CC BY
15
УДК 539.1.07
ГАЗОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ И ЕГО РАБОТА СОВМЕСТНО С МИКРОСТРИПОВОЙ ГАЗОВОЙ
КАМЕРОЙ
М. А. Негодаев, Б. Н. Ломоносов, А. В. Багуля, С. В. Русаков, Е. М. Негодаева, А. М. Лемешко, Т. Е. Хамаева, А. Н. Ларичев
Изложены проблемы, связанные с длительной работой микростриповой газовой камеры. Описан газовый электронный умножитель (ГЭУ) и технология, используемая для его изготовления в России. Приведены данные по исследованию работы микростриповой камеры с полупроводящими покрытиями совместно с ГЭУ на тестовом пучке Т22 в DESY (Германия) в сентябре-октябре 1997 г.
Получение стабильных значений коэффициента газового усиления в микросгрипо-вых газовых камерах (МСГК) [1] при длительной непрерывной их работе является целью многих групп, занимающихся этими детекторами с целью использования их в качестве трековых приборов в будущих экспериментах по физике высоких энергий, та ких как, например, CMS и COMPASS в CERN, HERA-B в DESY [2, 3, 4]. Исследования, проведенные в рамках международного сотрудничества RD-28 [5], показали, что для получения стабильных значений газового усиления МСГК при высоких загрузках подложки для микростриповой структуры МСГК должны иметь поверхностное сопротивление Rs — 1015 Ом/□ и электронный тип проводимости [6]. Этого можно достичь посредством напыления тонкой полупроводящей пленки на диэлектрическую пластину, причем эту пленку можно напылять как до процесса металлизации и изготовления ми кростриповых электродов ("under coated"), так и поверх микростриповых электродов ("over coated").
В работе [7] было показано, что для МСГК, изготовленных на диэлектрических подложках с пассивацией тонкими полупроводящими покрытиями микростриповой структуры ("over coated"), воздействие ионов рабочего газа на пленку, покрывающую катоды,
губительно. Этот процесс приводит к быстрому выходу МСГК из строя, поэтому полупроводящую пленку следует размещать под микростриповыми электродами ('"under coated").
В докладе Ф. Саули [6], где были подведены итоги работы RD-28, сообщалось. чт< в группе RAL получены хорошие результаты при изучении МСГК, изготовленной на боросиликатном стекле с напыленной на нее тонкой пленкой электронно-проводящею стекла S-8900 и с электродами из золота: удалось достигнуть величины полного собран ного заряда ~ 100 м К л/см при уменьшении газового усиления на 10%.
Однако, как показали эксперименты в пучках релятивистских электронов, МСГК при работе в условиях максимального газового усиления (с целью эффективной регистрации минимально ионизирующих частиц) может быть необратимо повреждена разрядом, инициированным прохождением сильно ионизирующих частиц (осколки отдачи, порожденные нейтронами, ядерные фрагменты). Этот эффект увеличивается при высоких потоках излучения, и его вероятность в основном зависит от рабочего напря жен и я [8].
Для сохранения величины коэффициента газового усиления при уменьшении величины рабочего напряжения на электродах МСГК можно включить в газовый объем МСГК дополнительный элемент - газовый электронный умножитель (ГЭУ), который был предложен Ф. Саули и подробно описан в работе [9]. ГЭУ представляет собой трех слойную сетку (два металлических слоя сетки разделены тонким слоем диэлектрика) с отверстиями микронных размеров, изготовленную методом стандартной фотолитографии.
В ФИАНе совместно с НИИ прикладной физики была разработана технология изготовления ГЭУ. Для изготовления ГЭУ в качестве гибкого основания была выбрана отечественная полиимидная пленка марки ПИ. Этот полимер относится к классу термостойких высокомолекулярных соединений и отличается высокой радиационной стойкостью и прекрасными электрофизическими и механическими свойствами.
В качестве проводящего покрытия была выбрана медь. Слои требуемой толщины (10 - 20 мкм) формировались путем гальванического осаждения меди из сернокислого электролита на предварительно нанесенную методом вакуумно-термического испаре ния тонкую двустороннюю металлическую пленочную структуру хром-медь-хром общей толщиной 1.2 - 1.5 мкм. Нижний слой хрома выполнял функцию адгезионного подслоя, обеспечивая надежное сцепление металлических слоев с поверхностью по ш-имида. Верхний слой хрома, обеспечивал антикоррозионную защиту пленки меди в
технологическом цикле и улучшал адгезию фоторезиста на операциях фотолитографии. которая являлась основным методом формирования топологии отверстий.
Рис. 1. Эскиз ГЭУ, используемого в работе с МСГК (размеры в мкм).
Рис. 2. МС пластина с электродами из Сг па стекле Б-263 с покрытием из стекла < электронной проводимостью.
Ьыли изготовлены образцы ГЭУ, имеющие габаритные размеры 90x90 мм2, где на площади 60x40 мм'2 имелись круглые отверстия диаметром 100 - 140 мкм с расстоянием между ними 200 мкм, расположенные рядами в шахматном порядке. Расстояния между рядами 100 мкм., общее количество отверстий 60000 (рис. 1).
Исследования работы ГЭУ совместно с МСГК проводились как при работе с радиоактивными источниками (55/ге, 106Яи), так и на тестовом пучке релятивистских электронов в ЭКБУ в сентябре-октябре 1997 года.
Установленный в газовом обьеме МСГК, ГЭУ позволил получить 2-3-кратное увеличение сигнала, снимаемого с одного стрипа МСГК. В качестве подложки для МСГК использовалась пластинка стекла 0-263 фирмы ОЕЯАС (Германия) размером 76x76 мм2 и толщиной 300 мкм. На одну из сторон этой пластины на установке "ГЕЛИС"
МСКГ ПУ МА
+ У —► А -►1 -> Ü
ГЭУ
д —► Г Пл
Рис. 3. Блок-схема системы регистрации событий: ПУ - предусилителъ ORION, У усилитель ORTEC 572, А - аттенюатор. МА - многоканальный анализатор qVT Le Croy 3001. О цифровой осциллограф Le Croy 9400, Д дискриминатор LRS 620AL, Г - генератор LRS 222, Пл - плоттер.
[10] напылялась пленка стекла с электронной проводимостью. Измеренное новерхносi ное сопротивление полупроводящей пленки составляло 1013 — 1014 Ом/о.
Поверх полу проводящей пленки напылялся металлический слой (хром) и электрон ный решет, затем методом электронной литографии была изготовлена структура ми кростриповых электродов с шагом 200 мкм (рис. 2). Все катоды структуры объединены и имеют две контактные площадки для подключения высокого напряжения. Централь ные анодные стрипы являются сигнальными и имеют индивидуальные контактные площадки для подсоединения к предусилителям. Периферийные аноды объединены в две группы.
Газовые зазоры между МС пластиной и ГЭУ и между ГЭУ и дрейфовым электро дом электродом были равны 4 мм. Рабочий газовый объем составил 40x60x8 мм3 и был ограничен ситалловыми пластинами, которые приклеивались к микростриповой пластине, ГЭУ и дрейфовому электроду, выполненному из стекла D-263, покрытого тонкой пленкой металла (Мо).
Были проведены спектрометрические измерения для двух соотношений газовой сме си Ar/DME 50/50 и 80/20. Предварительно проводились измерения с радиоактив ными источниками 55Fe и 106 Ли. Блок-схема системы регистрации событий с единично выбранных каналов МСГК при тестовых исследованиях работы МСГК+ГЭУ в DES'S осенью 1997 г. представлена на рис. 3.
Для различных напряжений на электродах ГЭУ были получены спектры от ра диоактивных источников 55Fe (рис. 4), 106Ru (рис. 5) и спектры ионизационных потерь
б
Рис. 4. Спектры сигналов с одного empuña МСГК от радиоактивного источника 55Fe при различных напряжениях на электродах ГЭУ: a) AU — О В; б) AU = 150 i?; в) AU = 300 5. Газовая смесь Ar/DME - 80/20, напряжение на катоде МСГК Uc = —400 5. Напряжение на дрейфовом электроде Ud = —1600 5.
Рис. 5. Спектры сигналов с одного empuña МСГК от радиоактивного источника 106Ru при различных напряжениях на электродах ГЭУ: a) AU = 150 5; б) AU = 300 5. Газовая смесь Ar/DME - 80/20. Ue = -400 В, Ud = -1600 5.
Рис. 6. Спектры сигналов с одного empuña МСГК при регистрации электронов с энергией 3 Г'эВ при различных напряжениях на электродах ГЭУ: a) AU = 150 В; б) AU = 300 5. Газовая смесь Ar/DME - 80/20. Uc — —400 5, Ud — —1600 5. Время набора каждого спектра 20 минут.
релятивистских электронов тестового пучка Т-22 при регистрации сигналов единичным анодом МСГК (рис. 6).
Видно, что увеличение напряжения на ГЭУ приводит к увеличению сигналов со стрипа МСГК и эффективности регистрации релятивистских электронов.
Таким образом, ГЭУ позволяет снизить напряжение на микростриповых электродах
МСГК, обычно используемое в МСГК для эффективной регистрации минимально ионизирующих частиц, и, следовательно, уменьшить вероятность пробоя и выхода МСГК из строя при длительной работе.
В настоящее время отрабатывается технология изготовления ГЭУ на полиимид-ной пленке толщиной 100 мкм, что позволит существенно увеличить газовое усиление прибора.
В заключение авторы выражают благодарность сотрудникам DES Y В. Бартелю, В. Корбелю, Г. Зайделю, Ю. Бэху за содействие в подготовке тестовых измерений.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Oed A. Nucl. Instr. Meth., А263, 351 (1988).
[2] The Compact Muon Solenoid, Technical Proposal, CERN/LHCC 94-38, HCC/P1. 1994.
[3] The COMPASS Collaboration. Proposal. Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy. CERN/SPSLC 96-14, SPSC/P297, 1996.
[4] HERA-B. An Experiment to Study CP Violation in the В System Using an Internal Target at the HERA Proton Ring. Design Report. DESY-PRC 95/01, 1995.
[5] RD-28 status report. CERN/DRDC/93-94, 1993.
[6] S a u 1 i F. Development of Microstrip Gas Chambers for radiation detection and traking at high rates, Final Status Report, LDRB Status Report/RD-28, CERN/LHCC 96-18,1996.
[7] Негодаев M. А. и др. Препринт ФИАН N 14, М., 1997.
[8] В о i m s k а В. et al. Proc. 5th Int. Conf. Adv. Technology and Particle Physics, Villa Olmo, October 7-11, 1996.
[9] S a u 1 i F. Nucl. Instr. Meth., A386, 531 (1997).
[10] Негодаев M. А., Багуля А. В. Препринт ФИАН N 11, M., 1996.
Поступила в редакцию 22 октября 1998 г.
