Mnożnik elektronów gazowych

Gazowy powielacz elektronów (GEM) to rodzaj gazowego detektora jonizacji stosowanego w fizyce jądrowej i cząsteczkowej oraz wykrywaniu promieniowania.

Wszystkie gazowe detektory jonizacji są w stanie zbierać elektrony uwalniane przez promieniowanie jonizujące , kierując je w obszar o dużym polu elektrycznym , inicjując w ten sposób lawinę elektronów . Lawina jest w stanie wytworzyć wystarczającą liczbę elektronów, aby wytworzyć prąd lub ładunek wystarczająco duży, aby został wykryty przez elektronikę. W większości detektorów jonizacji duże pole pochodzi z cienkiego drutu o dodatnim potencjale wysokiego napięcia; ten sam cienki drut zbiera elektrony z lawiny i kieruje je w stronę elektroniki odczytowej. Klejnoty wytwarzają duże pole elektryczne w małych otworach w cienkiej warstwie polimeru; lawina występuje wewnątrz tych dziur. Powstałe elektrony są wyrzucane z arkusza, a do ich zbierania i kierowania w kierunku odczytu należy użyć osobnego systemu.

GEM należą do klasy gazowych detektorów mikrowzorców ; ta klasa obejmuje mikromega i inne technologie.

Historia

Klejnoty zostały wynalezione w 1997 roku w Grupie Rozwoju Detektorów Gazu w CERN przez fizyka Fabio Sauli.

Operacja

Typowe klejnoty są zbudowane z folii kaptonowej o grubości 50–70 mikrometrów pokrytej miedzią po obu stronach. Proces fotolitografii i trawienia kwasem powoduje wykonanie otworów o średnicy 30–50 mikrometrów w obu warstwach miedzi; drugi proces trawienia rozciąga te otwory na całą długość kaptonu. Małe otwory mogą być bardzo regularne i stabilne wymiarowo. W celu działania napięcie 150–400 V jest umieszczane na dwóch warstwach miedzi, wytwarzając duże pola elektryczne w otworach. W tych warunkach, w obecności odpowiednich gazów, pojedynczy elektron wpadający do dowolnej dziury stworzy lawinę zawierającą 100–1000 elektronów; to jest „zysk” GEM. Ponieważ elektrony wychodzą z tyłu GEM, drugi GEM umieszczony po pierwszym zapewni dodatkowy etap wzmocnienia. Wiele eksperymentów wykorzystuje podwójne lub potrójne stosy GEM, aby osiągnąć zyski rzędu miliona lub więcej.

Działanie komór drucianych zwykle wymagało tylko jednego ustawienia napięcia: napięcie na drucie zapewniało zarówno pole dryfu, jak i pole wzmocnienia. Detektor oparty na GEM wymaga kilku niezależnych ustawień napięcia: napięcia dryfu, aby poprowadzić elektrony z punktu jonizacji do GEM, napięcia wzmocnienia oraz napięcia ekstrakcji/przeniesienia, aby poprowadzić elektrony z wyjścia GEM do płaszczyzny odczytu. Detektor z dużym obszarem dryfu może działać jako komora do projekcji czasu ; detektor z mniejszym obszarem dryfu działa jak prosty licznik proporcjonalny .

Komorę GEM można odczytać za pomocą prostych pasków przewodzących ułożonych na płaskiej płaszczyźnie; płaszczyznę odczytu, podobnie jak sam GEM, można wytworzyć zwykłymi technikami litograficznymi na zwykłych materiałach płytek drukowanych. Ponieważ paski odczytowe nie biorą udziału w procesie amplifikacji, mogą być wykonane w dowolnym kształcie; Możliwe są paski i siatki 2-D , pola sześciokątne, segmenty promieniowe/azymutalne i inne geometrie odczytu.

Używa

Klejnoty były używane w wielu typach eksperymentów fizyki cząstek elementarnych. Jednym z godnych uwagi wczesnych użytkowników był eksperyment COMPASS w CERN. Detektory gazu oparte na GEM zostały zaproponowane dla komponentów Międzynarodowego Zderzacza Liniowego , eksperymentu STAR i eksperymentu PHENIX w Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów i innych. Zalety GEM-ów w porównaniu do wielodrutowych komór proporcjonalnych , obejmują: łatwość produkcji, ponieważ wielkopowierzchniowe klejnoty mogą być w zasadzie produkowane masowo, podczas gdy komory druciane wymagają pracochłonnego i podatnego na błędy montażu; elastyczna geometria, zarówno GEM, jak i pól odczytowych; oraz tłumienie jonów dodatnich, które było źródłem zniekształceń pola w komorach projekcji czasu pracujących z dużymi prędkościami. Szereg trudności produkcyjnych nękało wczesne GEM, w tym niejednorodność i zwarcia, ale zostały one w dużej mierze rozwiązane.