Газовые электронные умножители

Рис. 1. Электрическое поле в ГЭУ.

    Газовый электронный умножитель (ГЭУ), или Gas Electron Multiplier (GEM) был изобретен Ф. Саули в 1996 г. В ГЭУ используется газовое усиление в отверстиях. Газовый электронный умножитель представляет собой тонкую диэлектрическую каптоновую* пленку, толщиной ~20-50 мкм, покрытую с обеих сторон медной фольгой толщиной ~5-20 мкм, с регулярной структурой отверстий диаметром от нескольких десятком до нескольких сотен мкм. Отверстия имеют форму двойного конуса и расположены друг от друга на расстоянии от сотни до тысячи мкм. При подаче разности потенциалов между металлическими электродами в отверстиях образуется сильное электрическое поле – порядка десятков кВ/см. Типичная картина электрического поля показана на рис. 1. Первичные электроны, рожденные излучением в газовом промежутке перед ГЭУ, дрейфуют вдоль силовых линий и фокусируются в отверстия, в которых под действием сильного электрического поля развиваются электронные лавины. Таким образом, каждое отверстие представляет собой независимый пропорциональный счетчик.

Рис. 2. Схема однокаскадного ГЭУ.

    На рис. 2. показана схема однокаскадного ГЭУ. В верхней части рисунка изображен катод, за следует дрейфовый промежуток, далее – ГЭУ. После ГЭУ возникшие в нем электронные лавины проходят индукционный промежуток и попадают на секционированный анод.
    Для того, чтобы увеличить коэффициент усиления, нужно повысить рабочее напряжение. Однако, однокаскадные ГЭУ неустойчивы к пробоям. Решение этой проблемы в использовании нескольких каскадов усиления, что позволяет снизить рабочее напряжение на каждом ГЭУ. Наибольшее распространение получили трехкаскадные ГЭУ.
    Кэффициент усиления каскадных ГЭУ 10⁵ и более. ГЭУ компактны –  расстояние между катодом а первым каскадом ~3 мм, между каскадами –  1 мм. Они имеют хорошее пространственное (несколько десятков мкм) и временное (несколько нс) разрешение.
    Интерес к детекторам на основе каскадных ГЭУ постоянно растет. В частности, каскадные ГЭУ находят применение в трековых детекторах, быстрых детекторах для триггерных систем, торцевых детекторах для время-проекционных камер, черенковских детекторах, нейтронных детекторах, детекторах синхротронного излучения, газовых фотодетекторах. Криогенные лавинные детекторы на основе каскадных ГЭУ предполагается применить для регистрации нейтрино, темной материи и когерентного рассеяния нейтрино на ядрах.

* Каптон – это полиамидная пленка. Каптон остается стабильным в широком диапазоне температур. У него хорошие диэлектрические свойства, низкий уровень дегазации. Он доступен в виде тонких листов.

Литература

• А. Ф. Бузулуцков. Физические основы работы каскадных газовых электронных умножителей
• А. Ф. Бузулуцков. Газовые фотодетекторы с твердыми фотокатодами
• М. Д. Шафранов. Микроструктурные газовые координатные детекторы
• A GEM of a detector
• R.Bouclier, M.Capeáns, W.Dominik et al. The Gas Electron Multiplier (GEM)
• A. Milov. Hadron Blind Detector for the PHENIX Experiment at RHIC
• Rachel Chechik and Amos Breskin. Advances in Gaseous Photomultipliers