RU135425U1

RU135425U1 - GAS ELECTRONIC MULTIPLIER

Info

Publication number: RU135425U1
Application number: RU2013133470/28U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Петрович Кащук; Сергей Михайлович Козлов; Ольга Васильевна Левицкая; Валерий Анатольевич Соловей
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2013-12-10

Abstract

Газовый электронный умножитель (ГЭУ) в многокаскадном включении, каскады которого соединены в одно целое в виде многослойной печатной платы, причем первый газовый электронный умножитель имеет общий электрод со вторым газовым электронным умножителем, а второй газовый электронный умножитель имеет общий электрод с третьим газовым электронным умножителем, а считывание усиленного сигнала производится с нижней поверхности многослойной печатной платы, отличающийся тем, что в состав многослойной печатной платы введены экранирующие электроды в количестве не менее одного, выполненные в виде дополнительных слоев печатной платы, расположенные после ГЭУ и имеющие сквозные отверстия, которые совпадают с отверстиями ГЭУ, причем каждый экранирующий электрод имеет диэлектрический ободок вокруг отверстий и в рабочем режиме заземлен при помощи блокирующих конденсаторов.A gas electron multiplier (GEM) in multi-stage switching, the cascades of which are connected as a multilayer printed circuit board, the first gas electron multiplier having a common electrode with a second gas electron multiplier, and the second gas electron multiplier having a common electrode with a third gas electron multiplier, and the amplified signal is read from the bottom surface of the multilayer printed circuit board, characterized in that shielding electrodes are introduced into the multilayer printed circuit board s in an amount of at least one, made in the form of additional layers of the PCB disposed after GEU and having through holes which are aligned with the holes GEMs, wherein each shield electrode has a dielectric rim around the holes and is grounded in operation using blocking capacitors.

Description

Полезная модель относится к устройствам для детектирования заряженных частиц и ионизирующих излучений и может применяться в различных областях ядерной физики и прикладных исследованиях. Газовый электронный умножитель (ГЭУ) или Gas Electron Multiplier (GEM) относится к главным элементам газовых детекторов. Детектор на основе ГЭУ содержит три узла: катод с катодным (рабочим) зазором, усилительные каскады ГЭУ и анод с анодным (индукционным) зазором. Как следует из названия, в ГЭУ происходит лавинное умножение электронов, первоначально образованных в рабочем зазоре. Первичные электроны дрейфуют к отверстиям ГЭУ, ускоряются под воздействием образованных в отверстиях электрических диполей до энергии, при которой возможна вторичная ионизация. В результате лавинного процесса умножения на выходе ГЭУ создается заряд, достаточный для регистрации его в анодном зазоре.The utility model relates to devices for detecting charged particles and ionizing radiation and can be used in various fields of nuclear physics and applied research. Gas electron multiplier (GEM) or Gas Electron Multiplier (GEM) refers to the main elements of gas detectors. A GEM-based detector contains three nodes: a cathode with a cathode (working) gap, amplification stages of a GEM and an anode with an anode (induction) gap. As the name implies, an avalanche multiplication of electrons originally formed in the working gap occurs in a GEM. Primary electrons drift to the openings of the GEM, accelerate under the influence of electric dipoles formed in the openings to the energy at which secondary ionization is possible. As a result of the avalanche process of multiplication, a sufficient charge is created at the output of the GEM to register it in the anode gap.

Впервые ГЭУ описан F. Sauli, "GEM: a new concept for electron amplification in gas" Nuclear Instruments and Methods, A 386, p. 531-534, 1997 и патенте F. Sauli "Radiation detector of very high performance" US 006011265 A Jan. 4 2000 [1, 2]. Конструктивно ГЭУ представляет собой тонкую, гибкую диэлектрическую пластинку, выполненную как правило из каптона - полиимидной пленки, покрытой с двух сторон медной фольгой и в которой проделано множество сквозных отверстий. ГЭУ из металлизированного с двух сторон каптона изготавливается методом фотолитографии и химического травления как металла, так и диэлектрика. Для увеличения коэффициента усиления применяют многокаскадное включение ГЭУ. Каскады создаются путем размещения пленок ГЭУ на определенном расстоянии друг от друга. Эти зазоры называются транспортными, в которых нет размножения. Электроны с выхода первого каскада попадают в отверстия следующего каскада, где также лавинно умножаются и т.д. (таких каскадов в детекторе может быть несколько). Заряды образованных в результате лавинной ионизации электронной и ионной компонент равны по абсолютной величине, но дрейфуют в электрическом поле с существенно разными скоростями в противоположных направлениях, проходят до нейтрализации разные длины и на окружающих металлических элементах индуцируют импульсы. Так, на аноде возникают импульсы отрицательной полярности, а на электродах последнего каскада ГЭУ - положительной полярности. Эти импульсы содержат электронную (быструю) и ионную (медленную) компоненты одинаковой полярности, т.к. противоположные заряды движутся в противоположные стороны. Ионная компонента, быдучи медленной, создает "хвост" у наведенного импульса.The GEM was first described by F. Sauli, "GEM: a new concept for electron amplification in gas" Nuclear Instruments and Methods, A 386, p. 531-534, 1997 and the patent F. Sauli "Radiation detector of very high performance" US 006011265 A Jan. 4 2000 [1, 2]. Structurally, a GEM is a thin, flexible dielectric plate, usually made of kapton - a polyimide film coated on both sides with copper foil and in which many through holes have been made. A GEM from a kapton metallized on both sides is made by photolithography and chemical etching of both metal and dielectric. To increase the gain, multi-stage switching of the GEM is used. Cascades are created by placing GEM films at a certain distance from each other. These gaps are called transport gaps, in which there is no reproduction. Electrons from the output of the first cascade fall into the holes of the next cascade, where they also multiply avalanche, etc. (there can be several such cascades in the detector). The charges of the electronic and ionic components formed as a result of avalanche ionization are equal in absolute value, but they drift in an electric field with substantially different speeds in opposite directions, pass different lengths before neutralization and induce pulses on the surrounding metal elements. So, pulses of negative polarity appear on the anode, and positive polarity on the electrodes of the last GEM cascade. These pulses contain electronic (fast) and ionic (slow) components of the same polarity, because opposite charges move in opposite directions. The ionic component, being slow, creates a “tail” at the induced pulse.

Преимуществом "тонких" ГЭУ с толщиной каптона порядка 50 микрон, с отверстиями диаметром 50 микрон и шагом отверстий 150 микрон (типовые размеры) является то, что ионная компонента значительно меньше, чем в так называемых "толстых" ГЭУ (THGEM - thick GEM) с отверстиями в 5-20 раз большими, описанных A. Breskin et al. "A concise review on THGEM detectors", Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009) 107 [arXiv:0807.2026] [3]. Здесь ткже возможно многокаскадное включение ГЭУ. Каскады также отделяются друг от друга транспортными зазорами. Существенным преимуществом толстых ГЭУ над тонкими является простота и относительно низкая стоимость их изготовления в электронной промышленности, производящей печатные платы.The advantage of “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) is that the ionic component is much smaller than in the so-called “thick” GEMs (THGEM - thick GEM) with holes 5-20 times larger described by A. Breskin et al. "A concise review on THGEM detectors", Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009) 107 [arXiv: 0807.2026] [3]. Here, it is also possible multi-stage inclusion of power plants. Cascades are also separated from each other by transport gaps. A significant advantage of thick GEMs over thin ones is the simplicity and relatively low cost of their manufacture in the electronic industry that produces printed circuit boards.

Прототипом заявляемого устройства является устройство, в котором каскады ГЭУ соединены в одно целое в виде многослойной печатной платы без транспортных зазоров, причем первый ГЭУ имеет общий электрод со вторым ГЭУ, а второй - имеет общий электрод с третьим ГЭУ, описанное В.В. Скворцовым "Многослойный газовый электронный умножитель", патент RU 2383035 С1 [4]. Считывание усиленного сигнала происходит с нижнего слоя последнего в каскаде ГЭУ, который может служить считывающим электродом, т.е. здесь индуцируется сигнал такой же по амплитуде, какой мог бы образоваться на аноде.A prototype of the claimed device is a device in which the cascades of power plants are connected as a multilayer printed circuit board without transport gaps, the first power plant having a common electrode with the second power unit, and the second one having a common electrode with the third power unit described by V.V. Skvortsov "Multilayer gas electron multiplier", patent RU 2383035 C1 [4]. The amplified signal is read from the lower layer of the latter in the GEM cascade, which can serve as a read electrode, i.e. here, a signal of the same amplitude is induced as could be formed on the anode.

Недостатком известного технического решения является наличие в сигнале значительной ионной компоненты (т.е. хвоста), обусловленной индукционным воздействием на считывающий электрод положительного заряда, образованного на выходе последнего каскада ГЭУ. Эта компонента в 10-100 раз в зависимости от диаметра отверстий увеличивает длительность выходного импульса и мертвое время канала регистрации, при этом длительность ионного хвоста в выходном сигнале тем больше, чем больше диаметр отверстий ГЭУ: 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 disadvantage of the known technical solution is the presence of a significant ionic component (i.e., tail) in the signal due to the induction action on the read electrode of a positive charge formed at the output of the last GES cascade. This component increases the duration of the output pulse and the dead time of the recording channel by a factor of 10-100, depending on the diameter of the holes, while the length of the ion tail in the output signal is greater, the larger the diameter of the holes of the GEM: 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. [5].

Задачей данного изобретения является устранение ионного хвоста в наведенном выходном сигнале, что уменьшает мертвое время канала регистрации ионизирующего излучения и повышает быстродействие устройства.The objective of the invention is to eliminate the ion tail in the induced output signal, which reduces the dead time of the channel for recording ionizing radiation and improves the speed of the device.

Поставленная цель достигается тем, что в известном газовом электронном умножителе в многокаскадном включении, выполненном как одно целое в виде многослойной печатной платы, причем первый газовый электронный умножитель имеет общий электрод со вторым газовым электронным умножителем, а второй газовый электронный умножитель имеет общий электрод с третьим газовым электронным умножителем, а считывание сигналов производится с нижней поверхности многослойной печатной платы, новым является то, что в состав многослойной печатной платы введены экранирующие электроды (не менее одного), которые выполнены в виде дополнительных слоев печатной платы, имеют также сквозные отверстия, совпадающие с отверстиями ГЭУ, причем каждый экранирующий электрод имеет диэлектрический ободок вокруг отверстий и заземляется в рабочем режиме при помощи блокирующих конденсаторов. Количество экранирующих электродов определяет эффективность подавления ионного хвоста.This goal is achieved by the fact that in the well-known gas electron multiplier in a multi-stage inclusion, made as a whole in the form of a multilayer printed circuit board, the first gas electron multiplier has a common electrode with a second gas electron multiplier, and the second gas electron multiplier has a common electrode with a third gas electronic multiplier, and the readout of signals is carried out from the bottom surface of the multilayer printed circuit board, new is that the composition of the multilayer printed circuit board introduced The shielding electrodes (at least one), which are made in the form of additional layers of the printed circuit board, also have through holes matching the holes of the power unit, each shielding electrode having a dielectric rim around the holes and is grounded in operation using blocking capacitors. The number of shielding electrodes determines the efficiency of ion-tail suppression.

Описание устройства.Description of the device.

На фигуре 1 изображен многослойный газовый электронный умножитель (ГЭУ), где блок 1 - усилитиельный блок, содержащий несколько каскадов ГЭУ, выполненный в виде многослойной печатной плты, блок 2 - дополнительные слои многослойной печатной платы, выполняющие функцию экранирующих электродов; 3 - сквозные отверстия многослойной структуры; 4 - пунктирной линией показано, что экранирующие электроды не имеют выхода в отверстия благодаря тому, что металл электродов вытравливается больше (например, на 100 мкм), и образованный таким образом зазор заплывет эпоксидной смолой при склеивании многослойной печатной платы; 5 - считывающий электрод, который может быть выполнен в виде токопроводящих полосок (стрипов) на нижней стороне многослойной печатной платы, причем стрипы расположены между сквозными отверстиями структуры, а для минимизации электрической емкости ширина стрипов должна выбираться предельно узкой; 6 - напрвление дрейфа электронов; 7 - направление дрейфа положительных ионов.The figure 1 shows a multilayer gas electronic multiplier (GEM), where block 1 is an amplifying block containing several cascades of GEMs made in the form of a multilayer printed circuit board, block 2 is additional layers of a multilayer printed circuit board that perform the function of shielding electrodes; 3 - through holes of the multilayer structure; 4 - the dashed line shows that the shielding electrodes do not have openings due to the fact that the metal of the electrodes is etched more (for example, by 100 μm), and the gap thus formed will be flooded with epoxy when gluing a multilayer printed circuit board; 5 - a reading electrode, which can be made in the form of conductive strips (strips) on the underside of a multilayer printed circuit board, with strips located between the through holes of the structure, and to minimize the electrical capacitance, the width of the strips should be selected extremely narrow; 6 - direction of electron drift; 7 - direction of drift of positive ions.

На фигуре 2 показаны сквозные отверстия 3 структуры, причем токопроводящий слой первого ГЭУ (верхнего на фиг. 1) может иметь ободок 8, а экранирующие электроды обязательно должны иметь ободок 8. В первом случае уменьшается вероятность электрического пробоя, а во втором - исключается потеря электронов, дрейфующих в отверстиях, на экранирующие электроды.Figure 2 shows the through holes 3 of the structure, and the conductive layer of the first GEM (the upper one in Fig. 1) may have a rim 8, and the shielding electrodes must necessarily have a rim 8. In the first case, the probability of electrical breakdown is reduced, and in the second, electron loss is eliminated drifting in holes on shielding electrodes.

Устройство работает следующим образом. На все электроды блоков 1 и 2 прикладываются напряжения, величина которых выбирается таким образом, чтобы напряженность электрического поля в отверстиях ГЭУ была достаточной для ускорения электронов до энергии, при которой возникает лавинное умножение за счет вторичной ионизации, и чтобы на выходе последнего каскада ГЭУ возник заряд, который может быть зарегистрирован. Поскольку возникнет два равных по абсолютной величине заряда - отрицательный заряд электронов и положительный заряд ионов, причем максимальный по величине заряд возникнет на выходе блока 1, то оба заряда при движении в противоположных направлениях (см. фиг. 1) будут индуцировать сигнал одной полярности. Этот сигнал будет содержать две компоненты: быструю электронную компоненту и ионный хвост. Если заземлить экранирующие электроды при помощи блокирующих конденсаторов, а в отверстиях блока 2 создать электрическое поле, недостаточное для развития лавины (транспортное поле), то образованный заряд электронов полностью соберется на считывающем электроде 6, в то время, как индукционное воздействие на электрод 6 положительного заряда будет экранировано. Таким образом, будет подавлен или исключен ионный хвост в выходном сигнале. Неэффективность экранирования зависит от количества экранирующих электродов и от диаметра ободка.The device operates as follows. Voltages are applied to all the electrodes of blocks 1 and 2, the magnitude of which is chosen so that the electric field strength in the holes of the GEM is sufficient to accelerate the electrons to energy at which an avalanche multiplication due to secondary ionization occurs, and that a charge appears at the output of the last GEM stage which can be registered. Since there will be two charge equal in absolute value - a negative charge of electrons and a positive charge of ions, and the maximum charge will occur at the output of block 1, then both charges when moving in opposite directions (see Fig. 1) will induce a signal of the same polarity. This signal will contain two components: a fast electronic component and an ion tail. If the shielding electrodes are grounded using blocking capacitors, and an electric field insufficient for the development of an avalanche (transport field) is created in the holes of block 2, then the generated electron charge will be completely collected on the reading electrode 6, while the induction action on the electrode 6 is a positive charge will be shielded. Thus, the ion tail in the output signal will be suppressed or eliminated. Shielding inefficiency depends on the number of shielding electrodes and the rim diameter.

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].

4. B.B. Скворцов, патент RU 2383035 C1 "Многослойный газовый электронный умножитель" - прототип4. 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

A gas electron multiplier (GEM) in multi-stage switching, the cascades of which are connected as a multilayer printed circuit board, the first gas electron multiplier having a common electrode with a second gas electron multiplier, and the second gas electron multiplier having a common electrode with a third gas electron multiplier, and the amplified signal is read from the bottom surface of the multilayer printed circuit board, characterized in that shielding electrodes are introduced into the multilayer printed circuit board s in an amount of at least one, made in the form of additional layers of the PCB disposed after GEU and having through holes which are aligned with the holes GEMs, wherein each shield electrode has a dielectric rim around the holes and is grounded in operation using blocking capacitors.