Газовый детектор

 

Изобретение относится к рентгеновскому ядерному приборостроению и может быть использовано для регистрации заряженных частиц и излучений. Газовый детектор содержит два плоско-параллельных проводящих слоя, резистивный слой и газовую прослойку между резистивным и вторым проводящим слоем, а также дополнительно введенный диэлектрический слой между первым проводящим и резистивным слоями, причем последние контактируют между собой по меньшей мере в одной точке поверхностей. По меньшей мере один проводящий слой выполнен в виде отдельных электрически изолированных один от другого элементов. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности регистрации за счет отвода накопленного заряда от места пробоя по резистивному слою к проводящему, а также упростить технологию изготовления. 5 ил., 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области рентгеновского и ядерного приборостроения и может быть использовано для регистрации заряженных частиц и излучений.

Известны газовые пропорциональные детекторы, содержащие помещенные в газовую среду, находящуюся под действием высокого напряжения, электроды, один из которых, преимущественно катод, выполнен в виде тела вращения, а другой - в виде тонкой нити (RU, N 1764090, кл. H 01 J 47/06, 1992 г., бюлл. N 35; RU, N 2062523, кл. H 01 J 47/06, 1996 г., бюлл. N 17). Они нашли широкое применение в физике высоких энергий, но сложны в изготовлении и не обладают достаточным быстродействием для прецезионных временных измерений.

Известны газовые детекторы, выполненные в виде плоскопараллельной камеры, например детектор, описанный в Technical Proposal for A Large Jon Collider Experiment (ALICE) at the CERN LHS, Printed at CERN, dec. 1995, стр. 64. Он содержит два плоскопараллельных металлических электрода, посредством керамики или пластика, размещенных на фиксированном расстоянии друг от друга, при этом пространство между электродами заполнено газовой средой, а постоянное напряжение, приложенное между ними, создает напряженность электрического поля, достаточную для лавинного пробоя газа, ионизируемого частицами высоких энергий. В процессе лавинного умножения свободные носители (ионизированные частицами), двигаясь в электрическом поле, рождают дополнительные электроны, обеспечивая газовое усиление. Однако в упомянутом приборе отсутствует механизм ограничения тока при лавинном пробое, поэтому детектор работает в режиме пропорционального усиления и лишь в узком диапазоне питающих напряжений. Частично эта проблема решается путем подачи питающих напряжений через R-C-R фильтр, обеспечивающий снижение напряжения между пластинами при протекании заряда. Однако при этом конечная величина постоянной времени цепи питания ограничивает загрузку детектора, то есть детектор эффективен лишь при малом количестве регистрируемых в единицу времени частиц.

Наиболее близким по сущности к заявляемому является газовый детектор (счетчик Пестова), также построенный по принципу плоскопараллельной камеры (Technical Proposal for A Large Jon Collider Experiment (ALICE) at the CERN LNS, Printed at CERN, dec. 1995, стр. 58). В нем снижение напряженности электрического поля в месте прохождения частицы, необходимое для ограничения процесса лавинного умножения, осуществляется за счет падения напряжения на резистивном (полупроводящем) слое, размещенном между проводящим слоем и газовой средой и выполняющем в этой конструкции роль анода. При этом газовое усиление детектора значительно выше, чем в ранее описанном, и существенно упрощена цепь питания. Однако возможность регулировки параметров детектора ограничивается узким перечнем используемых материалов, поскольку анод может быть изготовлен только из специального целиком полупроводящего (электронного типа) материала, к которым относятся, например, некоторые виды электротехнического стекла.

Настоящее изобретение решает задачу упрощения технологии изготовления детектора и регулировки его выходных параметров путем изменения механизма отвода накапливаемых зарядов, а именно путем отвода их от места пробоя по резистивному слою к металлическому электроду, а также повышения надежности прибора.

Задача решается тем, что в газовом детекторе, содержащем два проводящих слоя, например плоскопараллельных, и размещенный между ними резистивный слой и газовую прослойку, дополнительно введен диэлектрический слой между одним из проводящих и резистивным слоями, причем последние контактируют между собой по меньшей мере в одной точке поверхностей. При лавинном пробое детектор работает аналогично счетчику Пестова, при этом снижение напряженности электрического поля достигается за счет зарядки конденсатора, образованного границей раздела проводящий слой (например, металл) - диэлектрический слой и газовой прослойкой, под местом прохождения частицы с последующим рассасыванием заряда вдоль поверхности слоя по резистивному слою во все стороны и далее к металлу. В этом случае резистивный слой работает при меньших напряженностях электрического поля, а диэлектрический слой обеспечивает снижение напряженности электрического поля в газе в точке появления заряда.

Детектор может быть выполнен симметричным, то есть в него между вторым проводящим слоем и газовой прослойкой дополнительно введены контактирующие друг с другом второй резистивный и второй диэлектрический слои, при этом последний примыкает к второму проводящему слою, а второй резистивный слой контактирует с вторым проводящим по меньшей мере в одной точке поверхностей. При этом дополнительно снижается напряженность электрического поля в газовом зазоре над местом прохождения частиц. Наиболее технологичен газовый детектор, в котором точки контакта между проводящим и резистивным слоями расположены по периметру детектора. В этом случае сохраняется целостность чувствительной зоны детектора, предотвращаются краевые эффекты, что ведет к повышению эффективности регистрации. Оптимальной с точки зрения электрических характеристик детектора является толщина диэлектрического слоя, определенная из соотношения, выведенного из условия начального равенства в любом, сколь угодно малом элементе структуры емкости газового зазора и емкости между проводящим и резистивным слоями: d_д≅ ε_д·d_г/ε_г, где d_д - толщина диэлектрического слоя; d_г -толщина газовой прослойки; ε_д - диэлектрическая проницаемость материала диэлектрического слоя; ε_г - диэлектрическая проницаемость газа.

Проводящие слои газового детектора (по меньшей мере один из них) могут быть выполнены в виде отдельных электрически изолированных элементов. Сигнал в этом случае снимается с каждого элемента, координаты которого заданы геометрией прибора. Это позволяет существенно расширить возможности детектора и использовать его в качестве координатной системы.

Отдельные газовые детекторы могут быть собраны в пакет. При этом появляется возможность измерения энергии частиц по количеству сработавших приборов. Соединенные одним проводящим слоем детекторы сохраняют быстродействие при одновременном увеличении эффективности регистрации частиц и излучений.

В заявленном газовом детекторе при его повышенной эффективности и надежности обеспечена возможность изменением толщины диэлектрического слоя и проводимости резистивного слоя изменять его выходные характеристики: усиление, загрузочную способность и быстродействие.

Изобретение поясняется описанием и приложенными к нему чертежами. На фиг. 1 представлена схема газового детектора по п. 1; на фиг. 2 - то же по п. 3; на фиг. 3 - то же по п. 2; на фиг. 4 - то же по п. 5; на фиг. 5 - схема соединения нескольких газовых детекторов в один пакет.

Газовый детектор состоит из проводящего слоя 1, выполненного, например, в виде пластины, под которым размещен вновь введенный первый диэлектрический слой 2, контактирующий по поверхности с резистивным слоем 3. Слои 1 и 3 контактируют между собой по меньшей мере в одной точке поверхностей, в частности, расположенной на периметре детектора. Второй проводящий слой 4 разделен с резистивным слоем 3 газовой прослойкой 5. Расстояние, на которое отнесены слои 3 и 4, фиксировано изоляторами 6. Детектор может быть выполнен симметричным и содержать дополнительно второй диэлектрический 7 и второй резистивный 8 слои, введенные в контакт с уже существующими элементами 4 и 5. По меньшей мере один проводящий слой может быть выполнен в виде отдельных электрически изолированных друг от друга элементов. Нагрузкой газового детектора служат резисторы R_н. Проводящие слои 1 и 4 могут быть выполнены из металла, например Al, диэлектрические слои 2 и 7 - из Al₂O₃, а резистивные слои 3 и 8 - из TiC с ρ ~ 10²...10⁹Ω см. Газовой прослойкой может служить фреон. Толщина диэлектрического слоя выбрана d_д из соотношения: d_д≅ ε_д·d_г/ε_г, где d_г - толщина газовой прослойки, а ε_д и ε_г - диэлектрические постоянные диэлектрика и газовой прослойки соответственно.

Отдельные приборы могут быть собраны в пакет таким образом, что обращены друг к другу проводящими поверхностями, как одноименными, так и разноименными.

Детектор работает следующим образом. К слоям 1 и 4 прикладывают постоянное напряжение питания U_пит, создающее напряженность поля, достаточную для обеспечения лавинного пробоя газа под действием проходящих через него частиц и излучений. Образовавшиеся свободные электроны, двигаясь в электрическом поле, рождают дополнительные электроны, обеспечивая газовое усиление. С резистора нагрузки R_н, подсоединенного к проводящему слою, снимается токовый сигнал. Электроны заряжают элементарный конденсатор между слоями 1 и 5, что снижает напряженность электрического поля в газе под местом прохождения частицы, и пробой прекращается.

Газовый детектор используется в составе аппаратуры для регистрации заряженных частиц и излучений. Он обладает достаточной надежностью при невысоких требованиях к материалам и технологии изготовления.

Формула изобретения

1. Газовый детектор, содержащий два проводящих слоя и размещенные между ними резистивный слой и газовую прослойку, отличающийся тем, что в него дополнительно введен диэлектрический слой между одним из проводящих и резистивным слоями, при этом последние контактируют между собой по меньшей мере в одной точке поверхностей.

2. Газовый детектор по п.1, отличающийся тем, что между вторым проводящим слоем и газовой прослойкой дополнительно введены контактирующие друг с другом второй резистивный и второй диэлектрический слои, при этом последний примыкает к второму проводящему слою, а второй резистивный слой контактирует с вторым проводящим по меньшей мере в одной точке поверхностей.

3. Газовый детектор по п.1 или 2, отличающийся тем, что точки контакта между проводящим и резистивным слоями расположены по периметру детектора.

4. Газовый детектор по п.1, отличающийся тем, что толщина диэлектрического слоя выбрана из соотношения d_Д ≅ ε_Д·d_г/ε_г, где d_Д - толщина диэлектрического слоя; d_г - толщина газовой прослойки;
ε_Д - диэлектрическая проницаемость материала диэлектрического слоя;
ε_г - диэлектрическая проницаемость газа.

5. Газовый детектор по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один проводящий слой выполнен в виде отдельных электрически изолированных друг от друга элементов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5