WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

Большинство научных коллективов, занимающихся разработкой и исследованием МСГК, в 1992 г. объединились в сотрудничество R&D 28.

Целью исследований, проводимых членами этого сотрудничества, было выяснение возможностей использования МСГК в экспериментах на LHC.

Исследования, проведенные в рамках сотрудничества R&D 28, показали следующие рабочие характеристики МСГК:

• пропорциональное усиление, больше чем 104;

• позиционная точность для рентгеновских лучей и перпендикулярно прошедших минимально ионизирующих частиц порядка 30 мкм RMS;

• быстродействие выше 106 (1/ мм2 * сек);

• энергетическое разрешение (10.7 % FWHM для рентгеновских лучей с энергией 5.9 кэВ).

Однако сразу же с появлением МСГК исследователи столкнулись с проблемой стабильности их работы: постепенное изменение коэффициента газового усиления из-за эффектов, связанных с поляризацией подложки и накоплением заряда на ней, а также постоянным (долговременным) его ухудшением (“старением”) при длительном облучении.

Необходимое для стабильной работы МСГК поверхностное сопротивление подложки можно получить покрывая недорогую стеклянную пластину тонкой полупроводящей пленкой, причем эту пленку можно наносить на диэлектрическую подложку как до процесса металлизации и изготовления структуры микростриповых электродов (подложки, приготовленные таким способом, называют “under-coated”), так и поверх микростриповых электродов рис. 5 (МС-пластины с покрытием поверх структуры микрострипов называют “пассивированными”, или “over-coated”).

Метод “пассивирования” привлекал своей простотой: покрытия наносятся на завершающей стадии изготовления МС-пластины, при этом исключаются:

проблема адгезии металла к этим покрытиям и повышенные требования к качеству их поверхности.

Рис. 5. МСГК с пассивацией тонкой полупроводящей пленкой Ясно, что рабочие характеристики МСГК, изготовленных на подложках с полупроводящими покрытиями, сильно зависят от материала пленки и метода ее нанесения. Подбор материала для полупроводящих покрытий диэлектрических подложек МСГК, выбор метода их нанесения, разработка технологии изготовления МСГК с полупроводящими покрытиями и исследование их рабочих характеристик были предметом исследований, проводимых автором диссертации в ФИАНе совместно с НИИЯФ МГУ и предприятиями электронной промышленности.

Для изготовления тонких резистивных покрытий диэлектрических подложек МСГК представляют интерес материалы обладающие высокой радиационной стойкостью и электронной проводимостью с удельным сопротивлением = 109 - 1012 Омсм. В качестве таких покрытий на диэлектрические подложки (сапфир, кварцевое стекло, стёкла фирмы DESAG - D-263 и AF-45), используя различные способы плазменной технологии напыления (ионно-лучевое распыление, ВЧ распыление, плазмохимический), напыляли тонкие пленки аморфного углерода (-С), кремния (-Si), высокоомных электронных стекол.

Для приготовления полупроводящих покрытий диэлектрических подложек МСГК на установке ГЕЛИС исследовалась возможность приготовления полупроводящих полимерных пленок методом облучения исходного полимера-диэлектрика пучком ионов Не c энергией до 50 кэВ.

Известно, что облучение несопряженных полимеров ионными пучками с энергией 10-103 кэВ приводит к огромному (до 20 порядков) увеличению их электропроводности. При этом удельное сопротивление сильно зависит от дозы облучения. Например, десятикратное увеличение дозы приводит к росту электропроводности более чем на 7 порядков. Поскольку для МСГК подходят подложки с достаточно высоким удельным сопротивлением, незначительно отличающимся от сопротивления исходного диэлектрика, необходимо использовать ионы с малой ионизирующей способностью. Такие ионы обладают большим пробегом, что также желательно для подложек МСГК, поскольку при этом увеличивается толщина полупроводящего слоя. Поэтому были выбраны ионы гелия с энергией около 25 кэВ, имеющие пробег в полимерных материалах ~1мкм. Применение этого метода позволяет сравнительно быстро приготовить полупроводящие полимерные подложки, причем поверхностное сопротивление легко регулируется дозой облучения.

Как было показано выше, метод ионно-лучевого распыления обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с другими методами при изготовлении различных покрытий, поэтому напыление пленок аморфного углерода, кремния, высокоомных электронных стекол на различные диэлектрические подложки МСГК проводилось методом ионно-лучевого распыления на установке ГЕЛИС. Исследования рабочих характеристик МСГК с этими покрытиями показали, что камеры, изготовленные на подложках со слоями модифицированного ионным пучком полиимида (Rs 1013-:- 1015 Ом/квадрат) толщиной 1 мкм, имели значительный шум в области энергий 1.5 -:- 2.0 кэВ. Качественно это можно объяснить появлением свободного графита, преобладающего в полимерной матрице и увеличивающего ток утечки в высоких электрических полях.

Нестабильность в работе показали и детекторы с покрытиями из углерода и кремния. Удельное сопротивление этих материалов довольно сильно зависит от напряженности электрического поля (рис.6).

Рис. 6. Зависимость эфф. пленки - Si от напряженности электрического поля.

Рис. 7. Спектр от радиоактивного источника Fe55, измеренный MCГК пассивированной пленкой стекла с электронной проводимостью Наилучшие рабочие характеристики (рис.7) показали МСГК с покрытием из стекла с электронной проводимостью. Удельное сопротивление (0 = 109 1010 Омсм) этого многокомпонентного силикатного стекла, изготовленного АО НПЦ НИИ электровакуумного стекла, определяется прыжковой проводимостью поляронов малого радиуса между состояниями с различной валентностью ионов переходных металлов (ванадий, железо). Газовое усиление такого детектора с шагом стрипов 200 мкм достигало 5000, а для детектора с шагом 1 мм 30000 при стабильной работе (рис.8).

Рис. 8. Зависимость коэффициента газового усиления М от напряжения Uа-к для МСГК с покрытием из стекла с электронной проводимостью (А - шаг = 200 мкм, В - шаг = 1000 мкм).

Исследования предельной загрузки МСГК с полупроводящими покрытиями и изменение их рабочих характеристик при длительной работе показали, что МСГК с микростриповыми структурами из хрома толщиной 0. 0.15 мкм, изготовленными на подложках из кварцевого стекла и покрытыми пленкой электронного стекла с 1010 Ом/cм (состав 1) и толщиной 0.0.5 мкм, имеют удовлетворительные рабочие параметры (энергетическое разрешение около 15% при 6 кэВ, хорошую линейность в интервале энергий 25 кэВ и стабильное значение коэффициента газового усиления вплоть до загрузок 2105 фотонов/мм2 сек). Однако при загрузках ~ 105 фотонов /ммсек эти детекторы показали очень малое время жизни (<1 мК/см). На рис. приведена фотография участка чувствительной области МСГК, которая была подвержена воздействию радиации в тестовых испытаниях. Видно, что ухудшение рабочих характеристик детектора вызвано разрушением микростриповых электродов и тонкой полупроводящей пленки над ними.

Рис. 9. Область МС-пластины, подвергавшаяся воздействию излучения при длительной работе МСГК. (Светлые участки - микростриповые электроды: в цетре - участок анода, вверху и внизу -участки катодов.) Старение МСГК связывалось, в первую очередь, с рождением в лавинах полимерных соединений, которые, застревая в электродах и изоляторе между стрипами, приводят к увеличению тока утечки и пробоям, приводящим к разрушению структур МСГК. Исследования по старению МСГК под действием радиации проводились различными группами с использованием МСГК, изготовленных на подложках из различных материалов и в различных рабочих условиях. Исследования показали, что тщательный отбор рабочего газа и материалов, используемых при изготовлении МСГК, значительно увеличивает время работы детектора в высокорадиационных условиях. При этом наряду с чистотой газовой системы доминирующими факторами в скорости старения являются материал подложки и металл, используемый для стрипов. Автором диссертации было выдвинуто предположение, что одним из механизмов, который может оказывать влияние на длительность работы МСГК, является бомбардировка катодных стрипов ионами рабочего газа, образующихся в лавине в процессе газового усиления.

Энергия ионов рабочего газа бомбардирующих края катодов МСГК может достигать десятков электронвольт и превышать пороговую энергию распыления материала стрипов. Стойкость микростриповой структуры электродов с шагом 200 мкм к бомбардировке медленными ионами Ar исследовалась на установке ГЕЛИС. На установке удалось смоделировать условия, при которых средняя энергия, приобретаемая в процессе дрейфа ионов, образованных в рабочем газе (Ar) при ионизации его пучком, близка к средней энергии ионов, образованных в рабочем газе МСГК в процессе газового усиления (рис. 10).

Рис. 10. Схема работы установки “ГЕЛИС” при изучении влияния бомбардировки медленными ионами катодов МСГК: 1 - пучок ионов Ne+; 2 - диафрагма камеры дифференциальной откачки диаметром 3 мм; 3 - пластина МСГК; 4 - медленные ионы Ar+; 5 - катодные стрипы; 6 - аноды.

На рис. 11 приведена фотография катода микростриповой структуры, на который собирались ионы Ar после того, как полный собранный заряд Q на единицу длины стрипа (1 см) составил 30 мКл.

Рис. 11. Распыленный участок катода (1), на который подавался потенциал (темные участки на фотографии - металл). Аноды (2) находились под плавающим потенциалом.

Как видно по фотографии, дефекты, вызванные бомбардировкой катодов ионами аргона, проявляются в виде рваных краев катодных стрипов и их частичного распыления. На основании этих работ был сделан вывод, что при длительной работе МСГК с электродами толщиной ~0,1 мкм и газовыми смесями, содержащими в качестве основного компонента аргон, одним из механизмов, способствующих разрушению стрипов МСГК, является механизм катодного распыления. В результате распыления катодов по их кромке образуются острия, которые могут стать причиной газового пробоя в промежутке катод—анод микростриповой структуры и выхода МСГК из строя.

Проблема пробоев в МСГК, с которыми столкнулись при работе на пучке, ставила под сомнение возможность использования этих детекторов в качестве трековых приборов в экспериментах по физике высоких энергий, таких как, например, CMS и COMPASS в CERNе, HERA-B в DESY.

Для сохранения величины коэффициента газового усиления при уменьшении величины рабочего напряжения на электродах МСГК Ф. Саули предложил включить в газовый объем МСГК (между дрейфовым электродом и МС-пластиной) дополнительный элемент – газовый электронный умножитель (ГЭУ) (рис.12). При подаче разности потенциалов на электроды ГЭУ, каждое отверстие в нем работает как независимый пропорциональный счетчик.

Рис. 12. Фотография участка ГЭУ.

В ФИАНе совместно с НИИ прикладной физики была разработана технология изготовления отечественных ГЭУ. Для изготовления ГЭУ в качестве гибкого основания была выбрана отечественная полиимидная пленка марки ПИ. Первые образцы ГЭУ изготовленные в России, имели габаритные размеры 9090 мм2, где на площади 6040 мм2 были выполнены отверстия диаметром 100-140 мкм и с расстоянием между отверстиями мкм. Отверстия имели круглую форму и были расположены рядами в шахматном порядке. Расстояния между рядами 100 мкм, общее количество отверстий 60000 (рис.13).

Рис. 13. Эскиз ГЭУ, используемого в работе с МСГК.

Исследования работы ГЭУ совместно с МСГК проводились как при 55 работе с радиоактивными источниками ( Fe, Ru ), так и на тестовом пучке релятивистских электронов в DESY. Вклеенный в газовый объем микростриповой камеры, которая исследовалась в качестве прототипа для переднего протонного спектрометра эксперимента H1 в DESY, ГЭУ позволил получить 2-3 кратное увеличение сигнала, снимаемого с одного стрипа МСГК. Дальнейшие исследования рабочих характеристик ГЭУ разной геометрии показали, что можно изготовить ГЭУ с газовым усилением > 103 и, следовательно, ГЭУ может работать не только как дополнительный элемент к микростриповой камере, но и сам, совместно со структурой считывания является таким же микроструктурным детектором, как и МСГК, и может быть использован в качестве позиционно-чувствительного детектора в экспериментах по физике высоких энергий. Исследования МСГК, проводимые на установке ГЕЛИС в рамках R&D 28, изучение рабочих характеристик первых российских ГЭУ и опыт их использования совместно с МСГК, позволили автору предложить проект по созданию и исследованию трековых газовых детекторов для экспериментов по физике высоких энергий.

Проект был поддержан международным грантом INTAS-97-10656 и был успешно выполнен. Результаты исследований по проекту были использованы при создании детекторов для экспериментов по физике высоких энергий HERA-B и COMPASS.

В четвертой главе описан накопленный опыт по созданию МСГК/ГЭУ детекторов для внутреннего трекера в эксперименте HERA-B (DESY, Германия).

HERA-B – эксперимент с фиксированной мишенью был предложен с целью изучения нарушения CP инвариантности в B-системах. В-мезоны рождались в результате взаимодействия протонов с энергией 920 ГэВ/с с ядрами ряда проволочных мишеней, которые вставляются в гало протонного пучка коллайдера HERA, за мишенным узлом располагался магнитный спектрометр. Эксперимент начал набор данных весной 2000 г.

Поскольку сечение рождения B-мезонов очень мало, то для того чтобы получить приемлемую частоту рождения B-мезонов, эксперимент планировал вести набор данных при частоте взаимодействий 40 МГц. Поэтому возникла необходимость изготовить детекторы, которые могли бы эффективно работать при таких больших загрузках и высоком уровне радиации.

Чтобы справиться с регистрацией такого высокого потока заряженных частиц, основная трековая система эксперимента была разделена на две части с разными скоростями счета: внутренний трекер (ITR) вблизи пучковой трубы и внешний трекер (OTR), состоящий из дрейфовых камер сотовой структуры. Внешние размеры чувствительной области внутреннего трекера определялись требованием к однородности загрузки регистрирующих каналов внешнего трекера, которая не должна была быть выше критического значения 20. Область высокой интенсивности было предложено покрыть четырьмя детекторами на основе MСГК с размерами 25х25 см2, которые должны были быть изготовлены промышленным способом.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»