Введение к работе
Актуальность темы
Получение новых знаний в современной физике невозможно без развития новых экспериментальных методик. В физике высоких энергий, ядерной физике и астрофизике это относится, прежде всего, к развитию новых методов регистрации излучений и разработке новых типов детекторов излучений. Благодаря многообразию и сложности физических явлений, лежащих в основе работы детекторов излучений, их изучение стало представлять самостоятельный интерес.
В физике высоких энергий и ядерной физике детекторы излучений подразделяются на два основных класса - детекторы ионизирующих излучений и фотодетекторы (детекторы фотонов в видимой и УФ области спектра). С другой стороны, детекторы излучений подразделяются на газовые, вакуумные, твердотельные и жидкостные детекторы. В физике высоких энергий газовые детекторы, работающие в лавинном режиме, являются самым распространенным типом детекторов излучений. Они и составляют главный предмет исследований в настоящей работе.
До недавнего времени основными детекторами этого типа являлись проволочные камеры [69]. Ситуация существенно изменилась с появлением микроструктурных газовых детекторов (МСГД) [70], первым представителем которых была микрополосковая газовая камера. Их главное отличие от проволочных камер заключалось в уменьшении на порядок размеров усилительной ячейки, что было достигнуто с помощью методов фотолитографии. Это привело к существенному улучшению пространственного разрешения и загрузочной способности газовых детекторов, что является совершенно необходимым для работы в условиях центральных трековых систем на строящихся и проектируемых ускорителях частиц на встречных пучках, в частности на Большом адронном коллайдере LHC.
Газовый электронный умножитель или Gas Electron Multiplier (ГЭУ или GEM) [53,71] относится к классу микроструктурных газовых детекторов и, очевидно, является его наиболее успешным представителем. Он был изобретен Ф. Саули в 1997 году в CERN; в нем используется новый принцип газового усиления, а именно - усиление в отверстиях. Интерес к детекторам на основе ГЭУ постоянно растет. Достаточно сказать, что число публикаций по этой теме превысило пять сотен, а возможные применения ГЭУ давно вышли за рамки собственно физики высоких энергий (см. обзоры [53,55]). Поэтому актуальной была задача изучения свойств ГЭУ и физических основ их работы на начальном этапе их развития, а также была и остается актуальной разработка новых типов детекторов излучений на основе ГЭУ. В пользу этого говорит, например, факт образования коллаборации RD51 в CERN в 2008 г. специально для исследования и развития таких детекторов, в которую вошли 55 институтов [72].
Что касается газовых фотодетекторов, чувствительных к одиночным фотонам и использующих принцип лавинного усиления в газах, интерес к ним не ослабевает в течение более четверти века (см., например, [30]). Преимущества газовых фотодетекторов перед вакуумными заключаются в большой рабочей площади, удобными методами считывания координатной информации и способности работать в магнитном поле, а перед полупроводниковыми - еще и в меньшем уровне шумов. С другой стороны, по таким параметрам, как амплитудное и временное разрешение, они уступают вакуумным фотодетекторам. Таким образом, газовые фотодетекторы применяются там, где требуются координатные фотодетекторы относительно большой площади (более квадратного дециметра), в частности в детекторах колец излучения Вавилова-Черенкова(ЫСН-детекторах).
Наиболее перспективными считаются газовые фотодетекторы с твердыми фотокатодами вообще и с Csl фотокатодом в частности (см. обзор [55]). Их преимущества заключаются в способности работать в широком диапазоне температур и давлений, совместимости с отпаянными приборами, разнообразии способов стыковки с усилительными структурами и чувствительности в видимой области. Кроме того, для Csl фотокатодов, которые чувствительны в ультрафиолетовой (УФ) области, достоинством является высокий квантовый выход в области сцинтилляций благородных газов, что может найти применение в жидкостных сцинтилляционных криогенных детекторах. Тем не менее, применение газовых фотодетекторов с твердыми фотокатодами пока ограничивается несколькими действующими и проектируемыми RICH-детекторами на основе Csl фотокатода, работающими на продуве газа. Это связано с тем, что до сих пор остается актуальной разработка более совершенных и практичных газовых фотодетекторов [55], таких как на основе ГЭУ [31,32,37], отпаянных [34,35] и с фотокатодами для видимой области [20,41,42], включая фотокатоды с защитными диэлектрическими наноплен-ками [11,13,14,16,18,21,22,29]. В случае успеха, они могли бы составить конкуренцию ФЭУ в их традиционных областях применения.
Основная цель работы состоит в разработке новых методов регистрации излучений на основе ГЭУ и газовых фотодетекторов. Более конкретно, она посвящена изучению физических процессов, происходящих в ГЭУ и газовых фотодетекторах, изучению свойств ГЭУ, разработке на их основе трековых детекторов, детекторов высокого давления и криогенных лавинных детекторов, включая двухфазные лавинные детекторы, изучению свойств твердых фотокатодов для газовых фотодетекторов и защитных пленок для фотокатодов, разработке газовых фотодетекторов на основе ГЭУ.
Областью исследования настоящей работы является следующее: физические явления и процессы в ГЭУ и газовых фотодетекторах, которые могут быть использованы для создания принципиально новых приборов и методов
экспериментальной физики; новые принципы и методы измерений физических величин, основанных на достижениях в области физики ГЭУ и газовых фотодетекторов и позволяющих существенно увеличить точность, чувствительность и быстродействие измерений в физике высоких энергий, астрофизике и прикладных областях; экспериментальные установки для проведения исследований в области физики регистрации излучений.
Научная новизна работы
Разработаны первые трехкаскадные газовые детекторы, а именно -трехкаскадные ГЭУ; доказана необходимость их использования для решения фундаментальной проблемы пробоев в трековых микроструктурных газовых детекторах.
Предложена и реализована идея эффективной работы ГЭУ в чистых благородных газах, в том числе, при высоких давлениях и криогенных температурах.
Разработаны двухфазные лавинные детекторы на основе ГЭУ, впервые стабильно работающие в режиме газового усиления.
Разработана методика эффективных фотокатодов для УФ области для применения в газовых фотодетекторах.
Предложена и реализована идея эффективных композиционных фотокатодов для видимой области, защищенных диэлектрическими нанопленками.
Разработаны первые газовые фотодетекторы на основе ГЭУ.
Кроме того, были получены новые знания по физическим явлениям и процессам из области физики регистрации излучений; они перечислены ниже в пункте 10 основных положений работы, выносимых на защиту.
Теоретическая ценность работы состоит в том, что были теоретически обоснованы механизмы и построены модели следующих явлений из области физики регистрации излучений вообще и физики каскадных ГЭУ в частности [53,55]: электронные лавины в благородных газах при больших плотностях и низких температурах; ионный обратный ток в каскадных ГЭУ; обратное рассеяние фотоэлектронов на фотокатод в газе; фотоэлектронная эмиссия в сильном электрическом поле; фотоэлектронная эмиссия через на-нопленки; фотонные и ионные обратные связи в детекторах на основе ГЭУ.
Практическая ценность работы состоит в том, что замечательные свойства детекторов ионизирующих излучений на основе ГЭУ, обнаруженные и подробно исследованные в настоящей работе, сделали возможным их применение в физике высоких энергий, ядерной физики, астрофизике, в области медицинской визуализации и в других областях.
В результате трехкаскадный ГЭУ стал самым распространенным типом микроструктурных газовых детекторов, а трековые детекторы на основе трехкаскадного ГЭУ стали применяться в экспериментах на ускорителях в ИЯФ и CERN и в других экспериментах [53]: в трековых системах [73,74],
триггерных системах [76], торцевых детекторах для время-проекционных камер [77,78], нейтронных детекторах [79], детекторах синхротронного излучения [80].
Уникальное свойство каскадных ГЭУ эффективно работать в чистых благородных газах, в том числе при криогенных температурах, обнаруженное и подробно исследованное в настоящей работе, позволило изучить физику электронных лавин в благородных газах впервые при больших плотностях и низких температурах [39,45,48,50,53], а также разработать новые типы детекторов излучений [53]. В частности, разработка криогенных двухфазных лавинных детекторов на основе ГЭУ открыла новые направления в развитии детекторов для регистрации солнечных нейтрино [81], нейтрино от ускорителей и космических лучей [82], темной материи [83,84], когерентно-рассеянных нейтрино [85,86] и для позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ) [53].
Аналогично, замечательные характеристики газовых фотодетекторов с твердыми фотокатодами на основе ГЭУ, полученные в настоящей работе, сделали их привлекательными для ряда применений: эффективные Csl фотокатоды нашли применения в RICH-детекторах в экспериментах в CERN, GSI и BNL [55], а газовый фотодетектор на основе ГЭУ, работающий в чистом CF4, - в черенковском детекторе в эксперименте PHENIX в BNL [87]. Что касается криогенных двухфазных лавинных детекторах с Csl фотокатодом, то их предполагается использовать в низкофоновых экспериментах по регистрации темной материи [88], а также в ПЭТ [55]. Кроме того, в результате обнаружения уникальной способности некоторых диэлектрических нанопленок эффективно защищать фотокатоды, было открыто новое направление в развитии газовых фотодетекторах, а именно направление композиционных фотокатодов для газовых фотодетекторов [55].
Основные положения работы, выносимые на защиту
-
Разработана методика детекторов излучений на основе газовых электронных умножителей (ГЭУ). В частности, изучены физические принципы работы ГЭУ, на их основе разработана методика изготовления ГЭУ размером до 10x10 см2 и сборки из них трековых детекторов, а также методы применения ГЭУ в детекторах высокого давления, криогенных детекторах и газовых фотодетекторах.
-
Разработаны первые трехкаскадные газовые детекторы, а именно трехкаскадные ГЭУ, и решена фундаментальная проблема пробоев в трековых микроструктурных газовых детекторах с их помощью [33,53].
-
Обнаружена и подробно исследована уникальная способность ГЭУ работать в чистых благородных газах с высоким газовым усилением [26,28,31,32], включая работу при высоких давлениях [36,38,39,43] и криогенных температурах [44,45,46,47,48,49,50,52,54,57].
-
Создан новый класс детекторов ионизирующих излучений, а именно класс криогенных двухфазных лавинных детекторов на основе ГЭУ, впервые стабильно работающих в режиме газового усиления [44,45,47,49,52,54,57].
-
Разработана методика эффективных фотокатодов для УФ области для применения в газовых фотодетекторах, а именно Csl, Nal и Cul фотокатодов, включая методы их вакуумного испарения и термической обработки [4,5,6,7,8,15,20].
-
Обнаружена и подробно исследована уникальная способность диэлектрических нанопленок CsBr, Csl и Nal эффективно защищать фотокатоды для видимой области от воздействия кислорода [13,16,22,29], а органической пленки гексатриаконтан (п-С3бН74) - быть удаляемой с фотокатода [21].
-
Разработаны и созданы первые газовые фотодетекторы на основе ГЭУ, в том числе с Csl фотокатодом, отпаянные и работающие в чистом CF4 [31,32,34,35,37].
-
Созданы экспериментальные установки для исследования криогенных лавинных детекторов на основе ГЭУ, в том числе криогенных двухфазных лавинных детекторов.
-
Создана экспериментальная установка для изготовления и исследования композиционных фотокатодов для видимой области.
-
Получены новые знания по следующим физическим явлениям и процессам из области физики регистрации излучений, которые могут быть использованы для создания принципиально новых приборов и методов экспериментальной физики:
измерены ионизационные коэффициенты в плотных благородных газах: при комнатной температуре в Не, Ne, Аг, Кг и Хе - впервые в диапазоне давлений 1-15 атм, при криогенных температурах в Не и Ne - впервые в диапазоне температур 2 - 78 К [39,45,48,50,53];
впервые систематически исследованы ионные обратные токи в каскадных ГЭУ; построена модель явления [40,51];
измерено обратное рассеяние фотоэлектронов на Csl фотокатод в различных газах [1,9,10,32,37,55]; наблюдён эффект подавления обратного рассеяния фотоэлектронов и почти полного восстановления квантового выхода фотокатода в СН4 и, впервые, в CF4; обнаружен эффект полного подавления обратного рассеяния фотоэлектронов при работе фотокатодного промежутка в лавинном режиме, причем вне зависимости от состава газовой смеси; дано объяснение эффекта;
обнаружено существенное усиление фотоэлектронной эмиссии из Csl фотокатода в сильном электрическом поле; построена модель явления
[3];
исследован транспорт фотоэлектронов через диэлектрические наноплен-ки, в частности, измерены длины пробегов фотоэлектронов в различных нанопленках, в большинстве из них- впервые [14,16,18,55];
изучены фотонные и ионные обратные связи в детекторах на основе ГЭУ [31,32,37,46,55].
Апробация работы
Результаты настоящей работы были представлены на научных семинарах в ИЯФ, Brookhaven National Laboratory (Upton, USA), Sheffield University (Sheffield, UK), Weizmann Institute of Science (Rehovot, Israel), South Western Medical Center (Dallas, USA), на сессии Отделения ядерной физики РАН в 2007 г. (ИТЭФ, Москва) и на более чем 15 Международных конференций, включая "Vienna Conference of Instrumentation" в 1995, 1998, 2001, 2004 и 2007 гг. (Vienna, Austria); "IEEE Nuclear Science Symposium" в 1994 г. (Newport-News, USA) и 2000 г. (Lyon, France); "International Conference on New Developments in Photodetection" в 1996 и 1999 гг. (Beaune, France); "Pisa Meeting on Advanced Detectors" в 1997 г. (Elba, Italy); "International Workshop on Ring Imaging Cherenkov Detectors" в 1998 г. (Ein-Gedi, Israel); "International Conference on Position-Sensitive Detectors" в 2002 г. (Leicester, UK); "Instrumentation Conference on Collider Beam Physics" в 2002 и 2008 гг. (Novosibirsk, Russia) и 2006 г. (Stanford, USA).
Ряд положений диссертации был использован при подготовке учебного курса «Современные экспериментальные методики в физике высоких энергий» и нашел применение в учебном процессе на кафедре «Физики элементарных частиц» Физического факультета НГУ.
Исследования, результаты которых вошли в настоящую диссертацию, были поддержаны грантами CRDF (АФГИР) в 2003-2005 гг. (грант RP1-2550 «Детекторы на основе газовых электронных умножителей, работающих в плотных благородных газах, для регистрации астрочастиц и нейтронной и медицинской визуализации») и INTAS в 2005-2007 гг. (грант 04-78-6744 "Two-phase cryogenic avalanche detectors for astroparticle and medical imaging").
Публикации
По теме диссертации опубликованы 68 печатных работ [1-68], включая три обзора [53,55,56] и один патент [58], из них - 57 работ в рецензируемых изданиях [1-57].
Структура и объем работы
Настоящая работа состоит из введения, 8 глав, заключения и списка литературы, включающего 243 наименования. Главы 1-4 и 5-8 объединены в первую и вторую часть, соответственно. Работа изложена на 223 страницах, содержит 162 рисунка и 7 таблиц.
