JP2013242320A - 保護された読み出し電極アセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】アバランシェ粒子検出器の読み出し電極アセンブリ１０は、複数の読み出しパッド１２の上側の絶縁層２０中に形成される複数のレジスタパッド２４を備え、レジスタパッド２４は、絶縁層２０の少なくとも一部によって読み出しパッド１２から空間的に分離される。
【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１ｍｍ^２当たり２５パッドよりも大きい。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の第１の実施形態に係る読み出し電極アセンブリの概略側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る読み出し電極アセンブリの概略側面図である。 マイクロメガス検出器における本発明に係る読み出し電極アセンブリの動作を示す概略側面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (22)

1. アバランシェ粒子検出器用の読み出し電極アセンブリ（１０）であって、
   複数の読み出しパッド（１２）と、
   前記読み出しパッド（１２）上及び／または前記読み出しパッド（１２）間に形成される絶縁層（２０）と、
   前記読み出しパッド（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）。
2. 前記レジスタパッド（２４）の上面が前記絶縁層（２０）の上面（２６）と面一である請求項１に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
3. 前記レジスタパッド（２４）は、レジスタを備える第１の層（２８）と、前記第１の層（２８）上に形成される第２の層（３０）とを備え、前記第２の層（３０）が金属、特に銅を備える請求項１または請求項２に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
4. 複数のレジスタパッド（２４）がそれぞれの読み出しパッド（１２）の上側に位置される請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
5. 少なくとも２０個のレジスタパッド（２４）が読み出しパッド（１２）の上側に位置される請求項４に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
6. 前記レジスタパッド（２４）の少なくとも一部が前記読み出しパッド（１２）と直接に接触する請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
7. 前記読み出しパッド（１２）と前記レジスタパッド（２４）との間の距離が５０μｍ〜２００μｍの範囲内である請求項１に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
8. 前記絶縁層（２０）中に埋め込まれる抵抗電荷拡散パッド（３２）を更に備え、前記電荷拡散パッド（３２）が複数の前記レジスタパッド（２４）と複数の前記読み出しパッド（１２）との間に位置する請求項１乃至請求項７の１つに記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
9. 前記絶縁層（２０）中に埋め込まれる複数の抵抗電荷拡散パッド（３２）を更に備え、前記各電荷拡散パッド（３２）が複数のレジスタパッド（２４）と複数の読み出しパッド（１２）との間に位置する請求項８に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
10. １または複数の前記電荷拡散パッド（３２）が前記レジスタパッド（２４）と直接に接触する請求項８または請求項９に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
11. 前記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前記１または複数の電荷拡散パッド（３２）の抵抗率は、前記読み出し電極アセンブリ（１０）の前記上面（２６）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（３２）の抵抗率とは異なっている請求項８乃至請求項１０のいずれか一項に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
12. 前記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前記１または複数の電荷拡散パッド（３２）の表面抵抗率は、単位面積当たり５００キロオーム〜単位面積当たり１０メガオームの範囲内にある請求項８乃至請求項１１のいずれか一項に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
13. 前記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）での電荷輸送のための前記１または複数の電荷拡散パッド（３２）および前記レジスタパッド（２４）の全抵抗が１０オーム〜１０００オームの範囲内にある請求項８乃至請求項１２のいずれか一項に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
14. 前記読み出し電極アセンブリの上面に対して垂直な方向（ｚ）での電荷輸送のための前記レジスタパッドの抵抗が１０オーム〜１０００オームの範囲内にある請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
15. 前記読み出しパッド（１２）および／または前記レジスタパッド（２４）が円柱状である請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
16. 前記読み出しパッド（１２）の表面直径が前記レジスタパッド（２４）の表面直径よりも７〜２０倍大きい請求項１５に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
17. 前記レジスタパッド（２４）の表面直径が１００μｍ〜２００μｍの範囲内である請求項１５または請求項１６に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
18. 前記レジスタパッド（２４）の面密度が２５パッド／ｍｍ^２よりも大きい請求項１乃至請求項１７のいずれか一項に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
19. 前記読み出しパッド（１２）が誘電体バルク基板（１４）上に形成される請求項１乃至請求項１８のいずれか一項に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
20. 前記読み出しパッド（１２）が金属、特に銅を備える請求項１乃至請求項１９のいずれか一項に記載の読み出し電極アセンブリ（１０）。
21. ガスチャンバ（４０）と、
    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の電極（４２）および前記第２の電極（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の電極（２２）および前記第３の電極（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の電極（２２）には穴（４４）が穿孔され、前記第３の電極（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。
22. 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、
    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、前記電極を貫通して延びる複数の穴とを備え、
    前記コーティング層に結合され、前記第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、前記第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。