменьшением эффективности детектора для частиц, пересекающих детектор по нормали к плоскости детектора.Another factor limiting the performance of a detector made on the basis of a GEM, both thin and thick, is the time of departure of the primary ionization electrons from the working gap. The working gap is the cathode gap. So, with a gap of 1 mm (10 mm) and an electron drift velocity of 100 μm / ns, the electrons leave the gap after 10 ns (100 ns). As you can see, by reducing the working gap, it is possible to reduce the busy time of the detector, therefore, to further increase the speed. However, the number of primary electrons on a track depends on the length of the track, i.e. from the gap width, and a decrease in the working gap is associated with a decrease in the detector efficiency for particles crossing the detector along the normal to the plane of the detector.
Задачей данного изобретения является повышение быстродействия детектора при сохранении высокой эффективности регистрации частиц.The objective of the invention is to increase the speed of the detector while maintaining high efficiency of particle registration.
Поставленная цель достигается тем, что в известном детекторе заряженных частиц, включающем электронные умножители в виде многослойной печатной платы из фольгированного стеклотекстолита со сквозными отверстиями, объединенные вместе с катодом и анодом в первый детектирующий слой, новым является то, что введен второй детектирующий слой, экранирующие электроды (не менее одного в каждом детектирующем слое), которые располагаются между ГЭУ и анодом и выполнены в виде многослойной печатной платы, являющейся продолжением многослойной печатной платы ГЭУ с ее отверстиями, причем аноды двух детектирующих слоев объединены в общий считывающий электрод детектора, выполненный в виде стрипов, которые размещены на поверхности стеклотекстолита параллельно друг другу и размещены между рядами отверстий ГЭУ, причем соответствующие стрипы из каждого детектирующего слоя попарно соединены вместе на плате считывающего электрода и выведены к общему для пары стрипов усилителю, регистрирующему сигнал от частицы.This goal is achieved by the fact that in the known charged particle detector, including electronic multipliers in the form of a multilayer printed circuit board made of foil fiberglass with through holes, combined with the cathode and anode in the first detection layer, it is new that a second detection layer is introduced, shielding electrodes (at least one in each detecting layer), which are located between the GEM and the anode and are made in the form of a multilayer printed circuit board, which is a continuation of the multilayer printed circuit th board of the GEM with its holes, the anodes of the two detecting layers combined into a common reading electrode of the detector, made in the form of strips that are placed on the surface of the fiberglass parallel to each other and placed between the rows of holes of the GEM, the corresponding strips from each detecting layer are paired together the board of the reading electrode and are output to an amplifier common to a pair of strips, registering the signal from the particle.
Ширина рабочего зазора в каждом детектирующем слое выбирается предельно узкой (например, 1 мм). Экранирующие электроды заземлены при помощи блокирующих конденсаторов. Металлический слой экранирующего электрода в области каждого отверстия при изготовлении печатной платы вытравлен больше (например, на 100 микрон), чем диаметр отверстия ГЭУ. Ширина каждого стрипа выбирается предельно узкой (например, 0.1 мм) или для считывания применяется проволочный электрод (например, с диаметром проволочек 10 микрон).The width of the working gap in each detecting layer is selected extremely narrow (for example, 1 mm). Shielding electrodes are grounded with blocking capacitors. The metal layer of the shielding electrode in the area of each hole in the manufacture of the printed circuit board is etched more (for example, 100 microns) than the diameter of the hole of the GEM. The width of each strip is selected extremely narrow (for example, 0.1 mm) or a wire electrode is used for reading (for example, with a wire diameter of 10 microns).
Заявляемая совокупность признаков позволяет устранить противоречие, свойственное прототипу и другим известным детекторам на основе ГЭУ, а именно: убирается из выходного сигнала ионный хвост и уменьшается время ухода электронов первичной ионизации из рабочего зазора - факторы, ограничивающие быстродействие. При этом не ухудшается эффективность детектора для частиц за счет удвоения первичной ионизации в суммарном рабочем зазоре детектора. Иными словами, высокая эффективность, свойственная прототипу и известным однослойным детекторам с ГЭУ сохраняется.The claimed combination of features allows to eliminate the contradiction inherent in the prototype and other known detectors based on GEMs, namely: the ion tail is removed from the output signal and the time of departure of primary ionization electrons from the working gap is reduced - factors that limit speed. In this case, the efficiency of the detector for particles does not deteriorate due to the doubling of primary ionization in the total working gap of the detector. In other words, the high efficiency inherent in the prototype and the well-known single-layer detectors with GEMs is maintained.
На фигуре 1 изображен детектор заряженных частиц, где 1 - первый детектирующий слой; 2 - второй детектирующий слой; 3 - многокаскадный ГЭУ; 4 - катод и катодный (рабочий) зазор; 5 - анод и анодный (индукционный) зазор с объединенным в общий узел двух детектирующих слоев считывающим электродом; 6 - блок с экранирующим электродом (электродами), где пунктирной линией 7 показано, что экранирующий электрод не имеет выхода в отверстия 8, которые выполнены как продолжение отверстий ГЭУ, а расстояние от последнего ГЭУ до экранирующего электрода образует транспортный зазор, в котором отсутствует газовое усиление, и которое может изменяться выбором необходимой толщины слоя диэлектрика; 9 - один из стрипов считывающего электрода; 10 - направления дрейфа электронов; 11 - направления дрейфа положительных ионов; 12 - цепи подачи напряжений на электроды детектора.The figure 1 shows a charged particle detector, where 1 is the first detecting layer; 2 - second detecting layer; 3 - multi-stage power plant; 4 - cathode and cathode (working) gap; 5 - anode and anode (induction) gap with a read electrode integrated into a common node of two detecting layers; 6 is a block with a shielding electrode (s), where the
На фигуре 2 изображена в разрезе печатная плата считывающего электрода с тремя, как пример, стрипами 9 двух детектирующих слоев, попарно соединенными металлизированными отверстиями 13; стрелками 14 показаны выводы сигналов со стрипов к электронике, причем эти выводы выполнены во внутреннем слое печатной платы считывающего электрода или за пределами активной площади детектора.The figure 2 shows a sectional view of a printed circuit board of a reading electrode with three, as an example,
На фигуре 3 показаны сквозные отверстия 8, причем металлический слой экранирующего электрода в области каждого отверстия вытравлен больше (например, на 100 микрон), чем диаметр отверстия 8, образованный ободок 16 в литературе и тексте описания называется "римом".The figure 3 shows the through
На фигуре 4 приведена зависимость, показывающая эффективность детектора в случае достаточно узкого рабочего зазора каждого детектирующего слоя, например такого, что в зазоре образуется в среднем n=5 кластеров первичной ионизации. Вероятность образования k кластеров из n хорошо описывется распределением Пуассона. Здесь k считается порогом регистрации. Там же приведена зависимость эффективности детектора, полученная за счет удвоения среднего числа кластеров в суммарном зазоре до n=10 при объединении соответствующих стрипов из двух детектирующих слоев. Эффективность детектора, как функция порога регистрации k (k<n) находится по формуле:Figure 4 shows the dependence showing the efficiency of the detector in the case of a sufficiently narrow working gap of each detecting layer, for example, such that on average n = 5 primary ionization clusters are formed in the gap. The probability of the formation of k clusters from n is well described by the Poisson distribution. Here k is considered the registration threshold. The dependence of the detector efficiency obtained by doubling the average number of clusters in the total gap to n = 10 when combining the corresponding strips from two detecting layers is also given there. The detector efficiency, as a function of the detection threshold k (k <n), is found by the formula:
Здесь 
Детектор заряженных частиц работает следующим образом. При прохождении заряженной частицы через детектирующие слои 1 и 2 в направлении, близком к нормали к плоскости детектора, в рабочем (катодном) зазоре 4 каждого слоя образуется определенное число кластеров первичной ионизации. Электроны первичной ионизации дрейфуют в электрическом поле катодного зазора к отверстиям 8 первого каскада ГЭУ. В отверстиях усилительного блока 3, выполненного в виде многослойной печатной платы, создается электрическое поле при помощи делителя 12, достаточное для лавинного умножения электронов путем их ускорения в отверстиях и вторичной ионизации. При этом образуется одинаковое количество электронов и положительных ионов вторичной ионизации, и наибольшее количество свободных электронов и ионов образуется на выходе последнего каскада ГЭУ. Заряды разделяются довольно быстро, т.к. электроны движутся вперед (в направлении 10) в 1000 раз быстрее ионов, которые движутся назад (в направлении 11). Электронная компонента заряда попадает в транспортный блок 6, в котором нет лавинного умножения, но в котором размещены экранирующие электроды (не менее одного). При помощи экранирующих электродов 7 устраняется индукционное воздействие положительного заряда на считывающий электрод 9, если стрипы считывающего электрода размещены между отверстиями, т.е. устраняется ионный хвост в выходном сигнале. В то же время, это не мешает электронной компоненте наводить сигнал и собираться на считывающем электроде 9. Для исключения потерь электронов, движущихся в отверстиях 8, экранирующие электроды не имеют выхода в отверстия структуры (что отражено пунктирной линией 7 на чертеже 1) за счет того, что при изготовлении печатной платы металл экранирующих электродов вытравлен больше диаметра отверстий 8, см. ободок 15 на чертеже 3. Такой же ободок 15 имеется на первом в каскаде ГЭУ, что уменьшает вероятность электрического пробоя и позволяет сосредоточить наибольшее усиление в первом каскаде и меньшее - в последующих каскадах ГЭУ. Время собирания электронной компоненты на считывающем электроде 9 равняется времени дрейфа всех электронов первичной ионизации через рабочий зазор. Поэтому для дальнейшего повышения быстродействия детектора рабочий зазор выбирается предельно узким, и этот предел определяется допустимым уровнем потери эффективности детектора, т.е. определяемым некоторым минимальным числом образованных в зазоре первичных электронов (зависит от рабочего газа). Для удвоения первичной ионизации и повышения эффективности регистрации частиц два идентичных детектирующих слоя имеют общий считывающий электрод с объединенными стрипами, например, при помощи металлизированных отверстий 13. Оба детектирующих слоя включены зеркально-симметрично относительно считывающего электрода. Незначительная суммарная толщина двухслойного детектора, например 3 мм, позволяет расширить углы регистрации частиц относительно нормали к плоскости детектора и применять детектор также в магнитном поле.The charged particle detector operates as follows. When a charged particle passes through the detecting
Пример реализации 3-х каскадного координатного детектора на основе газового электронного умножителя (одного детектирующего слоя) приведен в таблице. Диаметр отверстий 0.3 мм (диаметр рима 0.4 мм), шаг отверстий 0.6 мм, ширина стрипа 0.1 мм, шаг стрипов 0.6 мм, напряжения на электродах: V1=3 кВ, V2=1.6 кВ, конденсаторы: С=1000 пФ, резисторы R=1 МОм и значения других резисторов, задающие указанные в таблице электрические поля.An example of the implementation of a 3-stage coordinate detector based on a gas electron multiplier (one detection layer) is given in the table. Hole diameter 0.3 mm (Rome diameter 0.4 mm), hole pitch 0.6 mm, strip width 0.1 mm, strip pitch 0.6 mm, electrode voltages: V1 = 3 kV, V2 = 1.6 kV, capacitors: C = 1000 pF, resistors R = 1 MΩ and the values of other resistors that specify the electric fields indicated in the table.
Итак, технический результат повышения быстродействия детектора достигается следующими средствами.So, the technical result of increasing the speed of the detector is achieved by the following means.
Во-первых, минимизацией индукционного воздействия на считывающие стрипы анода положительного заряда, образованного на выходе последнего каскада ГЭУ, путем введения экранирующих электродов и размещением стрипов между отверстиями. Выбор предельно узких печатных стрипов или использование проволочек для считывания сигналов служит цели минимизации емкости детектора на землю, а, следовательно, минимзации шумов электроники, что служит повышению разрешения детектора как при выполнении пространственных, так и временных измерений. Повышение быстродействия детектора заряженных частиц в такой структуре достигается тем, что на стрипы собирается только быстрая электронная компонента заряда. Металлический слой экранирующего электрода в области каждого отверстия вытравлен больше (например, на 100 микрон), чем диаметр отверстия, т.е. выполнен с римом, и при склеивании многослойной платы этот зазор заплывает эпоксидным клеем. Таким образом, отсутствие металла в отверстиях исключает потерю на экран дрейфующих в отверстиях электронов. Повышение эффективности экранирования может достигаться введением нескольких экранирующих слоев (двух - на чертеже 1).Firstly, by minimizing the induction effect on the reading strips of the anode of a positive charge formed at the output of the last stage of the GEM by introducing shielding electrodes and placing strips between the holes. The choice of extremely narrow printed strips or the use of wires for reading signals serves the purpose of minimizing the capacitance of the detector to the ground, and, therefore, minimizing the noise of the electronics, which serves to increase the resolution of the detector both when performing spatial and temporal measurements. An increase in the speed of the charged particle detector in such a structure is achieved by the fact that only the fast electronic component of the charge is collected on strips. The metal layer of the shielding electrode in the area of each hole is etched more (e.g., 100 microns) than the diameter of the hole, i.e. made with rome, and when gluing a multilayer board, this gap swims with epoxy glue. Thus, the absence of metal in the holes eliminates the loss of electrons drifting in the holes on the screen. Improving the effectiveness of shielding can be achieved by introducing several shielding layers (two - in figure 1).
Во-вторых, для дальнейшего повышения быстродействия детектора путем уменьшения ширины импульса электронной компоненты на стрипе уменьшается рабочий зазор в каждом детектирующем слое, например, до 1 мм, вследствие чего уменьшается время ухода из зазора электронов первичной ионизации, т.к. ширина дрейфующих в отверстиях электронов. Повышение эффективности экранирования может достигаться введением нескольких экранирующих слоев (двух - на чертеже 1).Secondly, to further increase the speed of the detector by reducing the pulse width of the electronic component on the strip, the working gap in each detecting layer is reduced, for example, to 1 mm, as a result of which the time of departure of the primary ionization electrons from the gap is reduced, since width of electrons drifting in holes. Improving the effectiveness of shielding can be achieved by introducing several shielding layers (two - in figure 1).
Во-вторых, для дальнейшего повышения быстродействия детектора путем уменьшения ширины импульса электронной компоненты на стрипе уменьшается рабочий зазор в каждом детектирующем слое, например, до 1 мм, вследствие чего уменьшается время ухода из зазора электронов первичной ионизации, т.к. ширина зазора и скорость дрейфа электронов определяют это время. Предельно минимальное значение рабочего зазора определяется газовой смесью, ионизирующей способностью и энергией регистрируемых частиц, что выражается в итоге минимально допустимым числом кластеров первичной ионизации и определяет эффективность детектора (см. формулу, приведенную в описании).Secondly, to further increase the speed of the detector by reducing the pulse width of the electronic component on the strip, the working gap in each detecting layer is reduced, for example, to 1 mm, as a result of which the time of departure of the primary ionization electrons from the gap is reduced, since The gap width and electron drift velocity determine this time. The maximum minimum value of the working gap is determined by the gas mixture, the ionizing ability and energy of the detected particles, which is expressed as a result of the minimum allowable number of primary ionization clusters and determines the efficiency of the detector (see the formula given in the description).
Таким образом, применение двух детектирующих слоев позволяет достичь одновременно высокого быстродействия и высокой эффективности регистрации детектором заряженных частиц. Введение экранирующих электродов дополнительно уменьшает кросстоки между каналами системы считывания координатной информации. Это объясняется тем, что наличие экранирующих заземленных электродов значительно уменьшает емкостные связи между каналами считывающего электрода через ГЭУ.Thus, the use of two detecting layers allows one to achieve simultaneously high speed and high efficiency of charged particle detection by the detector. The introduction of shielding electrodes further reduces the drain between the channels of the coordinate information reading system. This is because the presence of shielded grounded electrodes significantly reduces the capacitive coupling between the channels of the reading electrode through the GEM.
Чертеж детектора, приведенный на фиг. 1, выполнен не в масштабе, его реальная толщина в активной части (усиление и регистрация сигналов) составляет 2-3 мм, а это значит, что наклонные треки и угол Лоренца при работе детектора в магнитном поле не будут создавать значительных систематические ошибки при регистрации коодинат частиц, в частности мюонов высокихз энергий. Следует подчеркнуть, что дальнейшее увеличение эффективности, если это необходимо, может быть получено в 4-х слойной структуре путем объединения цифровых сигналов логическим ИЛИ с двух описанных выше двухслойных детекторов. При создании мюонных детекторов больших спектрометров такая задача возникает. При регистрации преимущественно электронной компоненты и устранении из ширины импульса ионного хвоста, а также при минимизации рабочего зазора детектора длительность импульсов на стрипах предложенного детектора может составлять 10 не при близкой к 100% эффективности регистрации частицы, а это значит, что детектор может применяться при интенсивности пучка 107 с-1.The detector drawing shown in FIG. 1, is not made to scale, its real thickness in the active part (amplification and registration of signals) is 2-3 mm, which means that inclined tracks and the Lorentz angle when the detector is operating in a magnetic field will not create significant systematic errors when registering coordinates particles, in particular high-energy muons. It should be emphasized that a further increase in efficiency, if necessary, can be obtained in a 4-layer structure by combining digital signals with a logical OR from the two two-layer detectors described above. When creating muon detectors of large spectrometers, such a problem arises. When registering a predominantly electronic component and eliminating the ion tail from the pulse width, as well as minimizing the working gap of the detector, the pulse duration on the strips of the proposed detector can be 10 not at a particle registration efficiency close to 100%, which means that the detector can be used at a beam intensity 10 7
Список литературыBibliography
1. F. Sauli, "GEM: a new concept for electron amplification in gas" Nuclear Instruments and Methods, A 386, p. 531-534, 199.1. F. Sauli, "GEM: a new concept for electron amplification in gas" Nuclear Instruments and Methods, A 386, p. 531-534, 199.
2. F. Sauli, US 006011265 A, "Radiation detector of very high performance".2. F. Sauli, US 006011265 A, "Radiation detector of very high performance".
3. A. Breskin et al. "A concise review on THGEM detectors", Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009) 107 [arXiv:0807.2026].3. A. Breskin et al. "A concise review on THGEM detectors", Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009) 107 [arXiv: 0807.2026].
5. B.B. Скворцов, патент RU 2383035 C1 "Многослойный газовый электронный умножитель" - прототип5. B.B. Skvortsov, patent RU 2383035 C1 "Multilayer gas electron multiplier" - prototype
5. A. Khanzadeev, 18 th СВМ COLLABORATION MEETING and Symposium on QCD Phase Structure at High-Baryon Density September 26- September 30, 2011, Tsinghua University, Beijing, China.5. A. Khanzadeev, 18 th CBM COLLABORATION MEETING and Symposium on QCD Phase Structure at High-Baryon Density September 26- September 30, 2011, Tsinghua University, Beijing, China.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013133472/28U RU135424U1 (en) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | CHARGED PARTICLE DETECTOR |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013133472/28U RU135424U1 (en) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | CHARGED PARTICLE DETECTOR |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU135424U1 true RU135424U1 (en) | 2013-12-10 |
Family
ID=49682371
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013133472/28U RU135424U1 (en) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | CHARGED PARTICLE DETECTOR |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU135424U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU200205U1 (en) * | 2020-07-08 | 2020-10-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | Well type gas electron multiplier |
-
2013
- 2013-07-18 RU RU2013133472/28U patent/RU135424U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU200205U1 (en) * | 2020-07-08 | 2020-10-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | Well type gas electron multiplier |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bartol et al. | The CAT pixel proportional gas counter detector | |
| Bachmann et al. | Discharge studies and prevention in the gas electron multiplier (GEM) | |
| Bencivenni et al. | A triple GEM detector with pad readout for high rate charged particle triggering | |
| Bachmann et al. | Performance of GEM detectors in high intensity particle beams | |
| Bernet et al. | The 40× 40cm2 gaseous microstrip detector Micromegas for the high-luminosity COMPASS experiment at CERN | |
| Alexopoulos et al. | Performance studies of resistive-strip bulk micromegas detectors in view of the ATLAS New Small Wheel upgrade | |
| RU167812U1 (en) | Multilayer Gas Electron Multiplier | |
| RU135424U1 (en) | CHARGED PARTICLE DETECTOR | |
| RU200205U1 (en) | Well type gas electron multiplier | |
| Kunn et al. | The gaseous microstrip detector micromegas for the COMPASS experiment at CERN | |
| Akindinov et al. | A four-gap glass-RPC time-of-flight array with 90 ps time resolution | |
| RU135425U1 (en) | GAS ELECTRONIC MULTIPLIER | |
| RU200541U1 (en) | Well type gas electron multiplier | |
| RU194967U1 (en) | Two-coordinate thermal and cold neutron detector based on a 3He2 / CF4 binary mixture | |
| Jhingan et al. | Detector system for the study of low energy heavy ion reactions using kinematic coincidence technique | |
| Bashkirov et al. | A novel detector for 2D ion detection in low-pressure gas and its applications | |
| Alfonsi et al. | The LHCb triple-GEM detector for the inner region of the first station of the muon system: construction and module-0 performance | |
| Bencivenni et al. | A triple-GEM detector with pad readout for the inner region of the first LHCb muon station | |
| McLean et al. | Gas gains over 104 and optimisation using 55Fe X-rays in low pressure SF6 with a novel Multi-Mesh ThGEM for directional dark matter searches | |
| Klein-Bösing et al. | Position resolution of a high efficiency transition radiation detector for high counting rate environments | |
| RU198153U1 (en) | Well-type gas electronic multiplier | |
| RU2414725C1 (en) | Method of detecting slow and fast neutrons in intense external radiation conditions | |
| RU91567U1 (en) | GAS DETECTOR FOR REGISTRATION OF SLOW AND FAST NEUTRONS IN THE CONDITIONS OF INTENSE EXTERNAL RADIATION | |
| Albrecht et al. | Low pressure avalanche detectors in relativistic heavy ion experiments | |
| Mondal et al. | Construction of a Gas Electron Multiplier (GEM) Detector for Medical Imaging |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20200719 |