RU208297U1

RU208297U1 - Wire gas-filled electron multiplier

Info

Publication number: RU208297U1
Application number: RU2021123379U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Петрович Кащук; Ольга Васильевна Левицкая; Вадим Геннадьевич Баев; Сергей Александрович Мовчан
Priority date: 2021-08-04
Filing date: 2021-08-04
Publication date: 2021-12-13

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для детектирования заряженных частиц и ионизирующих излучений и может применяться во многих областях экспериментальной физики и прикладных исследованиях. Проволочный газонаполненный электронный умножитель (ГЭУ), размещенный в герметичном корпусе, содержит проволочный катод, анод и элементы считывания координатной информации. Анод выполнен резистивным в виде двух слоев пленки из алмазоподобного углерода (АПУ), при этом первый слой обращен к катоду, а второй - к источнику напряжения, резистивные слои нанесены соответственно на первую и вторую печатные проводящие решетки, смещенные друг относительно друга на полшага, электрически соединенные между собой переходными металлизированными отверстиями, интегрированные в структуру общей с элементами считывания многослойной печатной платы и расположенные на наружных сторонах платы. Технический результат заключается в повышении надежности устройства на большой площади. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.The utility model relates to devices for detecting charged particles and ionizing radiation and can be used in many areas of experimental physics and applied research. A wire gas-filled electron multiplier (GEM) placed in a sealed housing contains a wire cathode, an anode, and elements for reading coordinate information. The anode is made resistive in the form of two layers of a diamond-like carbon (DLC) film, while the first layer is facing the cathode, and the second is facing the voltage source, the resistive layers are deposited respectively on the first and second printed conductive gratings, displaced relative to each other by half a step, electrically interconnected by metalized vias, integrated into the structure of a multilayer printed circuit board common with reading elements and located on the outer sides of the board. The technical result consists in increasing the reliability of the device over a large area. 3 w.p. f-ly, 6 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам для детектирования заряженных частиц и ионизирующих излучений и может применяться во многих областях экспериментальной физики и прикладных исследованиях.The utility model relates to devices for detecting charged particles and ionizing radiation and can be applied in many areas of experimental physics and applied research.

Проволочный газонаполненный электронный умножитель (ГЭУ) является ключевым элементом детектора ионизирующих излучений. Детектор на основе ГЭУ образуется добавлением дрейфового электрода и конверсионного зазора, в котором возникает первичный заряд. Умножение первичного заряда в ГЭУ происходит в результате лавинного рождения электрон-ионных пар в зазоре умножения, расположенном между катодом и анодом ГЭУ.A wire gas-filled electron multiplier (GEM) is a key element of an ionizing radiation detector. A GEM-based detector is formed by adding a drift electrode and a conversion gap, in which a primary charge arises. The multiplication of the primary charge in the GEM occurs as a result of the avalanche production of electron-ion pairs in the multiplication gap located between the cathode and the anode of the GEM.

Известны различные технические решения с лавинным умножением первичного заряда электронов в газе. В работе [1] (F. Sauli,GEM: a new concept for electron amplification in gas // Nuclear Instruments and Methods, A386 (1997), p. 531) и патенте [2] (F. Sauli, Radiation detector of very high performance // US 006011265 A) описано устройство ГЭУ, в котором умножение электронов происходит в отверстиях с высокой напряженностью электрического поля. Конструктивно этот ГЭУ содержит катод и анод, которые выполнены из медной фольги, нанесенной на гибкую полиимидную пленку (каптон) толщиной 50 микрон, в которой проделано множество сквозных отверстий диаметром 50 мкм с шагом 140 мкм. ГЭУ этой конструкции изготавливаются методом фотолитографии и химического травления как металла, так и каптона. Планарность зазора умножения «катод-анод» обеспечивается толщиной каптона.There are various technical solutions with avalanche multiplication of the primary charge of electrons in a gas. In work [1] (F. Sauli, GEM: a new concept for electron amplification in gas // Nuclear Instruments and Methods, A386 (1997), p. 531) and patent [2] (F. Sauli, Radiation detector of very high performance // US 006011265 A) describes a GEM device in which electron multiplication occurs in holes with a high electric field strength. Structurally, this GEM contains a cathode and an anode, which are made of copper foil deposited on a flexible polyimide film (kapton) 50 microns thick, in which many through holes with a diameter of 50 microns are made with a pitch of 140 microns. GEMs of this design are made by photolithography and chemical etching of both metal and kapton. The planarity of the "cathode-anode" multiplication gap is ensured by the Kapton thickness.

Однако при таком техническом решении возникает нестабильность коэффициента газового умножения из-за накопления зарядов на каптоне - стенках отверстий, которое изменяет начальную напряженность электрического поля.However, with such a technical solution, instability of the gas multiplication coefficient arises due to the accumulation of charges on the Kapton - the walls of the holes, which changes the initial strength of the electric field.

Недостатками устройства также являются низкая надежность, что обусловлено большой межэлектродной емкостью, которая в случае электрического пробоя в газе разряжается на плазму в отверстии и может вывести прибор из строя.The disadvantages of the device are also low reliability, which is due to the large interelectrode capacity, which, in the event of an electrical breakdown in the gas, is discharged into plasma in the hole and can disable the device.

Известна конструкция проволочного ГЭУ, представленная в [3] (B. Ovchinnikov, et al. A Multichannel Wire Gas Electron Multiplier // Instrum. and Experimental Techniques, 2010, V. 53, №5, 653-656; arXiv: 1003.1240) и патенте [4] на изобретение RU 2417384 C1.The known design of a wire power plant, presented in [3] (B. Ovchinnikov, et al. A Multichannel Wire Gas Electron Multiplier // Instrum. And Experimental Techniques, 2010, V. 53, No. 5, 653-656; arXiv: 1003.1240) and patent [4] for the invention RU 2417384 C1.

В отличие от [1] здесь устранен диэлектрик и повышена стабильность коэффициента газового умножения. Группами проволочек диаметром 100 мкм с намоткой во взаимно ортогональных направлениях созданы "окна" 0.5×0.5 мм наподобие отверстий с высокой напряженностью электрического поля, где происходит лавинное умножение первичного заряда. Первая группа проволочек выполняет функцию катода ГЭУ, а вторая - анода ГЭУ. Вторичный заряд из зазора умножения катод-анод транспортируется в индукционный зазор к считывающему электроду, как в [1]. Движение электронов в индукционном зазоре наводит сигналы на элементах считывающего электрода.In contrast to [1], here the dielectric is eliminated and the stability of the gas multiplication coefficient is increased. Groups of wires 100 µm in diameter with winding in mutually orthogonal directions created "windows" of 0.5 × 0.5 mm, like holes with a high electric field strength, where an avalanche multiplication of the primary charge occurs. The first group of wires serves as the cathode of the power plant, and the second - the anode of the power plant. The secondary charge from the cathode-anode multiplication gap is transported into the induction gap to the readout electrode, as in [1]. The movement of electrons in the induction gap induces signals on the elements of the readout electrode.

Недостатком рассматриваемой конструкции ГЭУ является сложность выполнения межэлектродной планарности, отклонение от нее может приводить к электрическим пробоям, что снижает надежность.The disadvantage of the considered GEM design is the complexity of the interelectrode planarity, deviation from it can lead to electrical breakdowns, which reduces reliability.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является проволочный ГЭУ [5] (М.Д. Шафранов, Т.П. Топурия. Координатный детектор высокого пространственного разрешения на основе многопроволочного газового электронного умножителя // Письма в ЭЧАЯ, 2001, №2, 105), который состоит из проволочных электродов - катода и анода, между которыми образован зазор умножения в виде «щели», т.к. проволочки расположены параллельно друг другу. Здесь, как в [1] и [2], за анодом ГЭУ следует индукционный зазор с элементами считывания координатной информации, например, стрипами.The closest to the proposed technical solution is a wire GEM [5] (MD Shafranov, TP Topuria. Coordinate detector of high spatial resolution based on a multiwire gas electron multiplier // Letters to ECHAYA, 2001, No. 2, 105), which consists of wire electrodes - cathode and anode, between which a multiplication gap is formed in the form of a "gap", since the wires are parallel to each other. Here, as in [1] and [2], the anode of the GEM is followed by an induction gap with elements for reading coordinate information, for example, strips.

В такой конструкции сложно обеспечить на большой площади планарность электродов. В частности, при действии электрических сил катодные и анодные проволочки притягиваются друг к другу. При нарушении планарности могут возникать электрические пробои, и тонкая проволочка либо катода, либо анода диаметром 30 мкм может оборваться, что снижает надежность.In such a design, it is difficult to ensure the planarity of the electrodes over a large area. In particular, under the action of electric forces, the cathode and anode wires are attracted to each other. If the planarity is violated, electrical breakdowns can occur, and a thin wire of either the cathode or anode with a diameter of 30 μm can break, which reduces reliability.

В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования проволочного ГЭУ, в котором за счет конструктивных особенностей обеспечивается повышение надежности устройства на большой площади (например 1 метр).The utility model is based on the task of improving the wire power plant, in which, due to design features, the reliability of the device is increased over a large area (for example, 1 meter).

Поставленная задача решается тем, что в проволочном ГЭУ, размещенном в герметичном корпусе, содержащем проволочный катод, анод и элементы считывания координатной информации, согласно полезной модели, анод выполнен резистивным в виде двух слоев пленки из алмазоподобного углерода (АПУ), при этом первый слой обращен к катоду, а второй - к источнику напряжения, резистивные слои нанесены соответственно на первую и вторую печатные проводящие решетки, смещенные друг относительно друга на полшага, электрически соединенные между собой переходными металлизированными отверстиями, интегрированные в структуру общей с элементами считывания многослойной печатной платы и расположенные на наружных сторонах платы.The problem posed is solved by the fact that in a wire GEM located in a sealed housing containing a wire cathode, an anode and elements for reading coordinate information, according to the utility model, the anode is made resistive in the form of two layers of a film of diamond-like carbon (DLC), with the first layer facing to the cathode, and the second to the voltage source, resistive layers are applied, respectively, on the first and second printed conducting grids, offset from each other by half a step, electrically connected to each other by metallized vias, integrated into the structure common with the reading elements of the multilayer printed circuit board and located on the outer sides of the board.

Целесообразно выполнение резистивных слоев из АПУ, толщиной порядка 0.1 микрона с поверхностным сопротивлением порядка 20 МОм/квадрат. Два слоя позволяют уравновесить силы, вызванные внутренними напряжениями, возникающими при вакуумном напылении АПУ на поверхность подложки, и устранить коробление платы-подложки, на которые нанесен АПУ.It is advisable to make resistive layers from APU, with a thickness of about 0.1 micron with a surface resistance of about 20 megohms / square. Two layers make it possible to balance the forces caused by internal stresses arising during the vacuum deposition of the APU on the surface of the substrate, and to eliminate warpage of the substrate board on which the APU is applied.

Предпочтительно между катодом и анодом установить поддерживающие элементы-спейсеры из диэлектрика - фоторезиста в виде гребней, например, шириной 300 микрон с шагом 10 мм, направленных под углом 45 градусов к проволочкам, при этих численных значениях площадь, занимаемая спейсерами, составит не более 5% от общей площади электродов.It is preferable to install between the cathode and the anode supporting elements-spacers made of dielectric - photoresist in the form of ridges, for example, 300 microns wide with a pitch of 10 mm, directed at an angle of 45 degrees to the wires, with these numerical values the area occupied by the spacers will be no more than 5% from the total area of the electrodes.

Важно АПУ нанести поверх печатных проводящих решеток, смещенных на пол шага друг относительно друга, электрически соединенных между собой переходными металлизированными отверстиями, расположенных в узлах первой решетки под спейсерами.It is important to apply the APU on top of the printed conductive grids, offset by half a step relative to each other, electrically connected to each other by metallized vias located at the nodes of the first lattice under the spacers.

Сущность полезной модели поясняется рисунками, где Фиг. 1 - Фиг. 3 иллюстрируют конструкцию проволочного ГЭУ, а Фиг. 4 - Фиг. 6 поясняют функционирование устройства.The essence of the utility model is illustrated by drawings, where FIG. 1 to FIG. 3 illustrate the construction of a wire-type power plant, and FIG. 4 to FIG. 6 explains the operation of the device.

На Фиг. 1 схематически показан общий вид проволочного ГЭУ с дополнительным видом в сечении А, размещенного вместе с конверсионным зазором D в герметичном корпусе детектора.FIG. 1 schematically shows a general view of a wire GEM with an additional view in section A, placed together with a conversion gap D in a sealed detector housing.

На Фиг. 2 показаны печатные проводящие решетки, расположенные на наружных поверхностях многослойной платы, и их взаимное расположение в структуре платы. Шаг решеток выбирается кратным шагу проволочек k⋅s, где s - шаг проволочек, k - целое 1, 2, …, 10, …FIG. 2 shows printed conductive grids located on the outer surfaces of a multilayer board and their relative position in the board structure. The lattice spacing is chosen as a multiple of the wire spacing k⋅s, where s is the wire spacing, k is an integer 1, 2,…, 10,…

На Фиг. 3 показаны поддерживающие элементы-спейсеры и их расположение относительно проволочек.FIG. 3 shows the supporting spacer elements and their position relative to the wires.

На Фиг. 4 показано, каким должно быть сформировано электрическое поле для правильной работы устройства.FIG. 4 shows how the electric field must be generated for the device to work properly.

На Фиг. 5 показано распределение плотности заряда как функция двух переменных - времени и расстояния.FIG. 5 shows the distribution of charge density as a function of two variables - time and distance.

На Фиг. 6 приведена эквивалентная электрическая схема, поясняющая функционирование предложенного устройства.FIG. 6 shows an equivalent electrical diagram explaining the operation of the proposed device.

Предложенная конструкция ГЭУ позволяет создавать детекторы метровых размеров, т.к. базируется на промышленной технологии изготовления печатных плат и фотолитографии. Намотка проволочного катода может производиться с применением широкого ассортимента провода.The proposed design of the GEM makes it possible to create detectors of meter dimensions, since is based on industrial technology for the manufacture of printed circuit boards and photolithography. The wire cathode can be wound using a wide variety of wires.

Проволочный ГЭУ содержит проволочный катод 1, выполненный из параллельных проволочек с шагом s; дрейфовый электрод 2 детектора, выполненного на основе проволочного ГЭУ, который совместно с катодом 1 образует конверсионный зазор D; поддерживавшие проволочки элементы-спейсеры 3 из диэлектрика; первый резистивный слой 4 из алмазоподобного углерода (АПУ), нанесенный на печатную проводящую решетку 6 и обращенный к катоду 1, второй резистивный слой 5 из АПУ, обращенный к источнику напряжения и нанесенный на печатную проводящую решетку 7, подключенную к источнику напряжения, причем печатные проводящие решетки 6 и 7 размещены на наружных поверхностях в структуре многослойной печатной платы, смещены друг относительно друга на пол шага и электрически связаны между собой при помощи переходных металлизированных отверстий 8 и резистивности поверхности с АПУ.The wire GEM contains a wire cathode 1 made of parallel wires with a pitch s; drift electrode 2 of the detector, made on the basis of a wire GEM, which together with the cathode 1 forms a conversion gap D; dielectric spacer elements 3 supporting the wires; the first resistive layer 4 of diamond-like carbon (DLC) deposited on the printed conductive grating 6 and facing the cathode 1, the second resistive layer 5 of the DLC facing the voltage source and applied to the printed conductive grating 7 connected to a voltage source, and the printed conductive grids 6 and 7 are placed on the outer surfaces in the structure of a multilayer printed circuit board, are offset relative to each other by half a step and are electrically connected to each other using metalized vias 8 and surface resistivity with AAP.

Резистивные слои 4 и 5 выполнены в виде пленки толщиной порядка 0.1 микрона с поверхностным сопротивлением порядка 20 МОм/квадрат и нанесены поверх проводящих печатных решеток 6 и 7.Resistive layers 4 and 5 are made in the form of a film with a thickness of the order of 0.1 micron with a surface resistance of the order of 20 MΩ / square and deposited over the conductive printed gratings 6 and 7.

Решетки 6 и 7, выполненные на соответствующих подложках 9, 12 вместе с элементами считывания 11, расположенными между решетками, интегрированы в структуру одной многослойной печатной платы. Подложки 9 и 12 - субплаты в структуре многослойной платы, склеиваются препрегом 10, образуя одну многослойную печатную плату, в которой выполнены также переходные металлизированные отверстия 8. В предложенном техническом решении резистивные слои 4 и 5 из АПУ нанесены поверх решеток 6 и 7, находящихся на наружных поверхностях многослойной платы после ее изготовления. Такое техническое решение позволяет устранить коробление платы, вызванное поверхностными напряжениями при вакуумном напылении АПУ, тем самым улучшить планарность конструкции, что позволяет повысить надежность работы устройства. Проволочный ГЭУ размещен в герметичном корпусе 13.The grids 6 and 7, made on the respective substrates 9, 12, together with the reading elements 11 located between the grids, are integrated into the structure of one multilayer printed circuit board. Substrates 9 and 12 - sub-boards in the structure of a multilayer board, are glued with prepreg 10, forming one multilayer printed circuit board, in which metallized vias are also made 8. In the proposed technical solution, resistive layers 4 and 5 from APU are applied over the gratings 6 and 7 located on the outer surfaces of the multilayer board after its manufacture. This technical solution eliminates the warpage of the board caused by surface stresses during vacuum deposition of the APU, thereby improving the planarity of the structure, which makes it possible to increase the reliability of the device. The wire power plant is located in a sealed case 13.

В предлагаемой полезной модели устранен индукционный зазор, расположенный в аналогах [1], [2] и [3] между анодом и считывающим электродом, что позволило интегрировать анод и считывающий электрод в структуру одной многослойной печатной платы и дополнительно улучшить планарность электродов на большой площади вплоть до метровых размеров.The proposed utility model eliminates the induction gap located in the analogs [1], [2] and [3] between the anode and the readout electrode, which made it possible to integrate the anode and the readout electrode into the structure of a single multilayer printed circuit board and further improve the planarity of the electrodes over a large area up to up to meter sizes.

С устранением индукционного зазора упрощается введение выполненных фотолитографией поддерживающих элементов-спейсеров 3, как например в известном из уровня техники решении¹ (¹https://cds.cern.ch/record/2275306/files/proc_IPDR_2016_Sidiropoulou.pdf) с образованием монолитной неразборной конструкции. В предлагаемой полезной модели поддерживающие элементы-спейсеры 3 выполнены в виде гребней из фоторезиста шириной 300 мкм, повернутых под углом а=45 градусов к проволочкам, тогда при шаге между линиями 10 мм площадь, занимаемая спейсерами, составляет 5% от общей площади электродов ХмУм, где Хм и Ум максимальные размеры ГЭУ и детектора. Высота спейсеров 3 выбирается по ширине межэлектродного зазора катод-анод (см. Фиг. 3).With the elimination of the induction gap, it becomes easier to insert photolithography-supported spacer elements 3, such as in the prior art solution ¹ ( ¹ https://cds.cern.ch/record/2275306/files/proc_IPDR_2016_Sidiropoulou.pdf) with the formation of a monolithic non-separable structure ... In the proposed utility model, the supporting spacer elements 3 are made in the form of photoresist ridges with a width of 300 microns, rotated at an angle a = 45 degrees to the wires, then, with a step between the lines of 10 mm, the area occupied by the spacers is 5% of the total area of the electrodes HmUm, where Hm and Um are the maximum sizes of the GEM and the detector. The height of the spacers 3 is selected according to the width of the cathode-anode interelectrode gap (see Fig. 3).

Детектор образуется добавлением к ГЭУ конверсионного зазора D с дрейфовым электродом 2, как показано на Фиг. 1. В качестве рабочей смеси можно выбрать инертный газ (Ar, Ne, Не) с многоатомной добавкой, например, СО2, СН4 или другой.The detector is formed by adding to the GEM a conversion gap D with a drift electrode 2, as shown in FIG. 1. As a working mixture, you can choose an inert gas (Ar, Ne, He) with a polyatomic additive, for example, CO2 , CH4 or another.

В качестве элементов считывания 11 координатной информации применены зигзагообразные стрипы. Особенность стрипов зиг-загообразной формы заключается в том, что для регистрации двух координат X и Y вместо двух достаточно одного металлического слоя в структуре многослойной печатной платы.Zigzag strips are used as elements for reading 11 coordinate information. The peculiarity of zig-zag strips is that instead of two, one metal layer in the structure of a multilayer printed circuit board is sufficient to register two coordinates X and Y.

Переходные металлизированные отверстия 8 выполнены в узлах решетки 6 под спейсерами 3 и проходят со слоя 4 на слой 5, не касаясь стрипов 11. Решетка 7 подключена к источнику напряжения (+V). При помощи переходных металлизированных отверстий и резистивного слоя 5 напряжение с решетки 7 подводится также к решетке 6 и становится анодным напряжением ГЭУ.Transitional metallized holes 8 are made in the nodes of the lattice 6 under the spacers 3 and pass from layer 4 to layer 5 without touching the strips 11. The lattice 7 is connected to a voltage source (+ V). With the help of metalized vias and resistive layer 5, the voltage from the grid 7 is also supplied to the grid 6 and becomes the anode voltage of the GEM.

Шаг решеток 6 и 7 выбран кратным шагу проволочек 1. Например, s=125 мкм, тогда при k=20, шаг решеток составит 2.50 мм, а смещение на полшага - 1.25 мм, но возможны и другие численные значения s и к, при этом к в общем виде может быть разным в направлении X и Y на Фиг. 2.The spacing of the gratings 6 and 7 is chosen as a multiple of the wire spacing 1. For example, s = 125 μm, then at k = 20, the grating spacing will be 2.50 mm, and the displacement by half a step is 1.25 mm, but other numerical values of s and k are also possible, while k may generally be different in the X and Y directions in FIG. 2.

Предложенное устройство проволочного ГЭУ работает следующим образом. Каждый первичный электрон, возникший в конверсионном зазоре D в результате первичной ионизации газа под воздействием ионизирующего излучения, дрейфует в электрическом поле, показанном на Фиг. 4, в направлении максимума напряженности поля, созданного между проволочками катода 1, где происходит лавинное умножение электронов.The proposed device for the wire power plant operates as follows. Each primary electron generated in the conversion gap D as a result of primary ionization of the gas by ionizing radiation drifts in the electric field shown in FIG. 4, in the direction of the maximum field strength created between the wires of the cathode 1, where an avalanche multiplication of electrons occurs.

Отношение вторичного заряда к первичному определяет коэффициент газового усиления ГЭУ. В результате умножения возникает равное количество вторичных электронов и положительных ионов, и каждая компонента индуцирует сигналы на электродах: на катоде 1, на решетке 6 и на считывающем электроде 11.The ratio of the secondary to the primary charge determines the GEM gas gain. As a result of multiplication, an equal number of secondary electrons and positive ions appear, and each component induces signals at the electrodes: at the cathode 1, at the grating 6, and at the reading electrode 11.

Предположим, что на проволочки катода 1 подан нулевой потенциал V=0, отрицательный - Vc на дрейфовый электрод 2 конверсионного зазора D, а на резистивный слой анода 4 через решетку 7 подан положительный потенциал Va=V. Предположим, что разности потенциалов Vc-V и V-Va выбраны такими, что в конверсионном зазоре создана напряженность поля 1 кВ/см, а в зазоре умножения - 30 кВ/см. При D=3 мм, диаметре проволочек d=30 мкм, шаге s=125mkm и h=500 мкм указанные выше напряженности электрического поля могут быть созданы при V=0, Vc=-300 В и Va=+1100 В.Suppose that a zero potential V = 0 is applied to the wires of the cathode 1, a negative potential Vc is applied to the drift electrode 2 of the conversion gap D, and a positive potential Va = V is applied to the resistive layer of the anode 4 through the grating 7. Suppose that the potential differences Vc-V and V-Va are chosen such that a field strength of 1 kV / cm is created in the conversion gap, and 30 kV / cm in the multiplication gap. For D = 3 mm, wire diameter d = 30 μm, step s = 125 mkm and h = 500 μm, the above electric field strengths can be created at V = 0, Vc = -300 V and Va = + 1100 V.

Оптимальный выбор трех основных величин d, s, h производится моделированием электростатического поля программой COMSOL², (²https://www.comsol.ru/video/introduction-to-comsol-multiphysics-webinar.) при этом s≈3d, a h≥s. Как показывает моделирование, разброс d и s на 10% не вносит существенных изменений в параметры электрического поля. Наиболее чувствительным является изменение h. Однородность h лучше 10% может быть обеспечена предварительным натяжением проволочек катода 1 при намотке и введением поддерживающих элементов-спейсеров 3, фиксирующих не только натяжение проволочек, но и обеспечивающих планарность катода относительно анода (постоянство h по площади ГЭУ), дополнительно повышая надежность работы устройства. В местах контакта проволочек катода 1 с диэлектриком поддерживающих спейсеров 3 возникают "мертвые" области, где нет газового усиления, поэтому площадь таких контактов должна быть минимизирована, и составлять, например, не более 5% от общей площади электродов.The optimal choice of the three basic quantities d, s, h is made by modeling the electrostatic field with the COMSOL ² program, ( ² https://www.comsol.ru/video/introduction-to-comsol-multiphysics-webinar.) While s≈3d, ah ≥s. Modeling shows that the scatter of d and s by 10% does not significantly change the parameters of the electric field. The most sensitive is the change in h. Uniformity h better than 10% can be ensured by pre-tensioning the wires of the cathode 1 during winding and by introducing supporting spacer elements 3, which fix not only the tension of the wires, but also ensure the planarity of the cathode relative to the anode (constancy of h over the GEM area), further increasing the reliability of the device. In the places of contact of the wires of the cathode 1 with the dielectric of the supporting spacers 3, "dead" regions appear where there is no gas amplification, therefore the area of such contacts should be minimized, and make, for example, no more than 5% of the total area of the electrodes.

Если в зазоре h произойдет, например, 15 последовательных актов ионизации с образованием новых электрон-ионных пар от точечного источника Fe-55, то коэффициент газового усиления составит 2¹⁵≈30000, а вторичный заряд Q≈1.2 пКл, состоящий из одинакового числа электронов и положительных ионов. Известно, что источник Fe-55 создает в аргоне 230 первичных электронов и столько же ионов. Согласно теореме Рамо-Шокли, длительность импульса тока во внешней цепи электрода 1 определяется временем транзита заряда Q через зазор h. Для точечного первичного заряда и для зазора h=500 мкм это время может составлять 5 не для электронов и 1 мксдля положительных ионов. Площади импульсов тока от электронной и ионной компонент одинаковые, т.к. заряды Q^- и Q⁺ одинаковые, но при этом амплитуды существенно отличаются, т.к. скорости электронов и ионов отличаются в 1000 раз.If, for example, 15 consecutive acts of ionization occur in the gap h with the formation of new electron-ion pairs from a point source Fe-55, then the gas gain will be 2 ¹⁵ ≈30000, and the secondary charge Q ≈ 1.2 pC, consisting of the same number of electrons and positive ions. It is known that the Fe-55 source creates 230 primary electrons and the same number of ions in argon. According to the Ramot-Shockley theorem, the duration of the current pulse in the external circuit of electrode 1 is determined by the transit time of the charge Q through the gap h. For a point primary charge and for a gap of h = 500 μm, this time can be 5 not for electrons and 1 μs for positive ions. The areas of the current pulses from the electronic and ionic components are the same, since the charges Q ^- and Q ^{+ are the} same, but the amplitudes differ significantly, since the velocities of electrons and ions differ by a factor of 1000.

В случае спонтанного электрического пробоя в газе в зазоре умножения мощность разряда "гасится" поверхностным сопротивлением резистивного слоя 4, которое составляет 20 МОм/квадрат. Это проявляется так, что потенциал на решетке 6 «проваливается» относительно потенциала на решетке 7 и «гасит» начавшийся разряд. Такая ситуация может возникнуть в результате взаимодействия космического излучения с веществом конструкции с появлением сильноионизирующей частицы-ядра в газе.In the case of a spontaneous electrical breakdown in the gas in the multiplication gap, the discharge power is "extinguished" by the surface resistance of the resistive layer 4, which is 20 MΩ / square. This manifests itself in such a way that the potential on the lattice 6 "falls through" relative to the potential on the lattice 7 and "extinguishes" the started discharge. Such a situation can arise as a result of the interaction of cosmic radiation with the substance of the structure with the appearance of a strongly ionizing particle-nucleus in the gas.

Второй резистивный слой 5 и сдвиг решеток 6 и 7 на полшага повышают надежность устройства, благодаря тому, что между решетками появляется дополнительное сопротивление резистивного слоя 5, последовательно включенное с сопротивлением резистивного слоя 4.The second resistive layer 5 and the shift of the gratings 6 and 7 by half a step increase the reliability of the device, due to the fact that an additional resistance of the resistive layer 5 appears between the gratings, which is connected in series with the resistance of the resistive layer 4.

Наличие двух резистивных слоев на функционировании устройства не сказывается в силу того, что сигналы по высокой частоте определяют емкости, как показано на Фиг. 6. На Фиг. 6 резистивный слой 4 (а с ним электрически соединен резистивный слой 5 через переходные металлизированные отверстия) специально растянут с тем, чтобы можно было указать на следующую особенностью конструкции: когда заряд электронов Q^- появляется на резистивной поверхности слоя 4 и начинает растекаться, то появляется динамическая емкость C_D. Возникает емкостной делитель, одна из емкостей которого динамическая C_D, а вторая - фиксированная С₃ для считывающего элемента 11. В результате ток в цепи считывающего элемента можно найти, как I₃=I₁C₃/(С₃+C_D)≈I₁, где C_D=0 при t=0 и I₃≈0 при C_D>>С₃. Указанное соотношение справедливо при наличии блокирующей емкости С*≈1000 пФ (см. Фиг. 6), заземляющей электрод 7 по высокой частоте, при условии, что С*>>C_D. При увеличении t уже при t=50 не (см. Фиг. 5) ток I₃≈0, а ток в цепи решетки I₂=I₁C_D/(C₃+C_D)≈I₁, т.е. на низкой частоте ток I₁ замыкается в цепь решетки 6.The presence of two resistive layers does not affect the operation of the device due to the fact that the signals at high frequency determine capacitances, as shown in FIG. 6. In FIG. 6 resistive layer 4 (and resistive layer 5 is electrically connected to it through metallized vias) is specially stretched so that one can indicate the following design feature: when the electron charge Q ^- appears on the resistive surface of layer 4 and begins to spread, then a dynamic capacity C _D. A capacitive divider appears, one of the capacitances of which is dynamic C _D , and the second is fixed C ₃ for the reading element 11. As a result, the current in the circuit of the reading element can be found as I ₃ = I ₁ C ₃ / (C ₃ + C _D ) ≈ I ₁ , where C _D = 0 at t = 0 and I ₃ ≈0 at C _D >> C ₃ . This relationship is valid in the presence of a blocking capacitance C * ≈1000 pF (see Fig. 6), grounding electrode 7 at high frequency, provided that C * >> C _D. With an increase in t already at t = 50 ns (see Fig. 5), the current is I ₃ ≈0, and the current in the lattice circuit is I ₂ = I ₁ C _D / (C ₃ + C _D ) ≈I ₁ , i.e. at a low frequency, the current I _{1 is} closed in the grid circuit 6.

На Фиг. 5 показано распределение плотности заряда, как функция двух переменных: t - времени и r - расстояния от точки возникновения заряда Q^- на резистивной поверхности 4 (см. Фиг. 2). Расчет выполнен для постоянной времени, распределенной RC-структуры RC=4 мкс (наш случай). Согласно решению телеграфного уравнения, при указанной постоянной времени, уже через 50-100 не заряд электронов Q^- полностью стекает на решетку 6 и по расположенным в узлах металлизированным отверстиям 8, - на решетку 7, если расстояние между печатными проводниками, образующими решетки 6 и 7, порядка 1-2 миллиметров. Отметим, что отсутствие С* эквивалентно обрыву цепи решетки 7, тогда сигналы на элементах 1 и 11 по форме будут одинаковыми и противоположными по знаку I₁≈-I₃. Это важное в предложенной конструкции условие, обеспечивающее устранение ионной компоненты в сигнале на считывающем электроде, эквивалентное тому, что происходит при наличии индукционного зазора.FIG. 5 shows the distribution of the charge density as a function of two variables: t - time and r - distance from the point of origin of the charge Q ^- on the resistive surface 4 (see Fig. 2). The calculation was performed for a time constant distributed RC structure RC = 4 μs (our case). According to the solution of the telegraph equation, at the specified time constant, already after 50-100 not the charge of electrons Q ^- completely flows down to the lattice 6 and through the metallized holes 8 located in the nodes, - to the lattice 7, if the distance between the printed conductors forming the lattices 6 and 7 , about 1-2 millimeters. Note that the absence of C * is equivalent to breaking the circuit of the lattice 7, then the signals on elements 1 and 11 will be the same in shape and opposite in sign I ₁ ≈-I ₃ . This is an important condition in the proposed design that ensures the elimination of the ionic component in the signal at the readout electrode, which is equivalent to what occurs in the presence of an induction gap.

Таким образом, исключением индукционного зазора, присущего прототипу, создана монолитная конструкция ГЭУ с проволочным катодом и анодом, выполненным в виде многослойной печатной платы. Резистивный анод из двух слоев пленки АПУ, нанесенных на смещенные на пол шага проводящие печатные решетки, ограничивает мощность электрического разряда в случае пробоя в газе, повышает надежность устройства. Обе решетки, интегрированные в структуру общей с элементами считывания многослойной печатной платы, согласно формуле полезной модели, расположены на наружных сторонах многослойной печатной платы, изготовленной промышленным методом. При напылении АПУ на наружные поверхности платы, также выполненном промышленным методом, исключается коробление платы, т.к. уравновешиваются возникающие поверхностные напряжения, что способствует улучшению планарности анода относительно проволочного катода. Дополнительно планарность улучшена введением выполненных фотолитографией поддерживающих проволочки элементов-спейсеров, чем создается монолитная неразборная конструкция, объединяющая в один узел такие основные элементы ГЭУ, как проволочный катод и резистивный анод вместе с элементами считывания (стрипами). При таком техническом решении планарность улучшена на метровых площадях электродов и при этом достигается достаточно хорошая однородность коэффициента газового усиления ГЭУ по площади и высокая надежность работы устройства. Детектор на базе ГЭУ строится добавлением конверсионного зазора с дрейфовым электродом, которые обеспечивают необходимую эффективность регистрации ионизирующего излучения.Thus, with the exception of the induction gap inherent in the prototype, a monolithic GEM structure with a wire cathode and an anode made in the form of a multilayer printed circuit board has been created. A resistive anode consisting of two layers of APU film applied to conductive printed gratings displaced by half a pitch limits the power of an electric discharge in the event of a gas breakdown and increases the reliability of the device. Both grids, integrated into the structure of a common multilayer printed circuit board with reading elements, according to the formula of the utility model, are located on the outer sides of a multilayer printed circuit board manufactured by an industrial method. When APU is sprayed onto the outer surfaces of the board, also made by an industrial method, warping of the board is excluded, since the emerging surface stresses are balanced, which contributes to the improvement of the planarity of the anode relative to the wire cathode. In addition, the planarity is improved by the introduction of spacer elements supporting the wires made by photolithography, which creates a monolithic non-separable structure that combines such basic GEM elements as a wire cathode and a resistive anode together with readout elements (strips) into one unit. With such a technical solution, the planarity is improved on meter-long electrode areas and, at the same time, a fairly good uniformity of the GEM gas gain over the area and high reliability of the device are achieved. The GEM-based detector is constructed by adding a conversion gap with a drift electrode, which provide the required efficiency of ionizing radiation registration.

ЛитератураLiterature

[1] F. Sauli, GEM: a new concept for electron amplification in gas // Nuclear Instruments and Methods, A386 (1997), p. 531.[1] F. Sauli, GEM: a new concept for electron amplification in gas // Nuclear Instruments and Methods, A386 (1997), p. 531.

[2] F. Sauli, Radiation detector of very high performance // Патент США US 006011265 A (1997).[2] F. Sauli, Radiation detector of very high performance // US Patent US 006011265 A (1997).

[3] B. Ovchinnikov, et al. A Multichannel Wire Gas Electron Multiplier // Instrum. and Experimental Techniques, V. 53, №5 (2010), 653-656; arXiv: 1003.1240.[3] B. Ovchinnikov, et al. A Multichannel Wire Gas Electron Multiplier // Instrum. and Experimental Techniques, V. 53, No. 5 (2010), 653-656; arXiv: 1003.1240.

[4] B. Ovchinnikov, В. Парусов. Многоканальный Газовый Электронный Умножитель. // Патент на изобретение RU 2417384 C1 2010 г.[4] B. Ovchinnikov, V. Parusov. Multichannel Gas Electron Multiplier. // Patent for invention RU 2417384 C1 2010

[5] М.Д. Шафранов, Т.П. Топурия. Координатный детектор высокого пространственного разрешения на основе многопроволочного газового электронного умножителя. // Письма в ЭЧАЯ №2, 2001, с. 105.[5] M.D. Shafranov, T.P. Topuria. Coordinate detector of high spatial resolution based on a multi-wire gas electron multiplier. // Letters to ECHAYA №2, 2001, p. 105.

Claims

1. A wire gas-filled electron multiplier (GEM), located in a sealed housing, containing a wire cathode, an anode and elements for reading coordinate information, characterized in that the anode is resistive in the form of two layers of a film of diamond-like carbon (DLC), with the first layer facing to the cathode, and the second to the voltage source, resistive layers are applied, respectively, on the first and second printed conducting grids, offset from each other by half a step, electrically connected to each other by metallized vias, integrated into the structure common with the reading elements of the multilayer printed circuit board and located on the outer sides of the board.

2. Wire GEM according to claim 1, characterized in that the resistive layers of the APU are made with a thickness of the order of 0.1 micron with a surface resistance of the order of 20 megohms / square.

3. Wire GEM according to claim 1, characterized in that between the cathode and the anode there are supporting elements-spacers made of dielectric in the form of ridges with a width of, for example, 300 microns with a pitch of 10 mm, directed at an angle of 45 degrees to the wires, with the indicated values of the area occupied by spacers is no more than 5% of the total area of the electrodes.

4. Wire GEM according to claim 1, characterized in that the first and second printed conductive grids are made with a multiple of the wire pitch, and metallized vias are located at the nodes of the first grid under the spacers.