1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Приборы и техника эксперимента
  4. № 6, 2021

Приборы и техника эксперимента, 2021, № 6, стр. 5-7

К ВОПРОСУ О МЕХАНИЗМАХ ПРОБОЯ В МИКРОСТРУКТУРНЫХ ГАЗОВЫХ ДЕТЕКТОРАХ (обзор)

В. И. Разин *

Институт ядерных исследований РАН
117312 Москва, просп. 60-летия Октября, 7а, Россия

* E-mail: razin@inr.ru

Поступила в редакцию 22.04.2021
После доработки 07.06.2021
Принята к публикации 15.06.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты исследования причин возникновения пробоев в микроструктурных газовых детекторах. Согласно экспериментальным данным, основу такого процесса составляют три независимых источника: коронный разряд, стримерный разряд и поляризация диэлектрика при протекании зарядов внутри детектора. Показаны несколько способов повышения стойкости приборов данного типа к разрушениям от действия искр.

1. ВВЕДЕНИЕ

Микроструктурные газовые детекторы (Micro-Pattern Gas Detector – MPGD) широко применяются в технике ядерно-физического эксперимента и для решения других прикладных задач, что обусловлено целым рядом таких их привлекательных черт, как высокие пространственное и временное разрешения, способность работать в более интенсивных пучках по сравнению с проволочными устройствами, а также возможность промышленного воспроизводства на основе новейших достижений в области микроэлектроники [1–3].

Вместе с тем приборы данного типа имеют существенный недостаток, связанный с уменьшенным расстоянием между электродами, что приводит к увеличению вероятности искрового пробоя. Этот процесс достаточно подробно исследован в работе [4], где также показано, что одной из особенностей детекторов MPGD является возможность работать в каскадном режиме. Часть лавинного заряда из одного газового электронного умножителя (GEM – Gas Electron Multiplier) может быть перенаправлена в другой. Таким способом общий коэффициент размножения электронов А может быть доведен до значения 5 · 103 в обычной газовой смеси без пробоя [5].

В некоторых устройствах с детектирующей поверхностью большой площади (порядка нескольких квадратных метров) электрические пробои происходят при освобождении энергии, запасенной на этих плоскостях, как на конденсаторах большой емкости. Этот разряд может привести к деструктивному эффекту, распространяясь к аноду и разрушая элементы считывающей электроники [6]. Предложенный в работе [6] метод разделения чувствительной поверхности на ряд секторов, подключаемых через высокоомные резисторы к системе питания, позволяет значительно снизить энергию разряда. Таким способом можно достичь более равномерного сигнального отклика со всей площади MPGD, что обеспечит возможность применения этого метода в физических приложениях, где имеется высокая вероятность электрических пробоев при больших загрузках.

Особое место в методике борьбы с пробоями в MPGD занимает микросеточный газовый детектор (MICROMEGAS – Micro-MEsh Gaseous Structure), описанный Ж. Шарпаком в 1996 г. в работе [7]. Практически этот прибор представляет собой плоскопараллельный лавинный счетчик с очень узким (50–100 мкм) зазором между катодной сеткой и анодной плоскостью в виде печатной платы. Благодаря такому решению из конструкции MICROMEGAS практически исключены (или сведены в ней к минимуму) диэлектрические элементы во избежание их поляризации и возникновения спонтанного искрового разряда. Точность ширины зазора выдерживается при помощи системы растяжек катодной сетки, изготовленной путем навивки резистивной проволоки круглого сечения без применения спейсера. Высокие пространственное, временное и энергетическое разрешения (30 мкм, 70 пс, 20%) при регистрации минимально ионизирующих частиц делают этот прибор более предпочтительным при решении многих экспериментальных задач. Следует отметить также слабое звено в конструкции MICROMEGAS: вследствие малого зазора между катодом и анодом не удается получить коэффициент размножения электронов А выше 5 ⋅ 103 из-за высокой вероятности выбивания вторичных электронов из катода ультрафиолетовыми фотонами и возникновения самостоятельного разряда, согласно правилу Рэтера [8].

2. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПРЕДПРОБОЙНЫХ И ПРОБОЙНЫХ ЯВЛЕНИЙ В MPGD

2.1. Самостоятельный коронный разряд

В ИЯИ РАН накоплен существенный опыт в исследовании механизма предпробойных и пробойных явлений в газовых детекторах различных конструкций. В работе [9] предложена методика тренировки многопроволочных пропорциональных камер на воздухе. Она основана на опыте применения формулы Пика для определения предельной напряженности электрического поля в районе анодного электрода с малым радиусом кривизны при таундсендовском лавинном размножении электронов до возникновения коронного разряда [10]. Оказалось, что данная методика вполне применима при определении напряженности электрического поля в MPGD различных конструкций, например: в GEM, толстых газовых электронных умножителях (TGEM – Thick Gas Electron Multiplier), а также в MICROMEGAS, электроды которых имеют острые края с радиусом R ≤ 5 мкм. При этом коронный разряд в данных устройствах возникает гораздо раньше, чем они произведут сигнал от детектируемой частицы. В результате коронный разряд распространяется вдоль поверхности с острыми краями в виде светящегося слоя за счет фотоионизации молекул газа при соответствующей напряженности электрического поля.

2.2. Самостоятельный стримерный разряд

Другим инициатором пробойных явлений в газовых детекторах может быть самостоятельный стримерный разряд. Он происходит в результате электростатического взаимодействия между положительным зарядом ионов, движущихся от анодного электрода, и наведенным отрицательным зарядом на катодном электроде, что соответствует условиям пробоя, выведенным Рэтером в работе [8].

Процесс распространения ионизационной волны от такого взаимодействия внутри газового объема имеет длительность порядка нескольких наносекунд. После его прохождения в газовом детекторе наблюдается светящийся столб или шнур благодаря фотонам с энергией порядка 1.5 эВ, возникающим в результате рекомбинации положительных и отрицательных ионов. Вероятность перехода стримерного газового разряда в искровой пробой можно существенно снизить при использовании газовой смеси с электроотрицательными добавками и резистивных электродов круглого сечения диаметром 30–50 мкм с ρ = 107 Ом/см.

2.3. О влиянии диэлектрического материала на пробои в конструкциях MPGD

В конструкциях MPGD часто находят применение диэлектрические материалы или подложки в виде спейсеров, служащие в качестве изоляторов между электродами. Однако при длительном протекании разрядного тока и тока утечки они подвергаются нагреванию, что приводит к значительному изменению их структуры, а также к образованию поляризационных зон или доменов. Такие образования могут служить источниками взрывной ионизации, ухудшающими изоляционные свойства диэлектрика с переходом в искровой пробой. Пока этот процесс исследован мало по сравнению с действием коронного или стримерного разряда, но он также является источником негативных воздействий на MPGD при длительной эксплуатации приборов в условиях высоких пучковых загрузок.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕСТИРОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК TGEM

Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы:

а) в одноступенчатой конструкции TGEM с электродами из стеклотекстолита с отверстиями, изготовленными механическим сверлением, не удается получить коэффициент размножения электронов А ≥ 102 из-за коронного разряда по поверхности отверстия;

б) коэффициент размножения электронов А ≤ 104 достигается в одноступенчатой конструкции TGEM c круглыми металлическими электродами, имеющими радиус R ≥ 20 мкм, без применения диэлектрических спейсеров [11];

в) в конструкции резистивного TGEM со стрипами из проводящей краски с ρ = 20 кОм/см, нанесенной на поливинилхлоридную основу, был достигнут коэффициент А ≤ 104, ограничение процесса размножения электронов было связано с развитием стримерного разряда [12];

г) хороший результат, с коэффициентом электронного размножения А ≤ 5 ⋅ 104, был получен в одноступенчатой конструкции TGEM c сеточными электродами из бериллиевой бронзы толщиной 50 мкм без диэлектрического спейсера, сетки были изготовлены методом химического травления во избежание появления острых кромок; более высокого значения А достичь не удалось из-за появления стримерных явлений [13].

4. ВЫВОДЫ

Целесообразны следующие пути улучшения рабочих характеристик МPGD:

1) стойкость к пробоям и утечкам заряда в плоских микростриповых газовых детекторах типа MSGD можно значительно повысить при нанесении на края стрипов по всей их длине круглых подложек из нержавеющей стали или меди с радиусом R = 20–30 мкм при изготовлении стрипов из этого материала;

2) вероятность коронного разряда в дырочных микроструктурных газовых детекторах типа GEM, TGEM, MICROMEGAS можно свести к минимуму, применяя металлические сеточные структуры круглой формы с R ≥ 20 мкм;

3) стримерную моду разряда, а также спонтанный всплеск разрядного тока из-за стекания заряда из доменов диэлектрика можно существенно ограничить, применяя резистивные круглые электроды с R ≥ 20 мкм и ρ ≥ 50 кОм/см;

4) применение диэлектрических материалов в газоразрядных промежутках в качестве спейсеров следует свести к минимуму.

Список литературы

  1. Sauli F. // Nucl. Instrum. and Methods Phys. Res. Sect. A. 1997. V. 386 (2). P. 531.

  2. Francke T., Peskov V. Innovative Applications and Developments of Micro-Pattern Gaseous Detectors. IGI global, 2014. https://doi.org/10.4018/978-1-4666-6014-4

  3. Garcia F., Brunbauer F.M., Lisowska M., Muller H., Oliveri E., Pfeiffer D., Ropelewski L., Samarati J., Sauli F., Scharenberg L. // Journal of Instrumentation. 2021. V. 16(1). T01001. https://doi.org/10.1088/1748-0221/16/01/T01001

  4. Fonte P., Peskov V., Ramsey B.D. // IEEE Trans. Nucl. Scie. 1999. V. 46. P. 321. doi . 775537https://doi.org/10.1109/23

  5. Ketzer B., Weitzel Q., Paul S., Sauli F., Ropelewski L. // Nucl. Instrum. and Methods Phys. Res. A. 2004. V. 535. P. 314. https://doi.org/10.1016/j.nima.2004.07.146

  6. Marques A.P., Brunbauer F.M., Miller H., de Oliveira R., Oliveri E., Pfeifer D., Ropelewski L., Samarati J., Sauli F., Sharenberg L., Shang I., van Stenis M., Williams S., Zhou Y. // Nucl. Instrum. and Methods Phys. Res. A. 2020. V. 961. Article 163673. https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.163673

  7. Giomataris Y., Reburgeard Ph., Robert J.P., Charpak G. // Nucl. Instrum. and Methods Phys. Res. A. 1996. V. 376. P. 29.

  8. Raether H. Electron Avalanches and Breakdown in Gases. London: Butterworts, 1964.

  9. Пантуев В.С., Разин В.И. Препринт ИЯИ П-0571. Москва, 1987.

  10. Пик Ф.В. Диэлектрические явления в технике высоких напряжений. Коронный разряд на проводах / Пер. с англ. Под общ. ред. Г.А. Эпштейна. М.: Госэнергоиздат, 1934.

  11. Ovchinnikov B.M., Razin V.I., Reshetin A.I., Filippov S.N. // Presented at the RD51 Collaboration Meeting, CERN, November 2009. arXiv: 0911.4807 [physics.ins-det]. 2009.

  12. Разин В.И., Решетин А.И., Филиппов С.Н. // ПТЭ. 2011. № 5. С. 115

  13. Разин В.И. // ПТЭ. 2019. № 1. С. 66. https://doi.org/10.1134/S003281621901021X

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Приборы и техника эксперимента

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал