Газовый электролюминесцентный детектор ионов и способ идентификации ионов

Изобретение относится к детекторам ионов на космических аппаратах и в области ускорительной атомной масс-спектрометрии с улучшенными характеристиками по степени идентификации ионов.

В обоих случаях подразумевается, что детектор работает в условиях вакуума - космического вакуума в первом случае и вакуума ускорительной камеры во втором случае. В первом случае потребность в предлагаемом продукте будет определяться задачами по надежности работы электроники космических аппаратов и по исследованию космического пространства, т.е. потенциальным потребителям является Роскосмос. Во втором случае потребность в продукте будет определяться исследовательскими центрами по датировке образцов с помощью идентификации ионов изотопов углерода и других ионов методом ускорительной масс-спектрометрии.

Как известно, Земля окружена магнитосферой, заполненной космической плазмой в виде радиационных поясов, в состав которой входят электроны, протоны и тяжелые заряженные частицы (тяжелые ионы). Диапазон энергий тяжелых ионов простирается от нескольких кэВ до десятков МэВ. Именно тяжелые ионы представляют основную опасность для космических аппаратов из-за своей сильно ионизирующей способности. Ярким примером воздействия ионов на аппаратуру спутников является провал мисси Фобос-Грунт в 2011 году: основной версией аварии стало воздействие на электронику тяжелого иона. Соответственно, космические аппараты должны иметь адекватную защиту своих чувствительных электронных компонент от прохождения ионов. Для разработки таких мер защиты нужно иметь эффективные детекторы ионов; они также нужны на борту космических аппаратов, чтобы отслеживать радиационную обстановку, которая сильно зависит от солнечной погоды - вспышек на Солнце.

Из уровня техники известны детекторы ионов на космических аппаратах, которые использовались еще в 70-х годах прошлого века (В. Wilken, Identification techniques for nuclear particles in space plasma research and selected experimental results, Rep. Prog. Phys. 47 (1984) 767-853). Наиболее эффективным методом регистрации ионов оказался метод измерения ионизационных потерь. В этом методе ионы идентифицируются по зависимости ионизационных потерь в тонком слое вещества (ΔЕ) от полной энергии (Е), поглощенной в толстом слое вещества. Роль толстого слоя, т.е. детектора полного поглощения ионов, играл стандартный кремниевый детектор толщиной 150 мкм, а роль тонкого слоя - специально разработанный тонкий кремниевый детектор толщиной всего 5 мкм.

К недостаткам кремниевых детекторов следует отнести высокий порог регистрации ионов, порядка 10 МэВ, а также сложность изготовления тонкого кремниевого детектора. Этот недостаток может быть преодолен, если в качестве тонкого слоя вещества использовать газовый детектор. Эта идея была реализована в комбинированном детекторе ионов на спутнике NASA NEE-I при его пролете в перигее орбиты через радиационные пояса Земли 15 Ноября 1977 года; детектор ионов в этом случае состоял из газового пропорционального счетчика и кремниевого детектора. Однако идентификация тяжелых ионов оставляла желать лучшего, особенно при энергиях менее 3 МэВ. Кроме того, данный детектор имел малую угловую апертуру (т.к. находился в фокусе электростатической системы для измерения заряда ионов); соответственно, он мог работать эффективно только с ортогональными треками ионов.

Для существенного улучшения разрешающей способности детектора ионов и увеличения его апертуры, очевидно, надо полностью восстанавливать ионный трек в пространстве, т.е. измерять все три его координаты - осуществлять трехмерное (3D) считывание, причем с измерением удельных ионизационных потерь вдоль трека (dE/dx). В газовом детекторе естественным воплощением 3D считывания с высоким разрешением по dE/dx является использование время-проекционной камеры (ВПК, ТРС). Нам неизвестно, чтобы кто-нибудь ранее использовал ВПК на космических аппаратах.

С другой стороны, совсем недавно было продемонстрировано успешное применение ВПК низкого давления в комбинации с кремниевым детектором в детекторе тяжелых ионов, работавшим в вакуумной камере (М. Cavallaro et al., The low-pressure focal plane detector of the MAGNEX spectrometer, Eur. Phys. J.A 48 (2012) 59). Такой детектор использовался в исследовании ядерных реакций на ускорителе ионов с энергией от 0.2 до 40 МэВ/нуклон. Детектор ионов состоял из кремниевого детектора и ВПК низкого давления (10 мбар), работающей в изобутане, с поперечным дрейфом электронов к треку и с многопроволочной пропорциональной камерой (МППК) в качестве торцевого детектора ВПК. Детектор имеет широкую апертуру как за счет полной реконструкции трека, так и за счет большого входного окна, размером 92×22 см², сделанного из пленки майлара толщиной 1.5 мкм, поддерживаемой сеткой из параллельных стальных проволочек диаметром 0.5 мм и шагом 10 мм. Такое тонкое окно (выдерживает давление до 100 мбар) обеспечивается низким рабочим давлением в камере; именно окно определяет низкий порог регистрации ионов начиная с энергии 0.5 МэВ/нуклон. К недостаткам такого детектора следует отнести прежде всего невысокое амплитудное разрешение МППК, обусловленное флюктуациями газового усиления в электронной лавине.

Этот недостаток устраняется, если вместо газового усиления в торцевом детекторе ВПК используется механизм пропорциональной электролюминесценции (ЭЛ) или вторичных пропорциональных сцинтилляций - в электролюминесцентной время-проекционной камере (G. Charpak et al., Neutral radiation detection and localization, US patent 4286158, 1979). Именно электролюминесцентная ВПК является наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению, т.е. является прототипом. Она состоит из корпуса с входным окном для пропуска регистрируемого излучения, заполненного благородным газом, дрейфового объема, снабженного катодом и полеформирующими электродами, обеспечивающими дрейф электронов первичной ионизации к области электролюминесценции - электролюминесцентному зазору (ЭЛ зазору), расположенному параллельно входному окну в противоположной стороне корпуса. В ЭЛ зазоре электрическое поле является достаточно сильным, чтобы вызвать вторичные (пропорциональные) сцинтилляции - пропорциональную электролюминесценцию. Вторичные фотоны, излучаемые благородными газами в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ), регистрируются с помощью фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), отделенных от ЭЛ зазора окном, либо прозрачным в ВУФ области, либо прозрачным в видимой области и в ближнем ультрафиолете и имеющим на своей поверхности пленку сместителя спектра в область чувствительности ФЭУ.

Однако такие электролюминесцентные ВПК обладают недостаточным пространственным разрешением, которое определяется размером ФЭУ (обычно - 5 см и более). Недостаточное пространственное разрешение таких приборов не позволяет осуществить трехмерное восстановление трека ионов, а значит, и эффективно идентифицировать ионы, особенно для наклонных треков, не перпендикулярных входному окну.

Задачей настоящего изобретения является создание газового электролюминесцентного детектора ионов, который должен быть способен эффективно регистрировать отдельные ионы, т.е. работать в режиме счета ионов при их полной остановке в детекторе, и идентифицировать ионы путем измерения одновременно их полной энергии, а также ионизационных потерь (dE/dx) вдоль трека путем его сегментации на сектора измерения как с достаточно высоким пространственным разрешением вдоль трека (Δх<1 см), так и с высоким энергетическим разрешением для каждого из сегментов трека (σ/Е<2%).

Технический результат: заявляемая совокупность признаков позволяет регистрировать и идентифицировать ионы с энергией выше порядка 1 МэВ, причем с достаточно высоким пространственным (<1 см) и энергетическим (<2%) разрешением, что позволит повысить способность к идентификации ионов по сравнению с другими детекторами ионов.

Поставленная задача решена тем, что в известном детекторе, работающем в условиях вакуума, состоящем из корпуса, заполненного благородным газом (Ar, Kr, Xe, Ne или He) при низком (около 0.01-0.5 атм) давлении, входного окна для пропуска ионов внутрь детектора, дрейфового объема, сформированного катодом из проводящей сетки и полеформирующими электродами, электролюминесцентного зазора (ЭЛ зазора), сформированного двумя проводящими параллельными сетками, фотоприемниками для регистрации пропорциональной электролюминесценции в ЭЛ зазоре, согласно изобретению фотоприемником является многоканальная сборка гейгеровских лавинных фотодиодов (ГЛФД) в виде матрицы, чувствительных в видимой и ближней инфракрасной (ИК) областях спектра или в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ), а плоскость ЭЛ зазора расположена либо перпендикулярно плоскости входного окна, т.е. вдоль трека иона и с поперечным дрейфом электронов первичной ионизации по отношению к треку, либо параллельно плоскости входного окна, т.е. поперек трека иона и с продольным дрейфом электронов первичной ионизации по отношению к треку.

Существенно, что гейгеровские лавинные фотодиоды (ГЛФД или «кремниевые фото-умножители», D. Renker and Е. Lorenz, Advances in solid state photon detectors, JINST 4 (2009) P04004) эффективно работают в режиме счета одиночных фотонов, при этом, в отличие от ФЭУ, являются компактными и дешевыми приборами с активной площадью, достигающей 6×6 мм², и низким рабочим напряжением, менее 100 В. Плоскость матрицы ГЛФД располагается параллельно плоскости электролюминесцентного зазора на расстоянии порядка шага ГЛФД в матрице.

Важным элементом детектора является входное окно, которое должно быть достаточно тонким, чтобы пропускать ионы низких энергий начиная с 1 МэВ и в то же время удерживать давление в детекторе вплоть до 0.5 атм. Например, как указано выше, окно из майлара (C₁₀H₈O₄) толщиной 1.5 мкм, поддерживаемое стальной сеткой с шагом проволок 10 мм, эффективно пропускает ионы He начиная с энергии порядка 1 МэВ и удерживает давление вплоть до 100 мбар на площади 2000 см². Поддерживающая сетка, однако, не обеспечивает достаточной плоскостности окна, выгибаясь наружу под действием давления в детекторе, что ведет к образованию мертвых зон регистрации трека иона. Эту проблему, а также задачу увеличения рабочего давления можно решить, заменив сетку на более жесткую поддерживающую структуру, а именно на толстый газовый электронный умножитель (ТГЭУ, A. Breskin et al., A concise review on THGEM detectors, Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009) 107) или его аналог в виде твердой пластины с множеством регулярных отверстий.

В случае расположения ЭЛ зазора перпендикулярно входному окну - в конце дрейфового объема, противоположном входному окну, может располагаться кремниевый детектор ионов полного поглощения для измерения полной энергии иона. В этом случае может использоваться электролюминесцентная ВПК более низкого давления (порядка 10 мбар), чтобы получить как можно более низкий энергетический порог регистрации ионов и иметь меньше проблем с изготовлением входного окна. Очевидно, что чем меньше давление в камере, тем проще изготовить входное окно большей площади для пропуска ионов низкой энергии.

Для регистрации пропорциональной электролюминесценции с ЭЛ зазора в видимой и ближней ИК области, где недавно были обнаружены интенсивные сцинтилляции благородных газов (A. Buzulutskov, Advances in Cryogenic Avalanche Detectors, JINST 7 (2012) C02025), могут использоваться стандартные ГЛФД, выпускаемые промышленностью, т.к. они обладают высоким квантовым выходом именно в этих областях спектра.

Для регистрации пропорциональной электролюминесценции с ЭЛ зазора в ВУФ области могут использоваться либо специальные безоконные ГЛФД для ВУФ области (они уже начинают выпускаться фирмой Hamamatsu) либо стандартные ГЛФД, чувствительные в видимой области, с нанесенным на их окна спектросмещающим покрытием (например, тетрафенилбутадиеном - ТФБ).

Возможен и другой вариант, когда спектросмещающее покрытие наносится на прозрачную диэлектрическую пластину (например, из органического стекла), расположенную между ЭЛ зазором и сборкой ГЛФД. В этом случае для увеличения эффективности сбора переизлученных фотонов может обеспечиваться оптический контакт между ГЛФД и пластиной путем их склеивания с помощью оптической замазки или оптического клея.

Кроме того, может быть реализовано интересное техническое решение для ЭЛ зазора: либо одна, либо обе проводящие сетки могут быть заменены толстыми газовыми электронными умножителями (ТГЭУ, A. Breskin et al., A concise review on THGEM detectors, Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009) 107), которые являются конструктивно более прочными и надежным. При этом дрейфующие электроны могут эффективно пропускаться через отверстия ТГЭУ в ЭЛ зазор за счет подачи определенного напряжения между электродами ТГЭУ. Такое техническое решение поможет решить проблему плоскостности, которая имеет важное значение для ЭЛ зазора, работающего при довольно высоких электрических полях (порядка 5-10 кВ/см в Ar при 1 атм).

Описание изобретения поясняется рисунками: Фиг. 1 - схема детектора с плоскостью ЭЛ зазора, расположенной перпендикулярно плоскости входного окна, т.е. с поперечным дрейфом электронов первичной ионизации по отношению к треку иона, и Фиг. 2 - схема детектора с плоскостью ЭЛ зазора, расположенной параллельно плоскости входного окна, т.е. с продольным дрейфом электронов первичной ионизации по отношению к треку иона. Одинаковые элементы обозначены одинаково. На схемах:

1 - корпус детектора, заполненный благородным газом (Ar, Kr, Xe, Ne или He)

2 - входное окно для пропуска ионов

3 - дрейфовый объем

4 - катод в виде проводящей сетки

5 - полеформирующие электроды дрейфового объема

6 - электролюминесцентный зазор ((ЭЛ зазор)

7 - электроды электролюминесцентного зазора в виде проводящих сеток

8 - матрица гейгеровских лавинных фотодиодов (ГЛФД)

9 - трек иона, останавливающегося в дрейфовом объеме

10 - дрейфующий электрон первичной ионизации

11 - фотон пропорциональной электролюминесценции в ВУФ или ближнем ИК диапазоне

Устройство работает следующим образом.

В основе лежит эффективное измерение полной энергии иона и его удельных ионизационных потерь вдоль трека за счет усиления сигнала электронов первичной ионизации (образованных в благородном газе на треке иона) в ЭЛ зазоре и регистрации этого сигнала с высоким пространственным и энергетическим разрешением с помощью матрицы ГЛФД.

Ионы проходят через тонкое входное окно 2 в корпусе детектора 1, попадая в его дрейфовый объем 3. В дрейфовом объеме детектора создают электрические поля прикладыванием соответствующих потенциалов к катоду 4, полеформирующим электродам 5 и проводящим сеткам 7 ЭЛ зазора 6. Электроны первичной ионизации 10, производимые ионом вдоль его трека 9, дрейфуют в газе к ЭЛ зазору. Под действием более сильного электрического поля в ЭЛ зазоре электроны излучают фотоны пропорциональной электролюминесценции в спектральной области вакуумного ультрафиолета (ВУФ) и ближней инфракрасной (ИК) области.

Пропорциональная электролюминесценция регистрируются в ВУФ или ближнем ИК диапазоне сборкой ГЛФД, расположенных в виде матрицы 8 непосредственно напротив ЭЛ зазора 6, на расстоянии порядка шага ГЛФД в матрице. В случае регистрации в ВУФ диапазоне либо используются специальные безоконные ГЛФД, чувствительные в ВУФ области спектра, либо стандартные ГЛФД, снабженные спектросмещающим покрытием, нанесенным либо на прозрачную диэлектрическую пластину перед матрицей ГДФД либо непосредственно на окна ГЛФД.

В случае расположения ЭЛ зазора перпендикулярно входному окну, т.е. вдоль трека иона (Фиг. 1), ионизационные потери вдоль сегментов трека измеряются теми ГЛФД матрицы, которые имеют обзор соответствующих секторов ЭЛ зазора, на которые проецируется трек иона. Помимо собственно амплитуды сигнала, пропорциональной ионизационным потерям, эти ГЛФД измеряют и координаты трека - по методу центра тяжести. В случае наклонных треков, т.е. не полностью перпендикулярных к входному окну, координата трека иона вдоль направления дрейфа электронов первичной ионизации измеряется еще и по времени дрейфа электронов.

В случае расположения ЭЛ зазора параллельно входному окну, т.е. поперек трека иона (Фиг. 2), используется базовый принцип работы время-проекционной камеры: ионизационные потери вдоль сегментов трека иона измеряются ГЛФД по амплитуде сигнала с привязкой по времени. Для наклонных треков координата трека иона поперек трека измеряется с помощью матрицы ГЛФД по методу центра тяжести.

В обоих случаях (Фиг. 1 и 2) используется электроника считывания сигнала на основе флэш-АЦП (Flash ADC).

Давление в детекторе можно подобрать таким образом, чтобы длина трека иона была порядка 10 см. В этом случае шаг ГЛФД в матрице в 1 см вполне решает задачу измерения удельных ионизационных потерь с достаточно высоким пространственным (<1 см) и энергетическим (<2% в каждом сегменте трека и <0.5% для полной энергии) разрешением путем сегментации трека на около 10 секторов длиной около 1 см каждый. Это позволит повысить способность к идентификации ионов по сравнению с другими типами детекторов ионов. Если принять размер входного окна порядка 10 см, то общее число каналов ГЛФД и сопутствующей электроники составит порядка 100, что является вполне экономным решением.

Способ идентификации ионов в детекторе осуществляется путем измерения одновременно их полной энергии, а также ионизационных потерь (dE/dx) вдоль трека путем его сегментации на сектора измерения с достаточно высоким пространственным разрешением вдоль трека (Δх<1 см) и с высоким энергетическим разрешением для каждого из сегментов трека (σ/Е<2%). Можно также дополнительно идентифицировать ионы по длине пробега в газе детектора.

В случае расположения ЭЛ зазора перпендикулярно входному окну, т.е. вдоль трека иона, ионизационные потери вдоль сегментов трека измеряют те ГЛФД матрицы, которые имеют обзор соответствующих секторов ЭЛ зазора, на которые проецируется трек иона. Помимо собственно амплитуды сигнала, пропорциональной ионизационным потерям, эти ГЛФД измеряют и координаты трека - по методу центра тяжести. В случае наклонных треков, т.е. не полностью перпендикулярных к входному окну, координата трека иона вдоль направления дрейфа электронов первичной ионизации измеряется еще и по времени дрейфа электронов.

В случае расположения ЭЛ зазора параллельно входному окну, т.е. поперек трека иона, используется базовый принцип работы ВПК: ионизационные потери вдоль сегментов трека иона измеряются ГЛФД по амплитуде сигнала с привязкой по времени. Для наклонных треков координата трека иона поперек трека измеряется с помощью матрицы ГЛФД по методу центра тяжести. Кроме того, в этом случае давление в камере должно быть достаточным для полной остановки ионов, чтобы можно было померить их полную энергию и пробег и таким образом идентифицировать ионы. Например, пробег ионов He²⁺ (альфа-частиц) с энергией 5 МэВ при давлении 1 атм составляет около 5 см и 2 см в Ar и Xe соответственно (кстати, пробег таких ионов в майларе - 25 мкм). Пробег более тяжелых ионов аналогичный энергии, в частности ионов углерода, бора и бериллия, - в 3-4 раза меньше (пробег ионов обратно пропорционален их массе). Таким образом, для длины трека иона в Ar, скажем, в 10 см (при полной остановке) нужно будет подбирать соответствующее давление, например около 0.15 атм, если оптимизировать детектор на регистрацию ионов углерода с энергией 5 МэВ.

В обоих случаях расположения ЭЛ зазора используется электроника считывания сигнала на основе флэш-АЦП (Flash ADC), т.е. измеряется амплитуда сигнала с привязкой по времени.

Можно оценить энергетическое разрешение для каждого из сегментов трека иона, обозреваемых конкретным ГЛФД, обусловленное статистически количеством фотоэлектронов, регистрируемых на ГЛФД от ЭЛ сигнала. Для определенности возьмем случай расположения ЭЛ зазора вдоль трека, ион He²⁺ с энергией 5 МэВ в Ar при давлении 0.5 атм, что соответствует длине трека 10 см, толщину ЭЛ зазора 1 см, вариант регистрации пропорциональной электролюминесценции в ближнем ИК диапазоне с помощью стандартных ГЛФД с квантовым выходом в области излучения Ar (700-900 нм) - 15%, размер активной области ГЛФД 6×6 мм², шаг размещения ГЛФД в матрице 1 см и расстояние ГЛФД от середины ЭЛ зазора 1 см, т.е. сегмент обзора каждого ГЛФД - около 1 см вдоль трека. Это означает, что на 1 см сегмента трека выделится в среднем 5/10=0.5 МэВ. Типичный выход электролюминесценции в ИК области с 2 мм ЭЛ зазора достигал 4×10⁵ фотонов на МэВ (A. Bondar et al., Study of infrared scintillations in gaseous and liquid argon. Part II: light yield and possible applications, JINST 7 (2012) P06014), т.е. для 1 см зазора он будет в пять раз больше, т.е. на 1 см трека составит 10⁶ фотонов. Удельный телесный угол каждого ГЛФД по отношению к центру своего сегмента ЭЛ зазора можно оценить как 0.6×0.6/1²/4π=0.029. Таким образом, учитывая квантовый выход (15%), типичное число фотоэлектронов на ГЛФД со своего сегмента обзора трека иона составит около 10⁶×0.029×0.15=4000 ф.э., что по статистике Пуассона соответствует достаточно высокому энергетическому разрешению σ/E=1/√4000=2% (для полной энергии разрешение составит σ/E=1/√(4000*10)=0.5%). Такое разрешение позволит эффективно измерять изменение ионизационных потерь вдоль трека, от сегмента к сегменту, и таким образом эффективно идентифицировать ионы. При регистрации электролюминесценции в ВУФ области ожидаемое число фотоэлектронов на ГЛФД будет еще больше, что даст еще более высокое энергетическое разрешение.

В обоих случаях расположения ЭЛ зазора первичная идентификация ионов может осуществляться по графику зависимости ионизационных потерь в детекторе на данном сегменте трека (ΔЕ) от полной выделенной энергии (Е). Кроме того, реконструкция ионного трека, в частности, его длины позволит измерить удельные ионизационные потери вдоль трека (dE/dx) от сегмента к сегменту, что позволит идентифицировать ионы с более высоким разрешением вплоть до разделения изотопов одного сорта ионов, например С¹⁴ от С¹². Последнее важно для ускорительной масс-спектрометрии. Измерение dE/dx вдоль трека также позволит получить дополнительную информацию, в частности, о заряде и скорости иона согласно формуле Бета-Блоха. Это еще более повысит разрешающую способность детектора к идентификации ионов. Заметим, что измерение удельных ионизационных потерь dE/dx является новым качеством, не использовавшимся ранее в детекторах ионов на космических аппаратах. Можно также дополнительно идентифицировать ионы по длине пробега в газе детектора.

Более высокое разрешение детектора по dE/dx, а значит, и более высокая разрешающая способность к идентификации ионов по различию ионизационных потерь, достигается за счет оригинальной идеи по использованию многоканальной матрицы ГЛФД, осуществляющих оптическое считывание ЭЛ зазора. Такой детектор будет существенно (в несколько раз) превосходить имеющиеся детекторы ионов по разрешающей способности к идентификации ионов.

Таким образом, заявляемая совокупность признаков позволяет регистрировать и идентифицировать ионы с энергией выше порядка 1 МэВ, причем с достаточно высоким пространственным (<1 см) и энергетическим (<2%) разрешением, что позволит повысить способность к идентификации ионов по сравнению с другими детекторами ионов.