KR20140063729A - 사태 입자 검출기용 검출기-판독 인터페이스 - Google Patents

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Abstract

사태 입자 검출기용 검출기-판독 인터페이스는 가스 챔버의 하측에 형성되는 저항 층 및 상기 저항 층 아래에 형성되는 유전체 층을 포함하고, 외부 판독 보드에 용량적으로 결합되도록 구성된다. 이는 판독 카드와 검출기 코어가 자유롭게 상호교환 가능하게 조합될 수 있는 모듈형 검출기 구조를 제공한다. 판독 보드는 검출기를 스위치 오프시키지 않고서도 제거 또는 교체될 수 있다. 동시에, 상기 구조는 스파크 및 방전에 대해 효과적인 보호를 제공하며, 특히 추가 보호 회로에 대한 필요성을 제거한다. 상기 구조는 마이크로메가스 검출기 또는 GEM 검출기와 같은 임의의 사태 입자 검출기에 채용될 수 있다.

Description

사태 입자 검출기용 검출기-판독 인터페이스{DETECTOR-READOUT INTERFACE FOR AN AVALANCHE PARTICLE DETECTOR}
본 발명은 사태 입자 검출기용, 특히 마이크로메가스(MicroMegas) 검출기와 같은 마이크로패턴 가스 검출기(MicroPattern Gas Detector: MPGD)용 판독 구조물과 검출기 용기(vessel) 사이의 인터페이스에 관한 것이다.
입자 검출기는 방사선 또는 입자를 검출, 추적 및/또는 식별하고 입자 물리학, 생물학 뿐만 아니라 의학 기술에 두루두루 걸쳐서 광범위한 용도를 찾아내기 위한 장치이다.
가스에서의 이온화 및 전하 증식 과정에 사용되는 입자 검출기는, 러더포드(Rutherford)가 한 세기 이상 전에 자연 방사능을 연구하기 위해 처음으로 가스-충전된 와이어를 사용한 이후로 지속적인 개선과 더불어 사용되어 왔다. 증가된 물리적 크기 및/또는 방전에 대한 증가된 내구성 및/또는 개선된 공간 분해능을 갖는 검출기를 설계하기 위한 기술은 오늘날 검출기 영역에서 지속적으로 활발한 연구 분야이다.
가스 검출기는 통상적으로, 방사선을 이온화시킴으로써 방출된 전자를 수집하고 이들 전자를 전기장이 강한 구역으로 안내하며, 따라서 전자 사태(avalanche)를 개시한다. 이 사태는 판독 장치 상에 수집되고 판독 전자기기에 의해 분석되기에 충분히 큰 전류 또는 전하를 생성하기에 충분한 전자를 생성할 수 있다. 수집된 전자 전하는 입사 입자 또는 방사선의 전하, 에너지, 모멘텀, 이동 방향, 및 기타 속성을 나타낼 수 있다.
통상적으로, 전자 사태를 개시 및 지지하는데 필요한 큰 증폭 장은 높은 정전위에서 얇은 와이어로부터 나왔다. 이 동일한 얇은 와이어는 통상적으로 사태로부터 전자를 수집하고 이들 전자를 판독 전자기기를 향해 안내하기 위해 사용되었다. 보다 최근에, 반도체 제조 기술을 사용하는 마이크로메쉬 가스상 구조 챔버(MicroMesh Gaseous Structure Chamber: MicroMegas) 및 가스 전자 증식기(Gas Electron Multiplier: GEM)와 같은 소위 마이크로패턴 가스 검출기(MicroPattern Gas Detectors: MPGDs)는 검출기 장치를 매우 다양한 형태로 대량-생산할 수 있게 만들었으며, 동시에 작은 사태 갭을 허용하고 따라서 신속한 판독 및 높은 신뢰성과 조합하여 신속한 신호 발생을 가능하게 만들었다.
MPGD에서, 증폭 과정에서 발생된 전자는 통상적으로, 반도체 기판 상에 소정 패턴으로 배열되고 유선 연결에 의해 신속한 판독 전자기기에 전기 접속되는 금속 판독 패드 또는 스트립 상에 수집된다. 마이크로메가스 검출기의 예에 있어서, 이 구조는 미국 특허 제 6,133,575 호에 기재되어 있으며, GEM 검출기는 미국 특허 제 6,011,265 호에 기재되어 있다.
가스-충전된 비례 챔버에서 대체로 마주치는 심각한 문제는 입자를 고도로 이온화시킴으로써 유도되는 스파크 발생이며 이는 다수의 전자를 촉발할 수 있다. 사태 과정에 의해 증폭된 후, 이들은 수 107 전자의 래더(Raether) 한계에 도달할 수 있으며 방전으로 진화할 수 있다. 이것은 핵분열로부터의 탄성 산란 및/또는 저에너지 순환수식 파편(hydronic debris)에 기인하는 느리게-움직이는 반발로부터 높은 계수율을 생성할 수 있는, 높은 광도를 갖는 현대 가속기에 있어서 특별한 과제이다.
스파크는 일시적으로 높은 전압 파괴로 이어질 수 있고 따라서 바람직하지 않은 검출기 무감 시간(dead time)을 초래할 수 있으며, 상기 무감 시간에서는 검출기가 복구될 필요가 있으며 새로운 사건이 전혀 검출될 수 없다. 스파크는 또한 판독 패드 및/또는 판독 전자기기를 손상시킬 수도 있다. 검출기 무감 시간을 감소시키고 손상을 방지하기 위해서, 대부분의 검출기는 판독 스트립 또는 패드를 첨단 전자기기와 인터페이스 연결하는 추가 보호 회로를 사용한다. 이들 보호 회로는 장치의 복잡성을 추가시키고 추가 배선을 요구하며, 이는 더 많고 더 작은 판독 패드를 갖는 검출기 장치를 형성하기 위한 소망과 상충된다.
방전에 대한 효과적인 보호는, 판독 패드 및 판독 회로 세트가 검출기 구조물에 통합된 반도체 판독 보드 또는 픽셀 칩에 의해 교체되는 현대 그리드 픽셀["그리드-픽스(Grid-Pix)"] 검출기에 있어서 특히 중요하다. 그리드 픽셀 검출기의 판독 칩은 검출기 장치의 애노드로서의 역할도 겸할 수 있고, 다수의 정방형 픽셀을 포함할 수 있으며, 각각의 픽셀은 그 각각의 사전-증폭기(pre-amplifier), 식별기 및 디지털 카운터에 연결될 수 있다. 마이크로메가스 검출기가 픽셀 칩 상에 직접 배치되는 그리드 픽셀 검출기의 일 예가 P. Colas 등, Nucl. Instr. and Meth. A 535 (2004), p. 506에 더 상세히 기재되어 있다.
종래의 MPGD에 비해서, 그리드 픽셀 검출기는, 판독 회로의 많은 것을 통합하며 따라서 더 작고 더 콤팩트한 검출기 장치를 형성할 수 있고 검출기 공간 분해능을 향상시킬 수 있다는 장점을 갖는다. 그러나, 이 구조는 방전에 대해 특히 민감하다. 국소 방전 조차도 종래의 MPGD의 경우와 같이 단일 판독 채널만 초래하지 않을 것이다. 오히려, 방전은 칩 재료의 국소적 용융 또는 증발을 초래하거나 전자 회로의 파괴를 초래할 수 있으며 이는 전체 칩에 영향을 미치게 될 것이다. 칩이 검출기 구조물에 통합되기 때문에, 종종 전체 구조물이 교체될 필요가 있을 것이다.
그리드 픽셀 검출기의 칩을 방전으로부터 보호하기 위해서, I. Bilevych 등, Nucl. Instrum. Meth. A 629 (2011) 66-73에 기재되어 있듯이, 5 ㎛ 내지 25 ㎛의 고저항 층이 칩 상에 증착될 수 있다. 방전이 가스를 통해서 전파되면, 전하가 실리콘의 표면에 생성되고, 따라서 전기장을 국소적으로 감소시키며 전하를 시간과 위치 양자에서 확산시킨다. 그러나, 이 고저항 층 만으로는 큰 에너지와 높은 광도에서 마주치는 엄혹한 배경 환경에서 칩을 방전에 대해 보호하기에 충분하지 않을 수 있다.
판독 보드를 방전에 대해 효과적으로 보호할 수 있으며 그럼에도 불구하고 방전이 발생할 경우 저렴한 비용으로 쉽게 수리할 수 있는 검출기 장치가 요구된다.
이 목적은 청구항 1에 따른 검출기-판독 인터페이스에 의해 달성된다. 종속 청구항은 바람직한 실시예에 관한 것이다.
본 발명에 따른 사태 입자 검출기용 검출기-판독 인터페이스는 상기 사태 입자 검출기, 상기 가스 챔버의 하측에 형성되는 저항 층, 및 상기 저항 층 아래에 형성되는 유전체 층의 적어도 일부를 포함한다. 상기 검출기-판독 인터페이스는 상기 사태 입자 검출기용 판독 전자기기를 포함하는 판독 보드에 용량적으로 결합되도록 구성된다.
본 발명에 따른 검출기-판독 인터페이스는, 전자가 입사 이온화 방사선을 통해서 발생되고 증식되어 상기 가스 챔버 내에 전자 사태를 형성하는 검출기 코어와, 수집된 전하가 판독 전자기기에 의해 분석되는 판독 구조물 사이의 인터페이스이다. 이들 기능을 최신 그리드 픽셀 검출기에 통합하는 추세에 반하여, 본 발명자는 검출기 코어가 판독 평면으로부터 분리되는 모듈형 검출기 구조를 제공함으로써 방전에 대한 양호한 보호가 달성될 수 있음을 알았다. 이는 판독 전자기기 전부를 포함하는 판독 보드에 대한 용량성 결합을 가능하게 하는 저항 층 및 상기 저항 층 아래에 형성되는 유전체 층을 갖는 검출기-판독 인터페이스를 제공함으로써 달성될 수 있다.
용량성 결합을 이용한 검출기-판독 인터페이스는 판독 전자기기의 완전한 스파크 방지를 제공하며, 칩 상에 직접 형성되는 고저항 층 또는 추가 보호 회로에 의해 판독 칩을 보호할 필요성을 완전히 제거한다.
동시에, 본 발명에 따른 검출기-판독 인터페이스는, 검출기 코어에 영향을 주지 않으면서 검출기의 스위치 오프 없이도 판독 보드가 제거되거나 교체될 수 있는 모듈형 검출기 설계를 가능하게 한다. 한편, 이는 잘못되거나 손상된 판독 칩을 쉽고 저렴하게 또한 전체 검출기 구조물을 교체할 필요없이 교체할 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 모듈형 검출기 구조는, 검출기 요소 및 판독 보드를 다양한 용도에 적합한 다양한 상이한 설계로 제조할 수 있고 이들 성분을 자유롭게 조합할 수 있다는 장점을 갖는다. 따라서 사용자는 특정 용도에서 마주치는 방사선의 형태 및 에너지에 적합한 검출기 구조를 선택할 수 있으며, 자신의 요구에 맞는 판독 카드를 연속적으로 및 독립적으로 선택할 수 있다.
본 발명은 또한 데드 스페이스를 형성하지 않고 작은 공간에 판독 전자기기를 수용할 수 있으며, 따라서 검출기 크기를 감소시킬 수 있고 공간 분해능을 향상시킬 수 있다.
바람직한 실시예에서, 검출기-판독 인터페이스는 상기 판독 보드에 용량적으로만 결합되도록 구성된다.
바람직하게, 상기 검출기-판독 인터페이스 또는 검출기 코어는 상기 사태 입자 검출기용 판독 전자기기를 포함하지 않으며, 상기 판독 보드에 결합하기 위한 도전성 연결부를 포함하지 않는다.
바람직한 실시예에서, 상기 저항 층은 연속 층이며, 바람직하게는 하면 영역의 적어도 절반에 걸쳐서, 특히 상기 가스 챔버의 전체 하면 영역에 걸쳐서 연장된다. 이로 인해 특히 효과적인 방전 보호를 제공할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 저항 층은 상기 가스 챔버를 그 하측에서 제한한다.
바람직하게, 상기 저항 층 및/또는 상기 유전체 층은 상기 가스 챔버를 밀봉한다.
유전체 층은 또한 검출기 용기의 벽으로서의 역할도 겸할 수 있다.
그러므로, 상기 저항 층 및/또는 유전체 층은 검출기 용기의 효과적인 방전 보호 또는 벽을 제공할 뿐 아니라, 상기 사태 입자 검출기의 가스 챔버를 환경에 대해서 특히 상기 판독 보드에 대해서 밀봉할 수 있다. 밀봉된 검출기는 산업용 형광, 방사선, 또는 UV(자외선) 광검출과 같은 많은 산업 용도에서 요구된다.
바람직한 실시예에서, 상기 가스 챔버는 증폭 갭을 포함하며, 이는 상기 증폭 갭의 하측에서 상기 저항 층에 의해 제한될 수 있고, 상기 유전체 층의 두께(t2)와 상기 증폭 갭의 두께(t1)는
Figure pct00001
이도록 선택되며, ε1은 상기 증폭 갭의 가스 충전의 유전율을 지칭하고, ε2는 상기 유전체 층의 유전율을 지칭한다.
대안적으로, 상기 가스 챔버는 수집 갭을 포함할 수도 있으며, 이는 바람직하게 GEM 검출기의 수집 갭과 같은 상기 수집 갭의 하측에서 상기 저항 층에 의해 제한될 수 있고, 상기 유전체 층의 두께(t2)와 상기 수집 갭의 두께(t1)는
Figure pct00002
이도록 선택되며, ε1은 상기 수집 갭의 가스 충전의 유전율을 지칭하고, ε2는 상기 유전체 층의 유전율을 지칭한다.
이 관계는 검출기-판독 인터페이스와 상기 검출기-판독 인터페이스가 배치될 수 있는 판독 보드 사이의 효과적인 용량성 결합을 보장하며, 특히 증폭 갭/수집 갭에서 국한된 사건에 의해 촉발되는 유도 신호가 판독 보드 상에 충분하게 국한 유지되도록 보장한다. 유전체 층의 두께(t2)가 비율
Figure pct00003
에 비해서 너무 크면, 신호는 주로 유전체 층에서 측방향으로 확산될 것이다. 용량성 결합에 의해 판독 보드에 유도되는 신호는 약할 것이며, 또는 취약하게 국소화되어 검출기 성능 및 분해능 양자를 저하시킬 것이다.
본 발명자는
Figure pct00004
의 경우에 및 바람직하게는
Figure pct00005
의 경우에 양호한 결과가 얻어질 수 있음을 알아냈다.
유전체 층은 검출기 용기의 벽으로서의 역할도 겸할 수 있으며, 이 경우에는 바람직하게 상당한 두께로 유지되어야 한다. 바람직하게, t2≥ 10 ㎛이며, 특히 t2≥ 50 ㎛이다. 매우 양호한 결과는 75 ㎛ ≤ t2 ≤ 125 ㎛에서 달성될 수 있다.
t2가 비교적 크더라도, 상기 관계는 ε2가 충분히 높도록 유전체 층의 유전성 재료를 선택함으로써 충족될 수 있다. 바람직하게, 상기 유전체 층은 ε2≥ 10, 특히 ε2≥ 100의 유전율을 갖는다.
바람직한 실시예에서, 상기 유전체 층은 세라믹 및/또는 유기 복합재(예를 들면 유리 에폭시 복합재)를 포함한다.
저항 층의 특성은 마찬가지로 검출기-판독 인터페이스와 판독 보드 사이의 용량성 결합에 중요한 효과를 갖는다. 일반적으로, 상기 저항 층의 상면에 수직한 방향(Z)을 따르는 전하 수송에 대한 그 저항은 상기 저항 층의 상면에 평행한 방향을 따르는 전하 수송에 대한 저항과 다를 수 있다. 상면에 평행한 방향으로의 전하 수송에 대한 저항은 신호가 검출기 판독 인터페이스의 측방향으로 어떻게 전파되는지를 결정하며, 따라서 판독 보드의 픽셀 셀이 얼마나 많이 단일 사건에 의해 촉발되거나 영향을 받는지를 결정한다. 저항 층의 상면에 수직한 방향으로의 저항은 수직 방향으로의 신호 전파를 결정한다. Z 방향으로의 저항 및 Z에 수직한(저항 층의 상면에 평행한) 방향으로의 저항을 적절하게 조절함으로써 뿐만 아니라 그 비율을 조절함으로써, 판독 보드에 대한 결합 레벨 및 검출기 장치의 공간 분해능이 신중하게 제어될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 저항 층은 500 kΩ/sq 이상의 표면 저항을 갖는다. 1 MΩ/sq 이상의 표면 저항에서 특히 양호한 결과가 달성될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 저항 층은 100 GΩ/sq 이하, 바람직하게 100 MΩ/sq 이하의 표면 저항을 갖는다.
특히, 상기 표면 저항은 상기 저항 층의 상면에 평행한 방향으로의 전하 수송을 위한 표면 저항일 수 있다.
상기 저항 층은 사태 입자 검출기의 애노드로서 작용할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기 저항 층은 3 ㎛ 내지 50 ㎛ 범위, 바람직하게 5 ㎛ 내지 30 ㎛ 범위의 두께를 갖는다.
가스 검출기에 있어서 적절한 저항과 양호한 표면 품질의 저항 층을 찾는 것은 대개 어려운 일이다. 본 발명자는 산화 루테늄 및/또는 폴리머 저항을 포함하는 저항 층에 의해서 양호한 결과가 달성될 수 있음을 알아냈다.
본 발명은 마이크로메가스 검출기 및 GEM 검출기 양자를 구비하는, 상이한 형태 및 기능의 사태 입자 검출기에 있어서 효과적이다.
바람직한 실시예에서, 상기 검출기-판독 인터페이스는 상기 가스 챔버 내에 배치되는 제 1 및 제 2 평면 전극을 추가로 포함하며, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은 입사 입자에 의해 전자를 발생시키기 위한 변환 갭을 획정하고, 상기 제 2 전극은 구멍에 의해 천공되며, 상기 제 2 전극과 상기 저항 층은 사태 과정에서 전자를 증식시키기 위한 증폭 갭을 획정한다.
대안적으로, 상기 검출기-판독 인터페이스는 상기 가스 챔버 내에 배치되는 제 1 및 제 2 평면 전극을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 전극은 상기 제 2 전극과 상기 저항 층으로부터 이격되어 있고, 상기 제 1 전극은 그 대향 표면 측부에 제 1 및 제 2 금속 코팅 층을 갖는 절연체뿐 아니라 상기 제 1 전극을 통해서 연장되는 다수의 구멍을 포함한다. 상기 검출기-판독 인터페이스는 상기 코팅 층에 결합되는 편광 수단으로서, 상기 제 1 코팅 층을 제 1 전위로 상승시키고 상기 제 2 코팅 층을 상기 제 1 전위보다 높은 제 2 전위로 상승시키도록 구성된 편광 수단을 추가로 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 코팅 층에 적절한 전위가 가해지면, 상기 제 1 전극에 형성된 관통-구멍은 사태 입자 검출기의 증폭 갭으로서 작용할 수 있다. 상기 저항 층과 상기 제 1 전극 사이에는 수집 갭이 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 사태 입자 검출기로서, 전술한 특징의 일부 또는 전부를 갖는 검출기-판독 인터페이스뿐 아니라, 상기 사태 입자 검출기용 판독 전자기기를 구비하는 판독 보드를 포함하며, 상기 검출기-판독 인터페이스는 상기 판독 보드에 용량적으로 결합되는 사태 입자 검출기에 관한 것이다.
바람직하게, 상기 판독 보드는 픽셀 칩 또는 집적 칩을 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 검출기-판독 인터페이스는 상기 판독 보드 상에 배치되거나 및/또는 상기 판독 보드에 연결된다.
바람직하게, 상기 검출기-판독 인터페이스는 상기 판독 보드에 고정되지 않으며, 상기 판독 보드에 역전 가능하게 연결된다.
이 특징은, 적절한 검출기-판독 인터페이스 및 적절한 판독 보드가 적용 형태에 따라서 개별적으로 선택 또는 제조될 수 있고 이후 소정 특성을 갖는 검출기에 역전 가능하게 조합될 수 있는 모듈형 검출기 구조를 가능하게 한다. 동시에, 상기 검출기-판독 인터페이스에 역전 가능하게 연결된 판독 보드는 정비나 교체를 위해 쉽게 제거될 수 있다. 이것은 판독 패드 또는 판독 전자기기가 방전으로 인해 손상되는 경우에 전체 검출기 구조물이 교체되어야 하는 종래의 통합 그리드 픽셀 검출기에 비해서 결정적인 장점이다.
바람직한 실시예에서, 상기 검출기-판독 인터페이스 또는 검출기 코어는 상기 검출기-판독 인터페이스를 상기 판독 보드에 결합시키는 도전성 연결부를 포함하지 않는다.
바람직하게, 사태 입자 검출기는 상기 판독 보드 및/또는 상기 저항 층을 소정 전위로 상승시키도록 구성된 편광 수단을 추가로 포함한다.
본 발명에 따른 검출기-판독 인터페이스 및 사태 입자 검출기의 특징과 여러가지 장점은 첨부 도면의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 판독 보드로부터 분리되었을 때의, 본 발명에 따른 사태 입자 검출기용 검출기-판독 인터페이스의 측단면도이다.
도 2는 사태 입자 검출기를 형성하기 위해 판독 보드와 연결될 때의 동일한 검출기-판독 인터페이스의 대응 측단면도이다.
본 발명에 따른 검출기-판독 인터페이스는 이제 마이크로메가스 검출기의 특정 예에 대한 도 1 및 도 2를 참조하여 설명될 것이다. 이 검출기의 전반적인 설계 및 기능은 당업자에게 주지되어 있으며, 본 명세서에 원용되는 유럽 특허 제 EP 0 855 086 호, 유럽 특허 제 EP 0 872 874 호, 및 국제 공개 팜플랫 제 WO 00/30150 호에 더 자세히 기재되어 있다.
마이크로메가스 검출기는 평면(드리프트) 전극, 변환 및 드리프트 구역으로서 작용하는 수 밀리미터의 가스 갭, 및 증폭 갭(A)으로부터 변환 구역(C)을 분리시키는 홈 구멍(12)을 갖는 얇은 금속 메쉬 전극(10)을 포함하는 가스 챔버를 갖는다. 변환 갭의 하부, 증폭 갭(A), 및 필라(pillar)(14) 상에 지지되는 금속 메쉬(10)만 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도시의 용이함을 위해서, 드리프트 전극, 변환 구역(C)의 상부, 및 검출기 용기는 도 1 및 도 2에 도시하지 않았다. 이들 상세는 본 발명에 따른 검출기-판독 인터페이스에 필수적이지 않으며, 따라서 그 설명은 생략할 것이다.
메쉬(10), 관통 구멍(12), 필라(14) 및 증폭 갭(A)은 임의의 종래 제조 기술에 의해 형성될 수 있다. 특히, 유럽 특허 제 EP 2 317 538 A1 호에 기재된 바와 같이 반도체 리소그래피가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 검출기-판독 인터페이스는 그 하측에서 증폭 갭(A)을 제한하며, 검출기 용기의 바닥벽으로서의 역할도 겸한다. 이는 증폭 갭(A)의 전체 하면 영역에 걸쳐서 연속적으로 연장되는 저항 층(16)을 포함한다. 메쉬 전극(10)을 지지하는 필라(14)는 저항 층(16) 상에 형성된다. 검출기-판독 인터페이스는 그 위에 저항 층(16)이 형성되는 유전체 층(18)을 추가로 포함한다. 조합적으로, 저항 층(16) 및 유전체 층(18)은 검출기 장치를 기저 판독 보드(20)에 용량적으로 결합시키는 작용을 한다.
저항 층(16)은 대략 10 ㎛의 두께로 산화 루테늄(RuO2)으로 형성되며, 표준 스크린 프린팅 기술에 의해 제조될 수 있다. 저항 층(16)을 형성하기 위해 산화 루테늄 대신에 폴리머 레지스터가 사용될 수도 있다.
저항 층(16)의 표면 저항 또는 시트 저항(Rs)은 100 MΩ/sq(per square)로 선택될 수 있지만, 일반적인 범위는 1 MΩ/sq 내지 수백 MΩ/sq일 수 있으며, 유리에 대해서는 1 GΩ/sq보다도 클 수 있다.
높이(h), 길이(l) 및 폭(w)을 갖는 균일한 재료의 장방형 블록의 표면 저항 또는 시트 저항(Rs)은 일반적으로
Figure pct00006
에 의해 주어지며, 여기에서 ρ는 재료의 비저항이다. 기판의 길이(l)를 따르는 전하 수송에 대한 전체 저항(R)은
Figure pct00007
로서의 표면 저항(Rs)을 단위로 하여 제공된다. 이차 표면적(l = w)을 갖는 저항 층(16)에 있어서, 저항 층(16)의 상면에 평행한 방향으로의 전하 수송에 대한 저항(R)은 시트 저항(Rs)과 동일한 바, 즉 R = Rs이다. 표면 저항을 전체 저항으로부터 식별하기 위해서, 표면 저항은 대개 "Ohm per square(Ω/sq)" 단위로 측정된다.
저항 층(16)은, 저항 층(16)의 상면에 수직한 방향(Z)을 따르는 전하 수송에 대한 저항이 저항 층(16)의 상면에 평행한 방향을 따르는 전하 수송에 대한 저항과 다르도록 불균질할 수 있다. 방향(Z)을 따르는 전하 수송에 대한 저항 및 저항 층(16)의 표면 저항을 조절함으로써, 유도되는 전하가 저항 층(16)의 측방향을 따라서 확산될 수 있는 레벨이 결정될 수 있다.
그 위에 저항 층(16)이 형성되는 유전체 층(18)은 두께(t2 = 300 ㎛)에서의 세라믹 절연체이다. 유전체 층(18)은 검출기 용기용 벽으로서의 역할도 겸하며, 따라서 소요 견고성을 제공하기 위해 합리적 두께로 유지되어야 한다. 본 발명자들은 우수한 표면 품질을 갖는 세라믹 절연체(18) 및 소요 견고성을 제공하는 산화 루테늄 저항 층(16)이 특히 유용한 조합을 만드는 것을 알아냈다. 두께((t2 ≤ 2 ㎜)를 갖는 유전체 층에 대해서 양호한 결과가 얻어졌지만, 본 발명은 훨씬 더 큰 두께를 갖는 유전체 층에 대해서 마찬가지로 사용될 수 있다.
저항 층(16)에 대한 산화 루테늄과 유전체 층(18)에 대한 세라믹의 조합은 또한 우수한 가스방출 특성을 제공한다. 이로 인해 검출기는 양호한 진공에 도달하여 이를 유지시킬 수 있고, 검출기 용기를 환경에 대해 특히 판독 보드(20)에 대해 밀봉시킬 수 있다. 양호한 밀봉은 산업용 형광, 방사선, 및 UV 광검출과 같은 많은 상업 용도에서 필수적이다.
유전체 층(18)은 검출기-판독 인터페이스를 기저 판독 보드(20)에 용량적으로 결합시키도록 작용한다. 본 발명자들은 하기 조건에서 양호한 국소화 및 높은 공간 분해능이 달성될 수 있음을 알아냈으며,
Figure pct00008
여기에서 t1 및 t2는 증폭 갭(A) 및 유전체 층(18)의 두께를 각각 지칭하고, ε1 및 ε2는 증폭 갭(A) 내의 가스의 유전율 및 유전체 층(18)의 유전율을 각각 지칭한다. 바람직하게는 t2 ≤ 0.1×t1×ε2/ε1이고, 특히 바람직하게는 t2 ≤ 0.01×t1×ε2/ε1이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 실시예에서 t2 = 300 ㎛, t1 = 124 ㎛, ε1 = 10이다. 유전체 층(18)의 세라믹이 ε2가 50보다 크도록 선택되면, 상기 식 (1)이 충족되며, 효과적인 용량성 결합 및 양호한 공간 분해능이 달성될 수 있다.
일반적으로, 세라믹은 수백 내지 수천의 값에 달할 수 있는 큰 유전율을 제공할 수 있다. 이는 필요할 경우 식 (1)에 위배됨이 없이 두꺼운 유전체 층(18)을 선택할 가능성을 확장시킨다. 이로 인해 더 두껍고 따라서 더 견고한 검출기 벽을 형성할 수 있다.
유전체 층(18)의 두께(t2)가 크면, 유도된 신호는 측방향으로 멀리 확산될 것이다. 이는 기저 판독 보드(20)에서 더 큰 픽셀 칩의 사용을 가능하게 할 수 있으며, 이는 판독 보드(20)에 대한 수요를 감소시킬 수 있고 생산비를 상당히 낮출 수 있다.
유도된 신호가 측방향으로 널리 확산됨은 즉각적으로 분해능을 심하게 저하시키고 따라서 검출기 성능을 심하게 저하시킬 것 같다. 그러나, 이 효과는 패드 공유에 의해서, 또는 이웃하는 판독 패드에 유도되는 전하의 속도로부터 사건의 위치를 추정함으로써 무효화될 수 있다. 놀랍게도, 전하 확산에 의해 큰 영역에 걸쳐서 전하가 확산되면 여전히 검출기에 높은 공간 분해능을 제공할 수 있다. 이는 양호한 공간 분해능을 달성하기 위해 대개 작고 좁은 고밀도 애노드 판독 패드를 요구하는 종래의 마이크로메가스 검출기와 대조적이다.
판독 보드(20)는 M. Campbell 등, Nucl. Instrum. Meth. A540 (2005) 295-304에 기재된 "MEDIPIX" 칩과 같은 인쇄회로판 또는 픽셀 칩, 또는 유사한 집적 칩일 수 있다. 도 1은 판독 보드(20)로부터 분리될 때의 검출기-판독 인터페이스를 도시하며, 도 2는 동일한 구조지만 판독 보드(20)가 유전체 층(18)의 하면에 기계적으로 결합된 상태를 도시한다.
판독 보드(20)는 55 ㎛ ×55 ㎛의 256×256 픽셀의 정방형을 구비할 수 있으며, 정방형 픽셀의 각각은 데이터 분석을 위해서 그 각각의 사전-증폭기, 식별기 및 디지털 카운터에 연결될 수 있다. 따라서, 모든 판독 전자기기가 판독 보드(20)에 통합되며, 어떤 판독 전자기기도 검출기-판독 인터페이스 또는 검출기 코어 자체에 통합될 필요가 없다. 저항 층(16) 상에 수집되는 전하와 판독 보드(20) 상의 판독 픽셀 사이의 신호 전달은 유전체 층(18)을 통한 용량성 전하 결합에 의해서만 이루어진다. 검출기-판독 인터페이스와 판독 보드(20) 사이의 결합을 위한 도전성 연결부는 전혀 필요하지 않다.
이는 판독 보드(20)가 도 2에 도시된 검출기 구조를 형성하기 위해 유전체 층(18)의 하측에 역전 가능하게 결합될 수 있지만 수리 및 정비를 위해서는 도 1에 도시하듯이 쉽게 분리될 수 있는 모듈형 검출기 구조를 가능하게 한다. 연결시에, 메쉬(10) 내의 관통 구멍(12)은 간섭 패턴을 회피하기 위해 판독 보드(20)의 판독 픽셀 위에 정확히 배치되는 것이 바람직하다.
유전체 층(18)과 조합하여, 저항 층(16)은 판독 보드(20)의 완전한 스파크 방지를 제공한다. 판독 보드(20) 상에 형성되는 추가 고저항 층은 전혀 필요하지 않으며, 추가 보호 회로는 전혀 필요하지 않다. 이는 검출기 장치의 크기와 복잡성을 모두 감소시킬 수 있으며, 검출기 데드 스페이스를 제거한다.
작동 시에, 저항 층(16)은 마이크로메가스 검출기의 양극으로서 작용하도록 지면에 접속될 수 있다. 드리프트 전극을 제 1 전위로 상승시키고 메쉬 전극을 제 1 전위보다 높은 제 2 전위로 상승시키기 위해 편광 수단(도시되지 않음)은 드리프트 전극(도시되지 않음) 및 메쉬 전극(10)에 전기적으로 결합된다. 이들 전위는 메쉬(10)와 저항 층(16) 사이의 증폭 갭(A)에서 발생되는 전기장이 드리프트 전극과 메쉬 전극(10) 사이의 변환 갭(C)에서 발생되는 전기장보다 훨씬 더 강하도록 예를 들면 열 배 이상 강하도록 선택된다. 변환 갭(C)에서 발생되는 전기장은 통상 1 kV/cm에 달할 수 있으며, 증폭 갭(A)에서 발생되는 전기장은 50 kV/cm에서 선택될 수 있다.
이온화 입자가 마이크로메가스 검출기를 통과할 때, 이온화 입자는 변환 갭(C)에 위치하는 가스를 이온화시키며 통상적으로 그 갭에서 약 10개의 일차(primary) 전자를 생성한다. 일차 전자는 메쉬 전극(10)에 형성된 구멍(12)을 통해서 증폭 갭(A) 내로 끌어당겨진다. 메쉬(10)를 통한 교차는 증폭 갭(A)에 생성되는 전기장과 변환 갭(C)에 생성되는 전기장 사이의 높은 비율에 의해 촉진된다. 메쉬(10)를 통과한 후, 일차 전자는 증폭 갭에 존재하는 강력한 전기장에 의해 가속되며, 각각의 전자는 증폭 갭(A) 내부에 존재하는 가스 분자와 충돌할 때 이차 전자를 생성한다. 이차 전자의 각각은 이후 스스로 충돌 이온화에 의해 추가 전자를 생성할 수 있으며, 따라서 전자 사태가 증폭 갭(A) 내부에서 발생하고 저항 층 애노드(16)를 향해 끌어당겨진다.
애노드 층(16) 상에 수집되는 전자는 유전체 층(18)을 통한 용량성 결합에 의해 판독 보드(20)의 기저 픽셀에 대응 전하를 유도한다. 이들 전하는 픽셀을 규칙적인 간격으로 판독함으로써 검출될 수 있다. 이웃하는 픽셀에 유도되는 전하의 양과 비율의 분석은 높은 공간 분해능을 갖는 일차 전자와 연관된 사태의 위치를 추론할 수 있게 하며, 이로부터 입사 입자의 경로가 재구성될 수 있다.
본 발명자는 5 ㎝×5 ㎝의 소형 프로토타입을 갖는 본 발명에 따른 검출기-판독 인터페이스를 테스트하였으며, 105 이상의 가스 이득, 및 18% 반값 전폭의 6 keV 광자를 갖는 에너지 분해능을 발견하였다. 용량성 결합에 의해 유도되는 신호는 MEDIPIX 칩을 포함하는 판독 보드(20)에 의해 관측되었으며, 캐소드에 유도되는 것과 비교되었다. 예상했듯이, 신호는 유도 평면으로 완전히 전파되었으며, 손실은 무시할 정도였다. 동시에, 방전은 고도로 억제되었다.
전술한 실시예 및 첨부 도면은 본 발명에 따른 검출기-판독 인터페이스와 입자 검출기 및 그와 연관된 유익한 효과를 예시할 뿐이며, 어떤 제한을 가하는 것으로 이해되지 않아야 한다. 본 발명의 범위는 하기 청구범위에 의해서만 결정된다.
10 : 메쉬(전극) 12 : 메쉬 전극(10) 내의 관통-구멍
14 : 필라 16 : 저항 층
18 : 유전체 층 20 : 판독 보드

Claims (14)

  1. 사태 입자 검출기용 검출기-판독 인터페이스이며,
    상기 사태 입자 검출기의 가스 챔버로서, 증폭 갭(A) 또는 수집 갭을 갖는 가스 챔버;
    상기 가스 챔버의 하측에 형성되는 저항 층(16); 및
    상기 저항 층(16) 아래에 형성되는 유전체 층(18)을 포함하고,
    상기 검출기-판독 인터페이스는 상기 사태 입자 검출기용 판독 전자기기를 포함하는 판독 보드(20)에 용량적으로 결합되도록 구성되는, 검출기-판독 인터페이스에 있어서,
    상기 유전체 층(18)의 두께(t2) 및 상기 증폭 갭(A) 또는 수집 갭의 두께(t1)는 각각 t2 < t1ε2/ε1이도록 선택되며, 여기에서 ε1은 상기 증폭 갭(A) 또는 수집 갭 각각의 가스 충전의 유전율을 지칭하고, ε2는 상기 유전체 층(18)의 유전율을 지칭하는 것을 특징으로 하는
    검출기-판독 인터페이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출기-판독 인터페이스는 상기 사태 입자 검출기용 판독 전자기기를 포함하지 않으며, 상기 판독 보드(20)에 결합하기 위한 도전성 연결부를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는
    검출기-판독 인터페이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 저항 층(16)은 연속 층이며, 바람직하게는 상기 가스 챔버의 전체 하면 영역에 걸쳐서 연장되는 것을 특징으로 하는
    검출기-판독 인터페이스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저항 층(16) 및/또는 상기 유전체 층(18)은 상기 가스 챔버를 밀봉하는 것을 특징으로 하는
    검출기-판독 인터페이스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    t2 ≤ 0.2 t1ε2/ε1, 바람직하게 t2 ≤ 0.1 t1ε2/ε1인 것을 특징으로 하는
    검출기-판독 인터페이스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 층(18)은 ε2 ≥ 10, 바람직하게 ε2 ≥ 100의 유전율을 갖는 것을 특징으로 하는
    검출기-판독 인터페이스.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 층(18)은 t2 ≥10 ㎛, 바람직하게 t2 ≥ 50 ㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는
    검출기-판독 인터페이스.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저항 층(16)은 3 ㎛ 내지 50 ㎛ 범위, 바람직하게 5 ㎛ 내지 30 ㎛ 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는
    검출기-판독 인터페이스.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 챔버 내에 배치되는 제 1 및 제 2 평면 전극(10)을 추가로 포함하며,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극(10)은 입사 입자에 의해 전자를 발생시키기 위한 변환 갭(C)을 획정하고,
    상기 제 2 전극(10)은 구멍(12)에 의해 천공되며,
    상기 제 2 전극(10)과 상기 저항 층(16)은 사태 과정에서 전자를 증식시키기 위한 상기 증폭 갭(A)을 획정하는 것을 특징으로 하는
    검출기-판독 인터페이스.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 챔버 내에 배치되는 제 1 및 제 2 평면 전극으로서, 상기 제 1 전극은 상기 제 2 전극과 상기 저항 층으로부터 이격되어 있고, 상기 제 1 전극은 그 대향 표면 측부에 제 1 및 제 2 금속 코팅 층을 갖는 절연체, 및 상기 제 1 전극을 통해서 연장되는 다수의 구멍을 포함하는, 제 1 및 제 2 평면 전극과,
    상기 코팅 층에 결합되는 편광 수단으로서, 상기 제 1 코팅 층을 제 1 전위로 상승시키고 상기 제 2 코팅 층을 상기 제 1 전위보다 높은 제 2 전위로 상승시키도록 구성된 편광 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는
    검출기-판독 인터페이스.
  11. 사태 입자 검출기에 있어서,
    제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 검출기-판독 인터페이스; 및
    상기 사태 입자 검출기용 판독 전자기기를 구비하는 판독 보드(20)를 포함하며,
    상기 검출기-판독 인터페이스는 상기 판독 보드에 용량적으로 결합되는 것을 특징으로 하는
    사태 입자 검출기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 판독 보드(20)는 픽셀 칩 또는 집적 칩을 포함하는 것을 특징으로 하는
    사태 입자 검출기.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 검출기-판독 인터페이스는 상기 판독 보드(20)에 역전 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는
    사태 입자 검출기.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기-판독 인터페이스는 상기 검출기-판독 인터페이스를 상기 판독 보드(20)에 결합시키는 도전성 연결부를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는
    사태 입자 검출기.
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