Детекторы ионизирующих излучений и фотодетекторы на основе газовых электронных умножителей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

БУЗУЛУЦКОВ Алексей Федорович

ДЕТЕКТОРЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ФОТОДЕТЕКТОРЫ НА ОСНОВЕ ГАЗОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

НОВОСИБИРСК - 2008

003455810

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Долгошеим - Д°КТ0Р физико-математических наук,

Борис Анатольевич профессор.

Стибунов - доктор физико-математических наук.

Виктор Николаевич

Хазин - доктор физико-математических наук.

Бо]эис Исаакович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: ГНЦ РФ «Институт теоретической

и экспериментальной физики», г. Москва.

Защита диссертации состоится "2-Г" 2008 г.

в " " часов на заседании диссертационного совета Д.003.016.03 Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН.

Автореферат разослан " 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 излучении. 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 фотолито! рафии. 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

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 (ШСН-детекторах).

Наиболее перспективными считаются газовые фотодетекторы с твердыми фотокатодами вообще и с Св1 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 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 ЫСН-детекторами на основе Св1 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 ре&чизована 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 фото детекторов [55].

Основные положения работы, выносимые на защиту

1. 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 10^10 см2 и сборки из них трековых детекторов, а также методы применения ГЭУ в детекторах высокого давления, криогенных детекторах и газовых фотодетекторах.

2. Разработаны первые трехкаскадные газовые детекторы, а именно трехкаскадные ГЭУ, и решена фундаментальная проблема пробоев в трековых микроструктурных газовых детекторах с их помощью [33,53].

3. 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].

4. 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].

5. 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].

6. 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].

7. Разработаны и созданы первые газовые фото детекторы на основе ГЭУ, в том числе с Csl фотокатодом, отпаянные и работающие в чистом CF4 [31,32,34,35,37].

8. Созданы экспериментальные установки для исследования криогенных лавинных детекторов на основе ГЭУ, в том числе криогенных двухфазных лавинных детекторов.

9. Создана экспериментальная установка для изготовления и исследования композиционных фотокатодов для видимой области.

10. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении содержится изложение проблем, сформулированы цели диссертации, обосновывается их актуальность, схематично изложено распределение материала по главам.

Первая часть работы посвящена исследованию и разработке детекторов ионизирующих излучений на основе ГЭУ; ее краткое изложение содержится в обзоре [53].

Глава 1 является введением к первой части работы. В ней рассматриваются принципы работы ГЭУ. Кратко описываются также другие газовые усилительные структуры с отверстиями.

В Главе 2 представлены результаты исследований по физическим основам работы ГЭУ и их основным характеристикам, проведенным в настоящей работе. В частности, было открыто уникальное свойство ГЭУ эффективно работать в чистых благородных газах, в том числе при низких температурах, что позволило измерить ионизационные коэффициенты газов в ранее недоступных областях.

В разделе 2.1 представлены результаты оптимизации однокаскадных ГЭУ: исследуется влияние геометрических параметров, таких как диаметр отверстий и их шаг, и параметров электрического поля на усиление. Это влияние, главным образом, обусловлено электростатикой, т.е. конфигурацией электрического поля в окрестности отверстий ГЭУ.

В разделе 2.2 описываются устройство и основные характеристики трех-каскадных ГЭУ, изученных впервые в настоящей работе. На Рис. 1 показана типичная схема трехкаскадного ГЭУ, используемая в трековых детекторах. На Рис. 2 приведены усилительные характеристики трехкаскадных ГЭУ. В типичных газовых смесях усиления достигали 105, а в чистом СГ4 - даже свыше 106, что нетривиально, т.к. Ср4 является слабо «гасящим» газом. В С?4

10

И -ч

Е0

-У0

Ет

9

Е1

У~0П

АУоем АУоем ДУСЕМ Рис. 1. Схема трехкаскадного ГЭУ; 1 - катод; 2, 3 и 4 - первый, второй и третий ГЭУ; 5 - анод (считывающий электрод); 6 - дрейфовый промежуток; 7,8 - транспортные промежутки; 9 - индукционный промежуток; 10 - корпус детектора; 11 - излучение.

Рис. 2. Усиление трехкаскадного ГЭУ в зависимости от напряжения на одном ГЭУ в различных газовых смесях при атмосферном давлении. Максимальные усиления ограничены пробоями. 1 - АгН5%СН4; 2 - Аг+30%С02; 3 - А1+2%1Ч72; 4 - Аг+10%СР„; 5 - Хе+10%СН4; 6-СР4.

временное разрешение составило 2 не в режиме счета одиночных электронов, что, по-видимому, является рекордом для газовых лавинных детекторов.

В разделе 2.3 систематизируются физические эффекты в каскадных ГЭУ, изученные в настоящей работе (см. Рис. 3): обратное рассеяние фотоэлектронов на фотокатод, фотонная обратная связь на фотокатод вследствие сцинтилляций лавины в отверстиях ГЭУ и пропорциональных сцинтилляций в дрейфовом промежутке, ионная обратная связь с ГЭУ на предыдущие ГЭУ и на фотокатод, ионный обратный ток на предыдущие ГЭУ и на фотокатод, ограничение пространственного развития лавины в отверстии ГЭУ, расширение лавины из отверстия или внутри него при больших усилениях.

В разделе 2.4 описана работа ГЭУ в чистых благородных газах. Она представляет интерес для детекторов высокого давления, отпаянных детекторов, газовых фотодетекторов, а также для криогенных лавинных детекторов, в которых использование молекулярных добавок невозможно из-за низкой температуры. Рис. 4 иллюстрирует уникальное свойство каскадных ГЭУ иметь высокие усиления в чистых благородных газах, впервые обнаруженное в настоящей работе. В Аг и его смесях с другими благородными газами усиления трехкаскадных ГЭУ могут достигать значений порядка нескольких десятков тысяч. Это на два порядка превосходит максимальные усиления, достигаемые в Аг другими газовыми детекторами. В разделе рассматриваются специальные газовые смеси благородных газов, приводящие к еще большим усилениям: смеси частично «прозрачные» для электронных лавин, например Аг+№, и смеси с повышенной ионизационной эффективностью, например, Аг+Хе.

Рис. 3. Физические эффекты и принципы работы в газовом детекторе, содержащем каскадный ГЭУ и полупрозрачный фотокатод и работающем в чистом благородном газе.

Рис. 4. Усиление трехкаскадного ГЭУ в зависимости от напряжения на одном ГЭУ в смесях на основе Аг, включая смеси чистых благородных газов, при атмосферном давлении (если не указано другое). Данные получены в газовом фотодетекторе с полупрозрачным Се! фотокатодом.

Подробно рассматриваются также вторичные процессы, ограничивающие усиление, такие как ионные и фотонные обратные связи.

Раздел 2.5 посвящен механизмам электронных лавин и ионизационным коэффициентам в плотных благородных газах, полученным с помощью анализа усилительных характеристик ГЭУ при высоких давлениях и низких температурах, т.е. в ранее недоступных областях. Подробно описывается методика измерения ионизационных коэффициентов. Сравнивая их измеренные значения с данными, взятыми из литературы и полученными при низких давлениях и комнатных температурах, можно судить о механизмах электронных лавин (см. Рис. 5). В Аг, Кг и Хе наблюдается хорошее согласие между данными при высоких и низких давлениях, т.е. в плотных тяжелых благородных газах действует «стандартный» лавинный механизм ударной ионизации: е+Аг—>2е+Аг+.

10°

I ю-

о

5 в

10'2

А 1 ■ i Z6K, 0.66 g/1

" О 2.6К, 1 62 g/1

: □ 4.2К, 0.55 g/1 /

V 20К, 0 35 g/1 •*

' О 78K, 0.55 g/1 •

- Literatura at

momJaná

p<0 02 g/1

/3

г He "

. / i 1GEM

10 100 E/N(10"Vcm2)

Рис. 5. Сравнение зависимости ионизационных коэффициентов от электрического поля в Не при криогенных температурах (2.6 - 78 К) и больших плотностях (0.35 -1.6 г/л, точки), полученных с помощью анализа усилительных характеристик одно-каскадных ГЭУ с диаметром отверстий 70 мкм, с зависимостью ионизационных коэффициентов при комнатной температуре и малых плотностях (<0.02 г/л, кривая), взятых из литературы.

В то же время, ионизационные коэффициенты в Не и Ne, полученные при высоких давлениях и температурах выше 77 К, значительно превосходят коэффициенты при низких давлениях (Рис. 5). При температурах жидкого гелия, однако, это различие исчезает, что говорит о том, что ударная ионизация является основным лавинным механизмом в плотном Не даже при очень низких температурах. Такое поведение ионизационных коэффициентов объясняется наличием дополнительного лавинного механизма в Не и Ne при температурах выше 77 К, а именно механизма ионизации Пеннинга на неконтролируемых примесях (е+Не->е+Нет, Нет+Х—>Не+Х*+е), которые вымораживаются при низких температурах.

10"

10"'

Г 1 1 1ММ| "Т-Г-Ч 1 11П| 1 1 1М11| 1 1 . mil 3GEM+PCB ' 85-40-85 щп

' Ер= 0.5 kV/cm г • Ar/CF( (90/10) V Аг/СН, (90/10) □ Хе/СН4 (90/10) ^ Е0= 0.1 kV/cm Д Аг/СН (90/10) ........| ........1 ...............

Рис. 6. Действие эффекта состава газовой смеси и дрейфового поля на ионный обратный ток в трехкаскад-ном ГЭУ. Показана доля ИОТ в зависимости от усиления при дрейфовом поле 0.5 кВ/см в АгИ0%СР4, Аг+10%СН4 и Хе+10%СН4 и при 0.1 кВ/см в Аг+10%СН4. Диаметры отверстий первого, второго и третьего ГЭУ указаны на рисунке.

10 Gain

Раздел 2.6 посвящен систематическим исследованиям ионного обратного тока (ИОТ) в каскадных ГЭУ, впервые выполненных в настоящей работе. ИОТ возникает вследствие дрейфа ионов из области лавины к катоду. Он должен быть подавлен во время-проекционных камерах и газовых фотодетекторах. К замечательным свойствам каскадных ГЭУ следует отнести существенное подавление ИОТ (см. Рис. 6): при усилении 104 и дрейфовом поле 0.5 кВ/см доля ИОТ (отношение ИОТ к анодному току) в трехкаскадном ГЭУ составляет всего несколько процентов. Было показано, что доля ИОТ (F) описывается полиномиальной функцией усиления: F=G':,3+G'ie+C. Кроме того, доля ИОТ практически не зависит от состава и давления газа, растет почти линейно с дрейфовым полем, достаточно чувствительна к диаметру отверстий ГЭУ и менее чувствительна к транспортному полю (Рис. 6).

В разделе описывается теоретическая модель ИОТ, удовлетворительно описывающая экспериментальные данные, в частности зависимость от усиления. Согласно этой модели коэффициент пропускания ионов одним ГЭУ в середине каскада оказывается довольно большим, около 0.3 - 0.5. Это говорит о том, что только многокаскадные ГЭУ могут эффективно подавлять ИОТ.

В заключение раздела рассматривается концепции и первые данные по электрическим и фотоэлектрическим затворам в каскадных ГЭУ, которые могут быть применены для полного подавления ИОТ.

Глава 3 посвящена детекторам ионизирующих излучений на основе ГЭУ, работающих при комнатной температуре, включая трековые детекторы и детекторы, работающие при высоких давлениях. В результате этих исследований трехкаскадный ГЭУ стал самым распространенным типом микроструктурных газовых детекторов (МСГД).

В разделе 3.1 описывается развитие методики детекторов на основе ГЭУ в ИЯФ, включая этапы изготовления пленок ГЭУ, их монтажа на рамки и сборки детекторов. В качестве примера, на Рис. 7 показана фотография первого трекового детектора на основе трехкаскадного ГЭУ.

Рис. 7. Центральная часть первого трекового детектора на основе трехкаскадного ГЭУ с активной площадью 40х 100 мм" и двумерным считыванием; этот детектор использовался на пучке частиц в PSI для изучения трековых характеристик и устойчивости к пробоям трехкаскадных ГЭУ в 1999 г.

Раздел 3.2 посвящен трековым детекторам на основе ГЭУ. В подразделе 3.2.1 рассматривается развитие одно- и двухкаскадных МСГД в 1ЛЯФ; анализируются их недостатки. В частности, главной проблемой на пути их применения в экспериментах на LHC оказалась неустойчивость к пробоям при облучении сильно ионизирующих частицами, таких как осколки ядер и альфа-частицы.

В подразделе 3.2.2 описываются трековые характеристики первых детекторов на основе трехкаскадных ГЭУ с двумерным считыванием, полученные в PSI на пучке релятивистских пи-мезонов, включая временные и амплитудные характеристики, размер кластера и зависимость эффективности от усиления.

В подразделе 3.3.3 представлены результаты по устойчивости к пробоям одно-, двух- и трехкаскадных ГЭУ при облучении сильно ионизирующих частицами. Эти данные были получены впервые в настоящей работе, при облучении альфа-частицами и на пучке пи-мезонов в PSI. В частности, на Рис. 8 сравниваются вероятности пробоев в трехкаскадных ГЭУ и двухкаскадных МСГД. В трехкаскадном ГЭУ безопасный уровень пробоев достигается при усилении менее 2х 104, в то время как в двухкаскадных МСГД - при менее 2х103. Учитывая данные по эффективности работы детекторов, был сделан следующий фундаментальный вывод: двухкаскадные структуры не обеспечивают эффективной работы до начала пробоев, и только трехкаскадные ГЭУ удовлетворяют этому критерию.

В разделе 3.3 описывается детектор на основе трехкаскадного ГЭУ с визуализацией событий с оптическим считыванием на ПЗС камеру. Этот детектор был испытан с целью применения в рентгеновской цифровой радиографии.

10"

3GEM+PCB

Аг+30%с0,

Рис. 8. Вероятность пробоя на одну падающую частицу в зависимости от усиления в трехкаскадном ГЭУ и в двухкаскадных структурах - двухкаскадном ГЭУ и комбинации ГЭУ с камерой с микроканавками. Измерения проводились в PSI на пучке положительных пи-мезонов с импульсом 350 МэВ/с в смеси AiH-30%C02.

ю

10'

Gain

Раздел 3.4 посвящен исследованиям работы ГЭУ при высоких давлениях, которые были впервые выполнены в настоящей работе. Оказалось, что усиление однокаскадных ГЭУ стремительно падает с ростом давления в газовых смесях с молекулярными добавками, что исключает использование ГЭУ в них при высоких давлениях.

Более обнадеживающие результаты были получены в чистых благородных газах. Наибольший интерес для применений, в частности в цифровой рентгенографии, представляет работа ГЭУ в тяжелых благородных газах. В них, однако, максимальное усиление трехкаскадных ГЭУ существенно падало с давлением, до порядка единицы при 5 атм (см. Рис. 9). В разделе 2.4 показывается, что пробои в каскадных ГЭУ в тяжелых благородных газах индуцируются ион-электронной эмиссией из электродов вследствие ионной обратной связи между ГЭУ. Следовательно, если подавить ионную обратную связь, можно достичь более высоких рабочих давлений. Было показано, что одним из способов такого подавления является замена каскадных ГЭУ на од-нокаскадные ГЭУ: в этом случае усиление в Кг в диапазоне 3-10 атм составило несколько сотен.

Рис. 9. Максимальное усиление трех-каскадного ГЭУ в зависимости от давления в Не, Аг, Кг и Хе при облучении рентгеновскими лучами.

О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Pressure (atm)

В отличие от тяжелых газов, в легких благородных газах наблюдались довольно высокие усиления при высоких давлениях, до 105 при 15 атм. Как обсуждалось в разделе 2.5, наиболее вероятной причиной такого поведения является механизм Пеннинга, т.е. ионизация неконтролируемых примесей метастабильными состояниями Не и N6. Еще более высокие усиления, до 10б при 10 атм, были получены в пеннинговских смесях с контролируемым содержанием примесей: в Не+1%Кг и Не+1%Ы2.

Глава 4 посвящена детекторам ионизирующих излучений на основе ГЭУ, работающим при криогенных температурах, включая двухфазные лавинные детекторы, которые были впервые исследованы в настоящей работе. В результате этих исследований был создан новый класс детекторов ионизирующих излучений, а именно класс криогенных газовых и двухфазных лавинных детекторов на основе ГЭУ, которые находят применение в низкофоновых экспериментах по регистрации когерентного рассеяния нейтрино, темной материи, солнечных нейтрино и нейтрино от ускорителей и в позитрон-ной эмиссионной томографии (ПЭТ).

Раздел 4.1 является введением в главу 4; в нем описывается история развития криогенных газовых и двухфазных детекторов и сформулированы проблемы их развития. В частности отмечается, что до внедрения ГЭУ не удавалось получить стабильной работы криогенных двухфазных детекторов в лавинном режиме.

В разделе 4.2 рассматриваются криогенные газовые лавинные детекторы на основе ГЭУ при температурах свыше 77 К. Для их изучения в ИЯФ была создана экспериментальная установка, которая описывается в подразделе 4.2.1. В подразделе 4.2.2 показано, что каскадные ГЭУ могут успешно работать при криогенных температурах в различных газах. В частности на Рис. 10 представлены усилительные характеристики в Не, Аг, Кг и Хе+СН4; в диапазоне температур 120 - 160 К усиления трехкаскадных ГЭУ в этих газах достигали величин 104- 105. В подразделе 4.2.3 изучаются формы анодных сиг-

Рис. 10. Усиление трехкаскадного ГЭУ в зависимости от напряжения на одном ГЭУ при криогенных температурах в благородных газах Не, Аг и Кг и смесях КеЮ.1%Н2 и Хе+2%СН4. Указаны соответствующие температуры и атомные плотности.

налов ГЭУ при криогенных температурах; на основе их анализа была получена информация о механизмах лавин, фотонных и ионных обратных связях и подвижностях ионов при криогенных температурах.

В разделе 4.3 рассматривается работа криогенных газовых лавинных детекторов на основе ГЭУ при низких температурах, в диапазоне 2 - 60 К, в плотных Не и Ке. Эти исследования были проведены на установке, созданной в ВЫЬ в рамках проекта по регистрации солнечных нейтрино Е-ЬиЬЫе. В этом проекте предполагается работать при низких температурах, используя плотные газы или жидкости, чтобы обеспечить образование электронных пузырьков. Оказалось, что максимальное усиление каскадных ГЭУ резко падало при температурах ниже 77 К: в Не оно не превышало 60 при 2.4 - 4.2 К и плотности 0.6 г/л (механизм этого эффекта обсуждался в разделе 2.5). В более плотном Не усиление было еще ниже. Эти результаты исключают возможность эффективного использования ГЭУ в двухфазном Не. К счастью, N6 имеет существенное преимущество перед Не, и в нем проблема падения усиления при низких температурах была решена. Было обнаружено, что Ке может образовывать пеннинговскую смесь с Н2, в том числе и при низких температурах, в которой каскадные ГЭУ могли работать при высоких усилениях, свыше 104, и высоких плотностях, соответствующих плотности насыщенного пара в двухфазном Ке (~9 г/л). Это иллюстрируется на Рис. 10, где показана усилительная характеристика трехкаскадного ГЭУ в смеси Хе+0.1%Н2. В разделе также сделаны заключения о механизмах электронных лавин при низких температурах на основе анализа формы анодных сигналов.

Раздел 4.4 посвящен криогенным двухфазным лавинным детекторам на основе ГЭУ. В подразделе 4.4.1 рассматриваются их принципы работы (см. Рис. 11); первичные электроны, рожденные в благородной жидкости ионизирующим излучением, эмитируются в газовую фазу под действием электрического поля, где испытывают лавинное газовое усиление в каскадном ГЭУ. В подразделе 4.4.2 описывается экспериментальная установка, созданная в ИЯФ для исследования двухфазных детекторов (Рис. 11). Основу установки составляла криогенная камера объемом 2.5 л, в которой над поверхностью жидкости находился каскадный ГЭУ. В настоящей работе было впервые показано, что каскадные ГЭУ могут стабильно работать в двухфазном режиме во всех тяжелых благородных газах.

В подразделах 4.4.3-4.4.6 рассматриваются усилительные, эмиссионные и амплитудные характеристики двухфазных лавинных детекторов, а также данные по стабильности их работы. На Рис. 12 представлены усилительные характеристики трехкаскадного ГЭУ в двухфазных Аг, Кг и Хе и амплитудные спектры в двухфазном Аг при облучении рентгеновскими фотонами от источника 241 Аш. Наибольшие усиления, до 104, были достигнуты в Аг; амплитудное разрешение в нем составило 17% для энергии 60 кэВ. Была также продемонстрирована стабильная работа двухфазных лавинных детекторов: в

течение нескольких часов в Кг и в течение суток в Аг. В подразделе 4.4.5 представлены данные, характеризующие электронную эмиссию через границу раздела фаз в Аг, Кг и Хе: зависимость амплитуды сигнала от электрического поля и формы анодных сигналов. В Аг наряду с быстрой компонентой электронной эмиссии наблюдалась медленная компонента с постоянной времени, зависящей от электрического поля. Для электрического поля 1.7 кВ/см она составила 6.9 мкс, что хорошо согласуется с моделью термоэлектронной эмиссии с учетом понижения потенциального барьера электрическим полем (эффект Шоттки).

Electron avalanche \

-г-щуг

Cathode

Cryostat Radiation

Рис. 11. Принципы работы двухфазных лавинных детекторов на основе ГЭУ с одновременной регистрацией ионизационного и сцинтилляционного сигналов (левый рисунок) и фотография экспериментальной установки для их изучения, созданная в ИЯФ (правый рисунок).

104

10»

üio»

10°

1------J 1 1 Ar 85К I Ar87K j :

0.76atra 1 Oatm J-

Two-phase mode Kr 12ÛK Jf

Г 3GEM 1 Oatm ji

Г г/ / /Я^ Хе 165K

A s ^ 0 99atm

р EXLAr) = 24 kV/cm 1

E(LKr) = 3.3 tV/cm

1 ■ E(LXe) = 4.0 kV/cm 1 1 1

3000

2000

..... 1 1 Two-phase Ar, 3GEM

84K, 0.70atm, 1.0cm LAr

MIAmy-rays

ELAr= 0.76 kV/cm AV,^,-432V, Gain-3700

¿M E^-152 kV/cm

1 \ ct/E-0.37/2 15-17%

à J 1 Im

illlL

400 450 ¿V0EM(V)

0 12 3 4

Рике-ЬаБЫ (V)

Рис. 12. Усиление трехкаскадного ГЭУ в зависимости от напряжения на одном ГЭУ в двухфазных Аг, Кг и Хе (левый рисунок). Амплитудные спектры анодных сигналов с трехкаскадного ГЭУ в двухфазном лавинном детекторе в Аг при двух значениях электрического поля в жидкости, 0.76 и 1.52 кВ/см, полученные при усилении 3700 при

облучении рентгеновскими фотонами от источника'

16

Am, имеющему линию 60 кэВ.

ю5

104

'о4 1

■з 103

и

•e

ев

ю' 10°

0.01 0.1 1 10 Pulse-height (V)

Рис. 13. Амплитудные спектры анодных сигналов с трехкаскадного ГЭУ в двухфазном лавинном детекторе в Аг, полученные от различных источников ионизации при усилении 4200 - 4800: в режиме счета одиночных электронов, при облучении нейтронами и гамма-квантами от источника Z52Cf, при облучении рентгеновскими фотонами с энергией 60 кэВ от источника 241Аш. Одноэлектронный сигнал описывается экспоненциальной функцией.

Высокие усиления, полученные в двухфазных лавинных детекторах в Аг, позволили применить их для регистрации событий с малым выделением энергии (подраздел 4.4.7). Была продемонстрирована эффективная работа детекторов в режиме счета одиночных электронов, что особенно актуально для экспериментов по когерентному рассеянию нейтрино: начиная с усилений около 4000, одноэлектронный сигнал эффективно отделялся от шумов электроники; его спектр описывался экспоненциальной функцией (см. Рис. 13). В подразделе представлены также предварительные результаты по регистрации отскоков ядер, индуцированных упругим рассеянием нейтронов с выделенной энергией менее 15 кэВ, что актуально для экспериментов по поиску темной материи (Рис. 13). Рис. 13 иллюстрирует также широкий динамический диапазон двухфазных лавинных детекторов в Аг: он составляет как минимум три порядка.

В подразделе 4.4.8 представлены первые результаты по одновременной регистрации первичного сцинтилляционного и ионизационного сигнала в двухфазном лавинном детекторе с Csl фотокатодом, нанесенным на первый ГЭУ (см. Рис. И). Такой режим работы требуется для эффективного подавления фона в экспериментах по поиску темной материи и для организации быстрого триггера на два гамма-кванта в ПЭТ. При слабых электрических полях в жидкости сцинтилляционный (S1) и ионизационный (S2) сигналы отчетливо разделялись и эффективно регистрировались (см. Рис. 14). При этом,

—I—.........1—| ' ' 111 >1-1—.....

Two-phase Аг, 3GEM, 84К, 0.70atm, 1.0cm LAr

241 Am; 60 keV у rays

амплитуда сцинтилляционного сигнала составила около 30 фотоэлектронов

Time (us)

Рис. 14. Усредненный анодный сигнал в двухфазном лавинном детекторе с Csl фотокатодом в Ar, индуцированный бета-частицами со средним выделением энергии в жидкости 600 кэВ. Усиление - 2500; электрическое поле в жидкости - 0.25 кВ/см. Первый и второй сигналы обусловлены первичным сцинтилляционным и ионизационным сигналом, соответственно.

Вторая часть работы посвящена газовым фотодетекторам с твердыми фотокатодами (ГФД); ее краткое изложение содержится в обзоре [55].

Глава 5 является введением ко второй части работы. В ней рассматриваются различные типы ГФД и их принципы работы, включая ГФД на основе ГЭУ; приведена их классификация.

В Главе 6 представлены результаты исследований по эффективным фотокатодам для газовых фотодетекторов, главным образом - по Csl фотокатоду для УФ области и сурьмяно-цезиевому (Cs-Sb) и бищелочному (K-Cs-Sb) фотокатодам для видимой области. В результате этих исследований была решена проблема получения высокоэффективных Csl фотокатодов, что нашло применения в RICH детекторах в экспериментах в CERN, BNL и GSI. Кроме того, были получены новые знания по эффектам обратного рассеяния фотоэлектронов на фотокатод и усиления фотоэлектронной эмиссии в сильном электрическом поле.

В разделе 6.1 дана классификация фотокатодов для газовых фотодетекторов. В разделе 6.2. представлены результаты по эффективным фотокатодам для УФ области спектра. В подразделе 6.2.1 дан исторический обзор исследований Csl фотокатода, который является самым эффективным УФ фотокатодом. В подразделе 6.2.2 описана экспериментальная установка, созданная в Weizmann Institute, и методики, разработанные в настоящей работе, для приготовления УФ фотокатодов и диэлектрических пленок методом термического испарения в вакууме. В частности, представлены данные по условиям на-

несения различных диэлектрических пленок. Особое место занимает вопрос увеличения эффективности Csl фотокатода в результате термической обработки после нанесения на подложку; этому посвящен подраздел 6.2.3. Термическая обработка обычно осуществляется в вакууме; для нее достаточно температуры 50 - 70 °С и периода времени в несколько часов. В настоящей работе термическая обработка фотокатодов была впервые изучена систематически; оказалось, что она является ключевым элементом для достижения и стабилизации высокого квантового выхода не только Csl фотокатода, но и Nal и Cul фотокатодов, причем для них этот эффект был наблюден впервые. Это в частности привело к существенному пересмотру квантовых выходов и значений сродства к электрону Nal и Cul фотокатодов. Таким образом, был сделан вывод об универсальной тенденции в методике приготовления УФ фотокатодов. Спектры квантового выхода УФ фотокатодов в вакууме, прошедших термическую обработку, показаны на Рис. 15.

10° -1-1-1-1-1-1-1-:

В разделах 6.3 и 6.4 было впервые систематически изучено влияние умеренных (до 10 кВ/см) и сильных (до 500 кВ/см) электрических полей на Св1 фотокатод. В случае умеренных полей, наиболее характерным свойств ГФД является эффект обратного рассеяния фотоэлектронов. Он заключается в том, что часть фотоэлектронов, вылетевших из фотокатода, диффундирует обратно на фотокатод в результате упругих столкновений с молекулами газа даже в присутствии электрического поля, что в общем случае приводит к уменьшению квантового выхода в газе по сравнению с вакуумом. Эффект обратного рассеяния фотоэлектронов систематически изучен в разделе 6.3. На Рис. 16 показано отношение фототоков Сз1 фото катода в газе и вакууме для различных газовых смесей при атмосферном давлении в зависимости от напряженности электрического поля. Эффект обратного рассеяния фотоэлектронов наиболее силен в одноатомных газах, так как в них вклад упругого канала в рассеяние гораздо больше, чем в молекулярных газах. Более того, были найдены молекулярные газы, в которых квантовый выход фотокатода

Рис. 15. Спектры квантового выхода непрозрачных УФ фотокатодов в вакууме: Csl, CsBr, Nal, Cul (после термической обработки) и алмазоподобный фотокатод.

150 160 170 180 190 200 210 220 230 Wavelength (шп)

может составлять более 90% от его значен™ в вакууме: к ним, прежде всего, относятся CF4 и СН4, причем эффект подавления обратного рассеяния фотоэлектронов в CF4 был наблюден впервые. Именно эти свойство оказалось одним из решающих при выборе CF4 и СН4 в качестве газов для фотодетекторов с Csl фотокатодом для черенковских детекторов экспериментов PHENIX и

Е (kV/cm) Е/р ( V/en Toit )

Рис. 16. Левый рисунок: эффект обратного рассеяния фотоэлектронов на непрозрачный Св1 фотокатод в различных газах при атмосферном давлении; показано отношение фототоков в газе и вакууме на длине волны 185 нм в зависимости от напряженности электрического поля на фотокатоде. Правый рисунок: подавление эффекта обратного рассеяния фотоэлектронов в режиме газового усиления; показан относительный квантовый выход непрозрачного Сб1 фотокатода на длине волны около 190 нм, измеренный методом счета фотонов, и газовое усиление в катодном промежутке в зависимости от напряженности электрического поля на фотокатоде в смеси Не+5%СН4 при 800 Тор.

В настоящей работе был обнаружен еще и другой способ повышения эффективности фотокатодов в газе, применимый к любым газам. Суть его состоит в подавлении упругого рассеяния фотоэлектронов за счет увеличения вклада неупругих каналов: это достигается переходом в режим газового усиления в промежутке, содержащим фотокатод (см. Рис. 16). Наблюдается характерное поведение квантового выхода, коррелированное с режимом работы газового промежутка: квантовый выход выходит на плато два раза - сначала в ионизационном режиме, затем - при переходе в режим газового усиления, причем в последнем случае эффективность фотокатода в газе равна эффективности в вакууме, т.е. эффект обратного рассеяния фотоэлектронов оказывается здесь полностью подавленным.

Раздел 6.4 посвящен эффекту усиления фотоэлектронной эмиссии из Св1 в вакууме в сильных электрических полях, достигающих 500 кВ/см. В измерениях применялся проволочный фотокатод, покрытый пленкой Се!, помещенный между двумя анодными плоскостями. На Рис. 17 видно, что эффект усиления фотоэлектронной эмиссии под действием электрического поля до-

вольно значителен и увеличивается с длинной волны: при поле 500 кВ/см фактор усиления составляет 3 для 185 им и около 25 для длин волн свыше 200 нм. Этот эффект был использован для усиления отклика Csl фотокатода электрическим полем на сцинтилляции KMgF3 и BaF2 кристаллов, излучающих, соответственно, в ВУФ и УФ области. Фактор усиления отклика для BaF2 оказался существенно больше, чем для KMgF3 (Рис. 17): при поле 400 кВ/см он составил 3.

—I-г-

а)

185 ша □ □

□

-о ■

160 uni

Ё 1

•Р_ш И Я

в Я

.« >200 пт

Ь)

• BaF,

•А

i

■

bi« ï ï

KMgF.

100 200 300 400 Electric field (kV/cm)

Рис. 17. Эффект сильного электрического поля. Показаны: (а) - относительный квантовый выход непрозрачного Csl фотокатода в вакууме на длине волны 160, 185 и более 200 нм; (Ь) - относительный фототок с Csl фотокатода для KMgF3 и BaFî сцинтилляторов, облучаемых гамма-лучами, в зависимости от напряженности электрического поля на фотокатоде.

В данной работе усиление фотоэлектронной эмиссии в сильном электрическом поле было объяснено в рамках модели, учитывающей понижение поверхностного потенциального барьера за счет эффекта Шоттки. Была выведена следующая формула для квантового выхода диэлектрического фотокатода в присутствии электрического поля, которая удовлетворительно описывала экспериментальные данные:

у-1«! [£а-с(ае^'/2]1/2;2 2 Йсо -Е

Здесь Г - напряженность поля; йш - энергия фотона; - ширина запрещенной зоны; Еа - сродство к электрону; а = -1)/(етс +1); радиочастотная диэлектрическая постоянная диэлектрика.

photodiode

glass

cylinder \

photocathode substrate

oven

В разделе 6.5 представлены результаты по эффективным фотокатодам для видимой области спектра, а именно по сурьмяно-щелочным фотокатодам. В разделе описывается уникальная экспериментальная установка, созданная в Weizmann Institute при решающем участии автора, для приготовления и изучения свойств фотокатодов для видимой области, в том числе в газовых средах, а также для нанесения защитных пленок на них (см. Рис. 18). Ее особенностью являлось то, что фотокатод мог перемещаться внутри вакуумной камеры между тремя позициями: для приготовления фотокатода, для нанесения защитных пленок и для измерения квантового выхода. Кроме того, для изучения стабильности фотокатодов и защитных свойств пленок в газовых средах камера могла заполняться различными газами и парами воды в диапазоне давлений от 10"6 Тор до атмосферы. На этой установке были получены и изучены два типа сурьмяно-щелочных фотокатодов: сурьмяно-цезиевый (Cs-Sb) и бищелочной (K-Cs-Sb). Их квантовый выход был довольно высок и в максимуме достигал 15% и 30%, соответственно. Фотокатоды вели себя стабильно: их эффективность не менялась при хранении как в вакууме, так и в инертной атмосфере, в частности в чистом метане.

from moaochroinator gas inlet

(transuiissive mode)

hygrometer

thickness monitor

to pump

photocathode evaporation position

Sb, Cs,K

characterization position

to electrometer

Tlresidual gas I |analyser

~~~ anode, HV(+)

protective layer evaporation source

from monochromator (reflective mode)

Рис. 18. Схема экспериментальной установки для приготовления и изучения фотокатодов для видимой области и нанесения на них защитных пленок (левый рисунок) и фотография установки (правый рисунок).

В Главе 7 представлены результаты исследований по диэлектрическим нанопленкам на фотокатодах для УФ и видимой области. Эти результаты открыли новое направление в развитии газовых фотодетекторов, чувствительных в видимой области, а именно направление композиционных (т.е. состоя-

щих из разных слоев веществ) фотокатодов. В частности, впервые удалось создать эффективные композиционные фотокатоды для видимой области, которые были стабильны в сухом воздухе. Кроме того, были получены новые знания по транспорту фотоэлектронов через нанопленки и их защитным свойствам.

В разделе 7.1 рассматриваются принципы композиционных фотокатодов. Суть их идеи состоит в том, что на фотокатод методом вакуумного испарения наносится диэлектрическая пленка толщиной всего несколько нанометров, т.е. нанопленка, которая с одной стороны, должна защищать фотокатод от вредных примесей в газе, с другой стороны - не препятствовать фотоэлектронной эмиссии через нее, т.е. транспорту фотоэлектронов.

С помощью экспериментальной установки, описанной в разделе 6.5, в разделе 7.2 был систематически изучен транспорт фотоэлектронов через диэлектрические нанопленки, причем для большинства из них впервые. Из зависимости квантового выхода фотокатода от толщины пленки, нанесенной на фотокатод, извлекалась длина ослабления квантового выхода. Фактически она является длиной пробега фотоэлектронов в пленке. Для Csl фотокатода были изучены следующие типы нанопленок: оксиды Si02 и А1203; фториды CsF, NaF, LiF и MgF2; иодид Nal; органические пленки гексатриаконтан (НТС, п-Сз6Н74) и стеарат кальция (CaSt). Для сурьмяно-щелочных фотокатодов были изучены следующие типы нанопленок: для Cs-Sb фотокатодов -Csl, Nal, CsF, SiO, НТС и CaSt; для K-Cs-Sb фотокатодов - CsBr и Csl. Их длины пробегов представлены на Рис. 19. В результате, было найдено несколько типов нанопленок, имеющих наибольшие длины пробегов фотоэлектронов, от 50 до 200 Á. К ним относятся, прежде всего, CsBr, Csl и Nal, а также органические пленки НТС и CaSt.

Wavelength (nm)

200 190 180 170 160 150 140 Wavelength (nm)

Photon energy (eV) Photon energy (eV)

Рис. 19. Длина ослабления квантового выхода в различных нанопленках, нанесенных на непрозрачный Csl фотокатод (левый рисунок) и непрозрачные Cs-Sb и K-Cs-Sb фотокатоды (правый рисунок), в зависимости от энергии (нижняя шкала) и длины волны (верхняя шкала) фотона.

В разделе 7.3 рассматривается активация (т.е. усиление фотоэлектронной эмиссии) УФ фотокатодов наноиленками. Хорошо известно, что к веществам, способным активировать фотокатоды, относятся щелочные металлы. В настоящей работе было обнаружено, что к таким веществам можно отнести также Сер и пары воды. Было показано, что нанесение на Си1 фотокатод пленки СвР толщиной всего 10 А ведет к существенному увеличению квантового выхода в длинноволновой области и смещению красной границы до 240 нм (ср. с Рис. 15). В результате, на длинах волн более 210 нм Си1 фотокатод становится намного эффективнее, чем СэГ, что может найти применение для считывания ВаР2 сцинтиллятора, максимум излучения быстрой компоненты которого приходится как раз на эту область.

Интересно, что эффект усиления фотоэлектронной эмиссии наблюдался и при адсорбции молекул такого распространенного вещества, как вода, а именно при адсорбции ее паров на поверхности щелочно-фторидных пленок ЫИ, N3? и СвБ. Этот эффект был объяснен гипотезой уменьшения сродства к электрону пленок за счет поляризации молекул воды при адсорбции на величину ДС/= 4тш|Аг, где п - поверхностная плотность молекул, - усредненная компонента дипольного момента молекулы в направлении нормали к поверхности. В рамках простой модели фотоэлектронной эмиссии было измерено уменьшение сродства к электрону в результате активации парами воды: оно составило 0.4 эВ.

В разделе 7.4 рассматриваются удаляемые (т.е. временные) органические покрытия на фотокатодах для видимой области. Оказалось, что довольно толстую пленку (до 1 мкм) гексатриаконтана (НТС) можно нанести на сурьмяно-щелочной фотокатод вакуумным испарением, а затем удалить ее простым нагревом. При этом вследствие инертности пленки по отношению к фотокатоду и низкой температуры ее возгонки эффективность фотокатода остается неизменной. Этот эффект проиллюстрирован на Рис. 20. Удаляемые органические покрытия могли бы позволить переносить фотокатоды для видимой области через плохой вакуум или даже воздух, что могло бы значи-

Рис. 20. Эффект удаляемой органической пленки; показана эволюция спектра квантового выхода непрозрачного Cs-Sb фотокатода в вакууме в результате двух циклов нанесения и удаления нагреванием пленок гексатриаконтана (НТС, п-С36Н74) толщиной 150 и 500 А.

300 400 500 Wavelength [nm]

чительно упростить процедуру сборки как вакуумных, так газовых фотодетекторов.

В разделе 7.5 представлены результаты по защитным свойствам наноп-ленок на фотокатодах для видимой области, полученные с помощью экспериментальной установки, описанной в разделе 6.5. Оказалось, что только три типа нанопленок обеспечивают эффективную защиту сурьмяно-щелочных фотокатодов от кислорода; это - CsBr, Csl, и Nal. Эти же пленки, как было показано в разделе 7.2, имеют наилучшие характеристики для транспорта фотоэлектронов. Для эффективной защиты фотокатодов нанопленками требуются толщины более 150 Á для Nal и более 250 Á для Csl и CsBr. При таких толщинах, квантовый выход защищенных фотокатодов еще достаточно высок и составляет около 5 - 7% для K-Cs-Sb и 2 - 3% для Cs-Sb, в диапазоне 300 - 350 нм. Наилучшей защитной способностью от кислорода для обоих типов сурьмяно-щелочных фотокатодов обладают нанопленки CsBr, а для К-Cs-Sb фотокатода - еще и Csl. Об удивительной эффективности защиты можно судить из Рис. 21. На нем показана зависимость квантового выхода К-Cs-Sb фотокатода, покрытого нанопленкой CsBr, от времени экспозиции в кислороде при давлении 150 Тор; даже после полутора часов экспозиции квантовый выход все еще выше 1%. Эффективная защита сурьмяно-щелочных фотокатодов от кислорода и в меньшей степени от паров воды, достигнутая с помощью нанопленок, позволяет существенно упростить, а в некоторых случаях и принципиально усовершенствовать различные процедуры, проводимые с фотокатодами при сборке фотодетекторов.

Exposure time at 150 Torr [ min ]

0 20 40 60 80 100

В Главе 8 представлены результаты исследований по газовым фотодетекторам (ГФД) на основе ГЭУ. Результатом этих исследований явилось создание первых газовых фотодетекторов на основе ГЭУ с фотокатодами для УФ области, включая отпаянные ГФД, что открыло новое направление в развитии газовых фотодетекторов.

5

Рис. 21. Защитные свойства CsBr нанопленки по отношению к кислороду; показана эволюция квантового выхода K-Cs-Sb фотокатода, покрытого пленкой CsBr толщиной 280 А, на различных длинах волн в зависимости от времени экспозиции в кислороде при давлении 150 Тор (верхняя шкала).

о

о

4000 ВООО 12000

Oxygen dose [ Torr min ]

В разделе 8.1 представлены результаты по ГФД на основе ГЭУ с Csl фотокатодом; их принципы работы показаны на Рис. 3. Важным этапом для их разработки была оптимизация различных параметров, таких как состав газа, тип фотокатода и конфигурация каскадов ГЭУ; этому посвящен подраздел 8.1.1. Были исследованы такие характеристики, как усиление, одноэлектрон-ные спектры, обратное рассеяние фотоэлектронов на фотокатод, фотонные и ионные обратные связи, зарядка ионным обратным током, старение фотокатода. Усилительные характеристики ГФД на основе трехкаскадного ГЭУ и полупрозрачного Csl фотокатода в чистом Аг и его смесях показаны на Рис. 4. Видно, что ГФД с Csl фотокатодом может иметь высокие усиления, до 106. Кроме того, в смеси Аг+СН4, и особенно в Ar+N2, анодный сигнал был довольно быстрым, с длительностью до 10 не (ширина на полувысоте). Высокие усиления, достигаемые в ГФД на основе трехкаскадного ГЭУ, позволили эффективно работать в режиме счета одиночных фотонов. Из-за того, что однофотоэлектронный спектр в ГФД имеет в основном экспоненциальную форму, амплитудное разрешение в ГФД хуже, чем в ФЭУ, для малой статистики фотоэлектронов. Тем не менее, при числе фотоэлектронов порядка 10 амплитудное разрешение было достаточно высоким, около 30%, что уже близко к статистическому пределу.

Наиболее высокие усиления в ГФД на основе ГЭУ были получены в CF4 - почти 107; это видно из Рис. 2. Такие высокие усиления позволили эффективно работать в режиме счета одиночных фотонов с использованием быстрых токовых усилителей, что важно для временных измерений. Работа ГФД на основе ГЭУ в CF4 имеет и другие преимущества по сравнению с другими газами: обратное рассеяние фотоэлектронов на фотокатод в нем минимально (см. раздел 6.3), а сигнал - самый быстрый (ширина на полувысоте - 8 не); причем в однофотоэлектронном режиме временное разрешение составило всего 2 не. Как уже отмечалось, именно эти замечательные характеристики послужили основанием для разработки черенковского счетчика на основе ГЭУ для эксперимента PHENIX, работающего в чистом CF4.

Другим важным этапом в развитии ГФД на основе ГЭУ с Csl фотокатодом стала разработка отпаянных приборов; этому посвящен подраздел 8.1.2. Отпаянные ГФД изготавливались методом переноса фотокатода через вакуум на специализированной установке, созданной в Weizmann Institute. На Рис. 22 показан внешний вид первого отпаянного ГФД на основе ГЭУ с Csl фотокатодом, изготовленного и исследованного в настоящей работе. Этот ГФД работал на смеси Аг+5%СН4 и имел усиление свыше 105. Главным результатом этого этапа стал факт совместимости ГЭУ с техникой отпаянных приборов: было показано, что ГЭУ выдерживает прогрев в вакууме при 200 °С, а фотокатод отпаянного ГФД не портится в присутствии ГЭУ.

Завершает главу раздел 8.2, в котором описываются вторичные процессы, наблюдаемые в ГФД на основе ГЭУ с Csl фотокатодом. К ним относятся

эффекты, вызванные фотонной обратной связью, ионной обратной связью, зарядкой диэлектрических поверхностей ионным обратным током и старением фотокатода в условиях газового усиления (см. Рис. 3).

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Breskm A., Buzulutskov A., Chechik R.., et al. Electric field effects on Csl quantum efficiency in gas media // Nucl. Instr. Meth. 1994. V.A344. P.537-546.

2. Buzulutskov A., Brcskin A., Chechik R., Vartsky D. Field enhanced response of a Csl photocathode to BaF2 and KMgF3 scintillation // Nucl. Instr. Meth. 1994. V.A350. P.406-408.

3. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R. Field enhancement of photoelectric and secondary electron emission from Csl //J. of Appl. Phys. 1995. У .11. P.2138-2145.

4. Breskm A., Buzulutskov A., Chechik R. New ideas in Csl-based photon dctcctors: wire photomultiplicrs and protection of photocathodes // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1995. V.42. P.298-305.

5. Berger H., Besson P., Bourgeois Ph...... Buzulutskov A., el al. Rcccnt results on

the properties of Csl photocathodes //Nucl. Instr. Meth. 1995. V A360. P.411-415.

6. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R. Heat enhancement of the photoyield from Csl, Mai and Cul photocathodes//Nucl. Instr. Meth. 1995. V. A366. P. 410-412.

7. Almeida J., Amadon A , Besson P., .... Buzulutskov A., et al. Review of the development of Cesium Iodide photocathodes for application to large RICH detectors I! Nucl. Instr. Meth. 1995. V.A367. P.332-336.

8. Almeida J., BraemA., Breskin A...... Buzulutskov A., et al. Microanalysis surface

studies and photoemission properties of Csl photocathodcs // Nucl. Instr. Meth. 1995. V. A367. P. 337-341.

9. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R., et al. Field-dependent photoelectron extraction from Csl in different gases // Nucl. Instr. Meth. 1995. V.A367. P.342-346.

10. Di Mauro A., Nappt E., Posa F., ..., Buzulutskov A., et al. Photoelectron back-scattering effects in photoemission from Csl into gas media // Nucl. Instr. Meth. 1996. V.A371. P.137-142.

11. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R., Vavra J. Study of photocathode protection with thin dielectric films//Nucl. Instr. Meth. 1996. V. A371. P. 147-150.

12. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R. Photoemission from Csl/LiF and CsI/NaF films enhanced by exposure to water vapour // Nucl. Instr. Meth. 1996. V. A372. P. 572-

13. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R.., et al. Evidence for thin-film protection of

Рис. 22. Внешний вид первого отпаянного ГФД на основе четырехкаскадного ГЭУ с полупрозрачным Csl фотокатодом.

visible photocathodes //Appl. Phys. Lett. 1996. V.69. P. 1008-1010.

14. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R. Photoemission through thin dielectric coating films //J. of Appl. Phys. 1997. V.81. P.466-479.

15. Vavra J., Breskin A., Buzulutskov A., et al. Study of Csl photocathodes: volume resistivity and ageing//Nucl. Instr. Meth. 1997. V.A387. P.154-162.

16. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R., et al. Protection of cesium-antimony photocathodes//Nucl. Instr. Meth. 1997. V.A387. P.176-179.

17. Bondar A., Buzulutskov A., Nagaslaev V., et al. A semiconducting A1N coating for microstrip gas chambers // Nucl. Instr. Meth. 1997. V. A394. P. 265-267.

18. Buzulutskov A., Shefer E., Breskin A., et al. The protection of K-Cs-Sb photocathodes with CsBr films // Nucl. Instr. Meth. 1997. V.A400, P.173-176.

19. Buzulutskov A., Bondar A., Mironenko L., et al. Study of A1N coatings for microstrip gas chambers //Nucl. Instr. Meth. 1998. V.A409. V.33-36.

20. Shefer E., Breskin A., Buzulutskov A., et al. Laboratory production of efficient alkali-antimonide photocathodes // Nucl. Instr. Meth. 1998. V. A411. P. 383-388.

21. Breskin A., Buzulutskov A., Shefer E., et al. Removable organic protective coating for alkali-antimonide photocathodes // Nucl. Instr. Meth. 1998. V.A413. P.275-280.

22. Shefer E., Breskin A., Buzulutskov A., et al. Composite photocathodes for visible photon imaging with gaseous photomultipliers // Nucl. Instr. Meth. 1998. V.A419. P.612-616.

23. Bondar A., Buzulutskov A., Sauli F., Shekhtman L. High- and low-pressure operation ofthegas electron multiplier//Nucl. Instr. Meth. 1998. V.A419. P.418.

24. Buzulutskov A., Breskin A., Shefer E., et al. Organic protective coatings for alkaliantimonide photocathodes // New Detectors. C. Williams and T. Ypsilantis (Eds.). Singapore. World Scientific. 1999. P. 195-202.

25. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R., Garty G., Shefer E. Prospects with gaseous imaging detectors for UV and visible photons // New Detectors. C. Williams and T. Ypsilantis (Eds.). Singapore. World Scientific. 1999. P.203-212.

26. Bressan A., Buzulutskov A., Ropelewski L., et al. High gain operation of GEM in pure argon // Nucl. Instr. Meth. 1999. V.A423. P.119-124.

27. Bressan A., Hoch M., Pagano P., .... Buzulutskov A., et al. High rate behavior and discharge limits in micro-pattern detectors // Nucl. Instr. Meth. 1999. V.A424. P.321-342.

28. Buzulutskov A., Shekhtman L., Bressan A., et al. GEM operation in pure noble gases and the avalanche confinement // Nucl. Instr. Meth. 1999. V.A433. P.471-475.

29. Shefer E., Breskin A, Chechik R., Buzulutskov A., et al. Coated photocathodes for visible photon imaging with gaseous photomultipliers // Nucl. Instr. Meth. 1999. V.A433. P.502-506.

30. Breskin A., Boutboul T., Buzulutskov A., et al. Advances in gas avalanche photomultipliers // Nucl. Instr. Meth. 2000. V.A442. P.58-67.

31. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R., et al. Further studies of the GEM pho-tomultiplier//Nucl. Instr. Meth. 2000. V.A442. P.68-73.

32. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R., et al. The GEM photomultiplier operated with noble gas mixtures //Nucl. Instr. Meth. 2000. V.A443. P.164-180.

33. Bachmann S., Bressan A., Ketzer B„ ..., Buzulutskov A. et al. Performance of GEM detectors in high intensity particle beams // Nucl. Instr. Meth. 2001. V.A470. P.548-561.

34. Breskin A., Buzuhitskov A., Chccluk R., et al Sealed gas UV-photon detcctorwith a multi-GEM multiplier// IEEE Trans. Nucl. Sei. 2001. V.48. P.417.

35. Breskin A., Buzuhitskov A , Chccluk R., et al. Sealed GEM photomultiplier with a Csl photocathode: ion feedback and ageing // Nucl. Instr. Mcth. 2002. У.Л478. P.225.

36. Bondar A , Buzuhitskov A., Shekhtman L. High pressure operation of the triple-GEM detector in pure Ne, Ar and Xe//Nucl. Instr. Mcth. V.A481. P.200-203.

37. Breskin A., Buzuhitskov A., Chccluk R. GEM photomultiplier operation in CF; // Nucl. Instr. Mcth. 2002. V.A483. P.670-675.

38. Bondar A., Buzuhitskov A., Shekhtman L., et al. Triple GEM operation in compressed He and Кг// Nucl. Instr. Meth. 2002. V.A493. P.8-15.

39. Buzuhitskov A. Physics of multi-GEM structures // Nucl. Instr. Meth. 2002. V.A494. P.148-155.

40. Bondar A., Buzuhitskov A., Shekhtman L., Vasiljev A. Study of ion feedback in multi-GEM structures // Nucl. Instr. Meth. 2003. V.A496. P.325-332.

41. Chechik R., Balcerzyk A/., Breskin A., Buzuhitskov A. el al. Progress in GEM-basci! gaseous photomultiplicrs // Nucl. Instr. Meth. 2003. V.A502. P.195-199.

42. Mormann D., Balcerzyk A/., Breskin A., ..., Buzuhitskov A. GEM-based gaseous photomultiplicrs for UV and visible photon imaging // Nucl. Instr. Mcth. 2003. V.A504. P.93-98.

43. Aulchenko V., Bondar A., Buzuhitskov A., et ai Further studies of GEM performance in dense noble gases // Nucl. Instr. Meth. 2003. V.A513. P.256-259.

44. Buzuhitskov A., Bondar A., Shekhtman L, et al. First results from cryogenic avalanche detectors based on gas electron multipliers // IEEE Trans. Nucl. Sei. 2003. V.50. P.2491-2493.

45. Bondar A., Buzuhitskov A., Shekhtman L., et al. Cryogenic avalanche detectors based on gas electron multipliers // Nucl. Instr. Meth. 2004. V.A524. P. 130-141.

46. Bondar A., Buzuhitskov A., Pavluchcnko D.. el al. Further studies of GEM performance at cryogenic temperatures // Nucl. Instr. Meth. 2004. V.A535. P.299-302.

47. Bondar A.. Buzuhitskov A., Pavluchenko D., et al. Further studies of two-phase krypton detectors based on Gas Electron Multipliers // Nucl. Instr. Meth. 2005. V.A548. P.43 9-445.

48. Buzuhitskov A., Dodd J., Galea R„ ct al. GEM operation in helium and neon at low temperatures // Nucl. Instr. Meth. 2005. V.A548. P.487-498.

49. Bondar A., Buzuhitskov A., Grebcnuk A., et al. Two-phase argon and xenon avalanche detectors based on Gas Electron Multipliers // Nucl. Instr. Meth. 2006. V.A556. P.273-280.

50. Galea R„ Dodd J., Ju Y„ ..., Buzuhitskov A. et al. Gas Purity Effect on GEM Performance in He and Ne at Low Temperatures // IEEE Trans. Nucl. Sei. 2006. V.53. P.2260-2263.

51. Buzuhitskov A., Bondar A. Electric and Photoelectric Gates for ion feedback suppression in multi-GEM structures // Journal of Instrumentation. 2006. V.l. P08006. P.1-16.

52. Bondar A., Buzuhitskov A.. Grebenuk A., et al. A two-phase argon avalanche detector operated in a single electron counting mode // Nucl. Instr. Meth. 2007. V.A574. P.493-499.

53. Бузулуцков А.Ф. Детекторы излучений на основе газовых электронных умножителей (обзор) // Приб. и техн. экспер. 2007. N. 3. С. 5-30. Instr. and Exp. Tech.

2007. V.50. P.287-310.

54. Bondar A., Buzulutskov A., Grebenuk A., et al. First results of the two-phase argon avalanche detector performance with Csl photocathode // Nucl. Instr. Meth. 2007. V.A581. P.241-245.

55. Бузулуцков А.Ф. Газовые фотодетекторы с твердыми фотокатодами (обзор) // Физ. элем. част, и атом, ядра (ЭЧАЯ). 2008. Т. 39. Вып. 3. С. 813-869. Phys. of Part, and Nucl. 2008. V.39. No.3. P.424-453.

56. Бузулуцков А.Ф. Физические основы работы каскадных газовых электронных умножителей (обзор) // Вестник НГУ. Серия физическая. 2008. Вып. 3.

57. Bondar A., Buzulutskov A., Grebenuk A., et al. Thick GEM versus thin GEM in two-phase argon avalanche detectors // Journal of Instrumentation. 2008. V.3. P07001. P.l-21.

58. Breskin A., ChechikR., Buzulutskov A. Protection of photocathodes with thin film of cesium bromide // World Intellectual Property Organization (WIPO) Patent No. W09850934, Nov 12, 1998. European Patent No. EP0980580, Feb 23, 2000. United States Patent No. 6,531,816, Mar 11, 2003.

59. Di Mauro A., ..., Buzulutskov A., et al. CERN RD-26 Annual Status Report, Development of Large Area Advanced Fast RICH Detectors for Particle Indentification at the LHC Operated with Heavy Ions // Report CERN/DRDC/94-49. 21 Dec. 1994.

60. Di Mauro A., ..., Buzulutskov A., et al. CERN RD-26 Annual Status Report, Development of Large Area Advanced Fast RICH Detectors for Particle Indentification at the LHC Operated with Heavy Ions // Report CERN/LHCC 96-20. Feb. 1996.

61. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R., Shefer E. Towards gaseous detectors for visible photons // ICFA Instrumentation Bulletin. Spring 1996 Issue. P.29-34. (Preprint SLAC-PUB-7175, 1996.)

62. Shefer E., Breskin A., Buzulutskov A., et al. Towards gaseous imaging photomultipliers for visible light // Proceedings of the Int. Europhysics Conference on High Energy Physics, Aug. 1997 (ed. Lellouch, Mikenberg and Rabinovici). Springer. 1998. P. 10811085.

63. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R., et al. The Csl multi-GEM photomultiplier // Proceedings of the Int. Workshop on Micropattern Detectors. Orsay, France. June 28-30, 1999. P.107-110.

64. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R., et al. On some effects in multi-GEM structures // Proceedings of the Int. Workshop on Micropattern Detectors. Orsay, France. June 28-30, 1999. P.139-142.

65. Killenberg M, ..., Buzulutskov A., et al. LC TPC R & D: a proposal to the DESY PRC, by LC TPC Group // Preprint DESY-PRC-RD-01-03, 2001.

66. Killenberg M., ..., Buzulutskov A., et al. A TPC for a future linear collider // Preprint LC-DET-2002-008, 2002.

67. Tsyganov E., Buzulutskov A., Antich P., et al. Triple GEM Structure for Medical Imaging // IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, Norfolk, VA, USA. 10-16 Nov. 2002. Conference Record. V.2. P.l 163-1166.

68. Bondar A., Buzulutskov A., Shekhtman L., Vasiljev A. Triple-GEM performance in He-based mixtures // Eprint http://arxiv.org/physics/0610059. 2006. Presented at Int. Conf. on Linear Colliders. Paris, April 19-23, 2004.

Литература

69. Saldi F. Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers // In: Experimental Tcchniqucs in High Energy Physics, Edited by T. Fcrbel. Reading, MA: Ad-dison-Wcslcy, 1987. Preprint CERN 77-09, 1977.

70. Sauli F., Sharma A. Micro-pattern gaseous detectors // Annual Review of Nuclear I'articlc Science. 1999. V. 49. P. 341.

71. Sauli F. A new concept for electron amplification in gas detectors // Nucl. Instr. Meth. 1997. V.A386. P.531.

72. R&D Proposal. Development of Micro-Pattem Gas Dctcctors Technologies. Eds. M Alfonsi et al. Preprint RD51 2008-001, 2008.

73. Ketzer В., Weitzel Q„ Paul S, et al. Performance of triple-GEM tracking dctcctors in the COMPASS experiment // Nucl. Instr. Meth. 2004. V.A535. P.314.

74. Aulehenko V. M„ Bondar A. E., Buzulutskov A. F., et al. Upgrade of the KEDR tagging system // Nucl. Instr. Meth. 2002. V.A494. P.241.

75. Lami S., Latino G., Ohveri E., et al. A triple-GEM telescope for the TOTEM experiment // Eprint http://arxiv.org/physics/0611178/. 2006.

76. Alfonsi M., Bencivenni G., Bonivento IK, et al. Fast triggering of high-rate charged particles with a triple-GEM detector//Nucl. Instr. Meth. 2004. V.A535. P.319.

77. TPC R&D for an ILC Detector: Status Report from the ILC-TPC groups // Proposal PRC R&D-01/03 of the DESY Physics Review Committee. 2006. Интернет адрес http://www.desy.de/prc/.

78. Margate L.M.S., Fraga F.A.F., Fetal S.T.G., et al. Performance of an optical readout GEM-based TPC // Nucl. Instr. Meth. 2004. V. A535. P. 231.

79. Fraga F.A.F., Margate L.M.S., Fetal S.T.G., et al. CCD readout of GEM-based neutron detectors // Nucl. Instr. Meth. 2002. V.A478. P.357.

80. Aulehenko V.M., Bukiii M.A., Grebenkin S.S, et al. A new one-coordinate gaseous detector for WAXS experiments (OD4) //Nucl. Instr. Meth. 2007. V.A575. P.251.

81. J.L. Ju, J. Dodd, R. Galea et al. Cryogenic design and operation of liquid helium in an electron bubble chamber towards low energy solar neutrino detectors // Cryogenics. 2007. V.47. P.81.

82. Ereditato A., Rubbia A. The liquid Argon TPC: a powerful detector for future neutrino experiments and proton decay searches // Eprint http://arxiv.org/hep-ph/0509022. 2005.

83. Rubbia A. ArDM: a ton-scale liquid Argon experiment for direct detection of Dark Matter in the Universe // J. of Phys. Conf. Ser. 2006. V. 39. P. 129.

84. Gai M., Alon R., Breskin A., et al. Toward Application of a Thick Gas Electron Multiplier (THGEM) Readout for a Dark Matter Detector // Eprint arxiv:0706.1106. 2007.

85. Barbeau P., Collar J.I., Miyamoto J., Shipsey I. Towards Coherent Neutrino Detection Using Low-Background Micropattern Gas Detectors // IEEE Trans. Nucl. Sei. 2003. V.50. P.1285.

86. Hagmann C., Bernstein A. Two-Phase Emission Detector for Measuring Coherent Neutrino-Nucleus Scattering// IEEE Trans. Nucl. Sei. 2004. V.51. P.2151.

87. Fraenkel Z, Kozlov A., Naglis M., et al. A hadron blind detector for the PHENIX experiment at RHIC // Nucl. Instr. Meth. 2005 V.A546. P.466.

88. Aprile E., Giboni K.L., Kamat S., et al. The XENON dark matter search: status of XENON 10 // J. of Phys. Conf. Ser. 2006. V.39. P. 107.

БУЗУЛУЦКОВ Алексей Федорович

Детекторы ионизирующих излучений и фотодетекторы на основе газовых электронных умножителей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Сдано в набор 12 08.200В г. Подписано к печати 18.08.2008 г Формат 100x90 1/16 Объем 1,9 печ.л , 1,5 уч -издл. Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ Л» 21

Обработано на IBM PC и распечатано на ротапринте ИЯФ им Г.И Будкера СО РАН, Новосибирск, 630090, пр Академика Лаврентьева, 11.

Введение.б

Часть 1. Детекторы ионизирующих излучений на основе газовых электронных умножителей (ГЭУ).

Глава 1. Принципы работы ГЭУ.

1.1. Принципиальная схема ГЭУ.

1.2. Свойства ГЭУ.

1.3. Другие газовые усилительные структуры с отверстиями.

Глава 2. Физических основы работы ГЭУ и их характеристики.

2.1. Оптимизация параметров однокаскадных ГЭУ.

2.2. Каскадные ГЭУ и их характеристики.

2.3. Физические процессы в каскадных ГЭУ.

2.4. Работа ГЭУ в чистых благородных газах.

2.5. Измерение ионизационных коэффициентов и лавинные механизмы в плотных благородных газах.

2.6. Ионный обратный ток (ИОТ) в каскадных ГЭУ.

2.6.1. Измерения ИОТ.

2.6.2. Модель ИОТ.

2.6.3. Электрические и фотоэлектрические затворы для подавления ИОТ.

Глава 3. Детекторы на основе ГЭУ, работающие при комнатной температуре.

3.1. Развитие методики детекторов на основе ГЭУ в ИЯФ.

3.2. Трековые детекторы на основе ГЭУ.

3.2.1. Одно- и двухкаскадные микроструктурные газовые детекторы.

3.2.2. Трековые характеристики трехкаскадных ГЭУ.

3.2.3. Устойчивость к пробоям каскадных ГЭУ.

3.3. Детектор с визуализацией событий с оптическим считыванием.

3.4. Детекторы на основе ГЭУ, работающие при высоких давлениях.

3.4.1. Работа ГЭУ при высоких давлениях в газовых смесях с молекулярными добавками.

3.4.2. Работа ГЭУ при высоких давлениях в чистых благородных газах.

Глава 4. Криогенные лавинные детекторы на основе ГЭУ.

4.1. Введение в криогенные лавинные детекторы.

4.2. Криогенные газовые лавинные детекторы при температурах выше 77 К.

4.2.1. Экспериментальная установка.

4.2.2. Усилительные характеристики.

4.2.3. Форма анодных сигналов: обратные связи и подвижности ионов.

4.3. Криогенные газовые лавинные детекторы при температурах ниже 77 К.

4.3.1. Экспериментальная установка.

4.3.2. Работа ГЭУ в Не и № при низких температурах.

4.4. Криогенные двухфазные лавинные детекторы.

4.4.1. Принципы работы.

4.4.2. Экспериментальная установка.

4.4.3. Усилительные характеристики.

4.4.4. Электронная эмиссия из жидкости в газ.

4.4.5. Амплитудные и временные характеристики.

4.4.6. Стабильность работы.

4.4.7. Регистрация событий с малым выделением энергии.

4.4.8. Криогенные двухфазные лавинные детекторы с Сз1 фотокатодом.

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 ультрафиолетовой 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.

До 90-х годов прошлого столетия основными детекторами этого типа являлись проволочные камеры [71]. Ситуация существенно изменилась с появлением микроструктурных газовых детекторов [72], первым представителем которых была микрополосковая газовая камера [73]. Их главное отличие от проволочных камер заключалось в уменьшении на порядок размеров усилительной ячейки, что было достигнуто с помощью методов фотолитографии. Это должно было привести 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) [53,74] относится к классу микроструктурных газовых детекторов и, очевидно, является его наиболее успешным представителем. Он был изобретен Ф. Саули в 1997 году в CERN [75]; 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 пятьсот, а возможные применения ГЭУ давно вышли за рамки собственно физики высоких энергий (см. обзор [53]). 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 году специально для исследования и развития таких детекторов, в которую вошли 55 институтов [76].

До появления ГЭУ основными кандидатами на роль центральных трековых систем в детекторах на встречных пучках считались микрополосковые газовые камеры (МПГК) [72]. Усиления МПГК однако были не очень высоки: менее 104 [72]. Вследствие этого, а также из-за быстрого выгорания полосок при пробоях, собственно МПГК не получили широкого распространения, несмотря на значительные усилия, вложенные в их развитие [72,134].

С появлением ГЭУ и ввиду того, что он обладал замечательным свойством образовывать многокаскадные структуры, в качестве трековых детекторов стали рассматриваться двухкаскадные структуры - прежде всего на основе двухкаскадных ГЭУ и комбинации ГЭУ с МПГК. Трековые характеристики двухкаскадных ГЭУ были подробно изучены в CERN [162], и на начальном этапе двухкаскадные ГЭУ были выбраны для трековой системы эксперимента COMPASS [139]. А комбинация ГЭУ+МПГК была выбрана для трековой системы HERA-B [163]. Оба выбора оказались неудачными: устойчивость к пробоям двухкаскадных структур, вызванных сильно ионизирующими частицами, оказалась недостаточной для эффективной работы. Именно недостаточная устойчивость к пробоям одно- и двухкаскадных микроструктурных газовых детекторов вообще, и микрополосковых газовых камер в частности, сделало невозможным их широкое применение в физике высоких энергий [72,134.163].

Решением проблемы стал переход тс трехкаскадным структурам, а именно к трехкас-кадным ГЭУ, реализованный в настоящей работе. Работы по исследованию ГЭУ были начаты автором в ИЯФ в 1997 году, т.е. практически сразу после изобретения ГЭУ. При этом многие характеристик ГЭУ были исследованы впервые. По многообразию физических эффектов, лежащих в основе работы ГЭУ и обнаруженных в процессе этих исследований, они превзошли все предшествующие газовые детекторы. Например, было открыто уникальное свойство ГЭУ эффективно работать в чистых благородных газах, в том числе при низких температурах. Это в частности позволило создать новый класс детекторов ионизирующих излучений - класс криогенных лавинных детекторов на основе ГЭУ, включая криогенные двухфазные лавинные детекторы, а также измерить с помощью ГЭУ ионизационные коэффициенты благородных газов в ранее недоступных диапазонах плотностей и температур.

Следует отметить, что до внедрения ГЭУ не удавалось получить стабильного лавинного режима в двухфазных детекторах на основе благородных газов с использованием пропорциональных проволочных камер [180]. Считалось,, что проблема заключается в неконтролируемом образовании жидкой пленки на проволочных электродах. Именно применение ГЭУ в настоящей работе позволило в 2003 году впервые получить стабильную работу двухфазного детектора в лавинном режиме [44] и в дальнейшем достичь впечатляющих результатов по работе таких детекторов во всех тяжелых благородных газах [45,46,47,49,52,54,57].

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, [30,77]). 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 (RICH-детекторах) [77].

Наиболее перспективными считаются газовые фотодетекторы с твердыми фотокатодами вообще (см. обзор [55]) и с Csl фотокатодом в частности [55,78]. Преимущества твердых фотокатодов [55] перед газовыми фотокатодами [77] 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 сцинтилля-ционных криогенных детекторах [79]. Поэтому актуальной была задача изучения свойств Csl фотокатода и его применения в газовых фотодетекторах. С другой стороны, применение газовых фотодетекторов с твердыми фотокатодами пока ограничивается несколькими действующими и проектируемыми RJCH-детекторами на основе Csl фотокатода, работающими на продуве газа [80]. Это связано с тем, что до сих пор остается актуальной разработка более совершенных и практичных газовых фотодетекторов [55], таких как на основе ГЭУ [31,32.37,81,82], отпаянных [34,35,83] и с фотокатодами для видимой области

20,41.42,83,84], включая фотокатоды с защитными диэлектрическими нанопленками [11,13,14,16,18.21.22,29]. В случае успеха, они могли бы составить конкуренцию ФЭУ в их традиционных областях применения. Соответствующие исследования были начаты автором в 1993 году.

Целью настоящей работы является разработка 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 и разработке твердых фотокатодов для газовых фотодетекторов и защитных пленок для фотокатодов, разработке газовых фотодетекторов на основе ГЭУ.

Следует отметить, что физика каскадных ГЭУ, газовых фотодетекторов и фотокатодов является одной из самых многообразных и сложных областей физики регистрации излучений: она находится на стыке физики прохождения излучения через вещество, физики газового разряда, физики поверхности, физики низких температур, физики тонких пленок, эмиссионной электроники и нанотехнологии. Поэтому она представляет самостоятельный интерес. В настоящей работе были 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 нанопленки, фотонные и ионные обратные связи в детекторах на основе ГЭУ.

Практическая значимость настоящей работы состоит в том, что замечательные свойства детекторов ионизирующих излучений на основе ГЭУ, обнаруженные в настоящей работе, сделали возможным их применение в физике высоких энергий, ядерной физики, астрофизике, в области медицинской визуализации и в других областях. В частности, трех-каскадный 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: в трековых детекторах [93,94,95,96,97], быстрых детекторах для триггерных систем [98,99], торцевых детекторах для время-проекционных камер [100.101,102,103,104], нейтронных детекторах [105], детекторах синхротронного излучения [106], детекторах с визуализацией событий с оптичеY ским [104,105,107] и электрическим [108] считыванием.

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 [85,86], нейтрино от ускорителей и космических лучей [87], темной материи [88,89], когерентно-рассеянных нейтрино [90,91], для позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ) [53,69,92] и рентгеновской цифровой радиографии [70].

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 [109.110,111]. Что касается криогенных двухфазных лавинных детекторов с Csl фотокатодом, то их предполагается использовать в низкофоновых экспериментах по регистрации темной материи [112] и когерентного рассеяния нейтрино на ядрах [55,69], а также в ПЭТ [55,69.92]. 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].

Настоящая работа состоит из введения, 8 глав, и заключения. Главы 1-4 и 5-8 объединены в первую и вторую часть, соответственно. В первой части представлены результаты по исследованию и разработке детекторов ионизирующих излучений на основе ГЭУ. В гл. 1 изложены принципы работы ГЭУ. В гл. 2 рассматриваются физические основы работы ГЭУ, включая работу в чистых благородных газах. В гл. 3 описаны детекторы ионизирующих излучений на основе ГЭУ, работающие при комнатной температуре, включая трековые детекторы и детекторы, работающие при высоких давлениях. В гл. 4 описаны детекторы ионизирующих излучений на основе ГЭУ, работающие при криогенных температурах. включая двухфазные лавинные детекторы. Во второй части представлены результаты по исследованию и разработке газовых фотодетекторов с твердыми фотокатодами. Для краткости они в дальнейшем будут обозначаться ГФД. В главе 5 изложены классификация и принципы работы ГФД. В главе 6 рассматриваются эффективные фотокатоды для УФ и видимой области в газе и вакууме, а в главе 7 - диэлектрические нанопленки на фотокатодах. Глава 8 посвящена разработке ГФД на основе ГЭУ. В заключении перечислены основные результаты, полученные в настоящей работе.

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].

Заключение

Ниже перечислены основные результаты настоящей работы:

1. Получены новые знания по следующим физическим явлениям и процессам из области физики регистрации излучений, которые могут бьггь использованы для создания принципиально новых приборов и методов экспериментальной физики:

• измерены ионизационные коэффициенты в плотных благородных газах: при комнатной температуре в Не, N6, Аг, Кг и Хе - впервые в диапазоне давлений 1-15 атм, при криогенных температурах в Не и № - впервые в диапазоне температур 2-78 К;

• впервые систематически исследованы ионные обратные токи в каскадных ГЭУ; построена модель явления;

• измерено обратное рассеяние фотоэлектронов на Сб1 фотокатод в различных газах; наблюден эффект подавления обратного рассеяния фотоэлектронов и почти полного восстановления квантового выхода фотокатода в СН4 и, впервые, в Ср4; 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 Сб1 фотокатода в сильном электрическом поле; построена модель явления;

• исследован транспорт фотоэлектронов через диэлектрические нанопленки, в частности измерены длины пробегов фотоэлектронов в различных наноплен-ках, в большинстве из них - впервые;

• обнаружено усиление фотоэлектронной эмиссии через щелочно-фторидные пленки "за счет адсорбции молекул воды; построена модель явления;

• изучены фотонные и ионные обратные связи в детекторах на основе ГЭУ;

• изучены свойства полупроводящих пленок А1Ы для микрополосковых газовых камер.

2. 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 см" и сборки из них трековых детекторов, а также методы применения ГЭУ в детекторах высокого давления, криогенных детекторах и газовых фотодетекторах.

3. Разработаны первые трехкаскадные газовые детекторы, а именно трехкаскадные ГЭУ. Решена фундаментальная проблема пробоев в трековых микроструктурных газовых детекторах (МСГД) с помощью применения впервые трехкаскадных ГЭУ и исследования их устойчивости к пробоям, а также устойчивости к пробоям других типов МСГД. В результате трехкаскадный ГЭУ стал самым распространенным типом микроструктурных газовых детекторов, а трековые детекторы на основе трехкаскадных ГЭУ стали применяться в экспериментах на коллайдерах в ИЯФ и CERN.

4. Обнаружена и подробно исследована уникальная способность ГЭУ работать в чистых благородных газах с высоким газовым усилением, в том числе при высоких давлениях и криогенных температурах. Это свойство позволило:

• изучить физику электронных лавин в плотных благородных газах в ранее недоступных диапазонах давлений и температур, в частности при высоких давлениях и низких температурах;

• разработать лавинные детекторы высокого давления на основе ГЭУ;

• разработать криогенные газовые лавинные детекторы на основе ГЭУ; в частности при температурах > 20 К наиболее успешным детектором такого типа оказался трехкаскадный ГЭУ, работающий в пенниговской смеси Ne+H2, что открыло новое направление в развитии детекторов для регистрации солнечных нейтрино;

• разработать криогенные двухфазные лавинные детекторы.

5. Разработаны и созданы экспериментальные установки для исследования криогенных лавинных детекторов на основе ГЭУ, в том числе криогенных двухфазных лавинных детекторов, в Ar, Кг и Хе.

6. Создан новый класс детекторов ионизирующих излучений, а именно класс криогенных двухфазных лавинных детекторов на основе ГЭУ, впервые стабильно работающих в режиме газового усиления в Ar, Кг и Хе. Это открыло новые направления в развитии детекторов для регистрации темной материи, когерентно рассеянных на ядрах нейтрино, нейтрино от ускорителей и космических лучей, для позитронной эмиссионной томографии и рентгеновской цифровой радиографии.

7. Разработана методика эффективных фотокатодов для ультрафиолетовой области для применения в газовых фотодетекторах, а именно Csl, Nal и Cul фотокатодов, включая методы их вакуумного испарения и термической обработки. В результате Csl фотокатод был успешно применен в нескольких RICH-детекторах в экспериментах в CERN, GSI и BNL.

8. Разработана и создана экспериментальная установка для изготовления и исследования композиционных фотокатодов для видимой области, а именно сурьмяно-щелочных фотокатодов, покрытых защитными диэлектрическими пленками.

9. Обнаружена и подробно исследована уникальная способность диэлектрических нанопленок Nal, CsBr и Csl эффективно защищать фотокатоды для видимой области от воздействия кислорода, а органической пленки гексатриаконтан (П-С36Н74) - быть удаляемой с фотокатода. Это открыло новое направление в развитии газовых фотодетекторов, чувствительных в видимой области, а именно направление композиционных фотокатодов для газовых фотодетекторов.

10. Разработаны и созданы первые газовые фотодетекторы (ГФД) на основе ГЭУ, в том числе с Csl фотокатодом, отпаянные и работающие в чистом CF4. Это открыло еще одно новое направление в развитии газовых фотодетекторов. В частности, ГФД на основе ГЭУ с Csl фотокатодом, работающий в CF4, находит применение в черенковском детекторе эксперимента PHENIX в BNL.

В заключение я хочу выразить глубокую признательность своим непосредственным руководителям А.Е. Бондарю и Ю.А. Тихонову за постоянную поддержку и интерес к работе. Я искренне благодарен Л.И. Шехтману, Д.В. Павлюченко, В.Г. Снопкову, А.Ф. Гре-бенюку за многолетнюю совместную работу. Я признателен Л.В. Днепровскому, А.Н. Криницину, A.B. Чегодаеву за их большую работу по изготовлению детекторов, В.В. Васильеву и А. Татаринову за помощь в обработке данных, A.C. Кузьмину, Б.А. Шварцу и С.И. Эйдельману за обсуждение результатов работы.

Я выражаю глубокую признательность своим научным руководителям за рубежом А. Брескину и Ф. Саули, у которых я многому научился в области экспериментальной физики. Мне хотелось бы поблагодарить зарубежных коллег, с которыми мы работали в рамках совместных проектов: У. Виллис, Д. Додд, М. Лельтчука, Р. Галеа, В. Чернятина, Н. Спунер, В. Кудрявцева, Ф. Лайтфут, Э. Цыганова, а также коллег, с которыми довелось работать в разные годы, - Л. Ропелевского, Р. Чечик, А. Ди Мауро, Е. Шефер.

1. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R. et al. Electric field effects on Csl quantum efficiency in gas media //Nucl. 1.strum. and Methods. 1994. V. A344. P. 537-546.

2. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R., Vartsky D. Field enhanced response of a Csl photocathode to BaF2 and KMgF3 scintillation // Nucl. Instrum. and Methods. 1994. V. A350. P. 406-408.

3. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R. Field enhancement of photoelectric and secondary electron emission from Csl // J. of Appl. Phys. 1995. V. 77. P. 2138-2145.

4. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R. New ideas in Csl-based photon detectors: wire photomultipliers and protection of photocathodes // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1995. V. 42. P. 298305.

5. Berger H., Besson P., Bourgeois Ph., ., Buzulutskov A. et al. Recent results on the properties of Csl photocathodes //Nucl. Instrum. and Methods. 1995. V. A360. P. 411-415.

6. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R. Heat enhancement of the photoyield from Csl, Nal and Cul photocathodes //Nucl. Instrum. and Methods. 1995. V. A366. P. 410-412.

7. Almeida J., Amadon A., Besson P., ., Buzulutskov A. et al. Review of the development of Cesium Iodide photocathodes for application to large RICH detectors // Nucl. Instrum. and Methods. 1995. V. A367. P. 332-336.

8. Almeida J., Braem A., Breskin A., ., Buzulutskov A. et al. Microanalysis surface studies and photoemission properties of Csl photocathodes // Nucl. Instrum. and Methods. 1995. V. A367. P. 337-341.

9. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R. et al. Field-dependent photoelectron extraction from Csl in different gases // Nucl. Instrum. and Methods. 1995. V. A367. P. 342-346.

10. Di Mauro A., Nap.pi Е.г Posa P., ., Buzulutskov A. et al. Photoelectron backscattering effects in photoemission from Csl into gas media // Nucl. Instrum. and Methods. 1996. V. A371. P. 137-142.

11. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R., Vavra J. Study of photocathode protection with thin dielectric films//Nucl. Instrum. and Methods. 1996. V. A371. P. 147-150.

12. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R. Photoemission from CsI/LiF and CsI/NaF films enhanced by exposure to water vapour // Nucl. Instrum. and Methods. 1996. V. A372. P. 572574.

13. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R. et al. Evidence for thin-film protection of visiblephotocathodes//Appl. Phys. Lett. 1996. V. 69. P. 1008-1010.

14. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R. Photoemission through thin dielectric coating films // J. of Appl. Phys. 1997. V. 81. P. 466-479.

15. VavraJ., Breskin A., Buzulutskov A. et al. Study of Csl photocathodes: volume resistivity and ageing//Nucl. Instrum. and Methods. 1997. V. A387. P. 154-162.

16. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R. et al. Protection of cesium-antimony photocathodes // Nucl. Instrum. and Methods. 1997. V. A387. P. 176-179.

17. Bondar A., Buzulutskov A., Nagaslaev V. et al. A semiconducting A1N coating for microstrip gas chambers //Nucl. Instrum. and Methods. 1997. V. A394. P. 265-267.

18. Buzulutskov A., Shefer E., Breskin A. et al. The protection of K-Cs-Sb photocathodes with CsBr films //Nucl. Instrum. and Methods. 1997. V. A400, P. 173-176.

19. Buzulutskov A., Bondar A., Mironenko L. et al. Study of A1N coatings for microstrip gas chambers // Nucl. Instrum. and Methods. 1998. V. A409. V. 33-36.

20. Shefer E., Breskin A., Buzulutskov A. et al. Laboratory production of efficient alkaliantimonide photocathodes //Nucl. Instrum. and Methods. 1998. V. A411. P. 383-388.

21. Breskin A., Buzulutskov A., Shefer E. et al. Removable organic protective coating for alkaliantimonide photocathodes // Nucl. Instrum. and Methods. 1998. V. A413. P. 275-280.

22. Shefer E., Breskin A., Buzulutskov A. et al. Composite photocathodes for visible photon imaging with gaseous photomultipliers // Nucl. Instrum. and Methods. 1998. V. A419. P. 612-616.

23. Bondar A., Buzulutskov A., Sauli F., Shekhtman L. High- and low-pressure operation of the gas electron multiplier // Nucl. Instrum. and Methods. 1998. V. A419. P. 418.

24. Buzulutskov A., Breskin A., Shefer E. et al. Organic protective coatings for alkali-antimonide photocathodes // New Detectors. C. Williams and T. Ypsilantis (Eds.). Singapore. World Scientific. 1999. P. 195-202.

25. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R., Garty G., Shefer E. Prospects with gaseous imaging detectors for UV and visible photons //New Detectors. C. Williams and T. Ypsilantis (Eds.). Singapore. World Scientific. 1999. P. 203-212.

26. BressanA., Buzulutskov A., Ropelewski L. et al. High gain operation of GEM in pure argon // Nucl. Instrum. and Methods. 1999. V. A423. P. 119-124.

27. Bressan A., Hoch M., Pagano P., ., Buzulutskov A. et al. High rate behavior and discharge limits in micro-pattern detectors //Nucl. Instrum. and Methods. 1999. V. A424. P. 321-342.

28. Buzulutskov A., Shekhtman L., Bressan A. et al. GEM operation in pure noble gases and the avalanche confinement//Nucl. Instrum. and Methods. 1999. V. A433. P. 471-475.

29. Shefer E., Breskin A, Chechik R., Buzulutskov A. et al. Coated photocathodes for visible photon imaging with gaseous photomultipliers //Nucl. Instrum. and Methods. 1999. V. A433. P. 502-506.

30. Breskin A., Bontboul T., Buzulutskov A. et al. Advances in gas avalanche photomultipliers // Nucl. Instrum. and Methods. 2000. V. A442. P. 58-67.

31. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R. et al. Further studies of the GEM photomultiplier // Nucl. Instrum. and Methods. 2000. V. A442. P. 68-73.

32. Buzulutskov A., Breskin A., Chechik R. et al. The GEM photomultiplier operated with noble gas mixtures //Nucl. Instrum. and Methods. 2000. V. A443. P. 164-180.

33. Bachmann S., BressanA., Ketzer B., ., Buzulutskov A. et al. Performance of GEM detectors in high intensity particle beams // Nucl. Instrum. and Methods. 2001. V. A470. P. 548-561.

34. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R. et al. Sealed gas UV-photon detector with a multi-GEM multiplier// IEEE Trans. Nucl. Sci. 2001. V. 48. P. 417.

35. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R. et al. Sealed GEM photomultiplier with a Csl photocathode: ion feedback and ageing //Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A478. P. 225.

36. Bandar A., Buzulutskov A., Shekhtman L. High pressure operation of the triple-GEM detector in pureNe, Ar and Xe//Nucl. Instrum. and Methods. V. A481. P. 200-203.

37. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R. GEM photomultiplier operation in CF4 // Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A483. P. 670-675.

38. Bondar A., Buzulutskov A., Shekhtman L. et al. Triple GEM operation in compressed He and Kr //Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A493. P. 8-15.

39. Buzulutskov A. Physics of multi-GEM structures // Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A494. P. 148-155.

40. Bondar A., Buzulutskov A., Shekhtman L , Vasiljev A. Study of ion feedback in multi-GEM structures //Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V. A496. P. 325-332.

41. Chechik R., Balcerzyk M., Breskin A., Buzulutskov A. et al. Progress in GEM-based gaseous photomultipliers //Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V. A502. P. 195-199.

42. Mormann D., Balcerzyk M., Breskin A., ., Buzulutskov A. GEM-based gaseous photomultipliers for UV and visible photon imaging // Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V. A504. P. 93-98.

43. Aulchenko V., Bondar A., Buzulutskov A. et al. Further studies of GEM performance in dense noble gases //Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V. A513. P. 256-259.

44. Buzulutskov A., Bondar A., Shekhtman L. et al. First results from cryogenic avalanche detectors based on gas electron multipliers // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2003. V. 50. P. 2491-2493.

45. Bondar A., Buzulutskov A., Shekhtmcin L. et al. Cryogenic avalanche detectors based on gas electron multipliers //Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A524. P. 130-141.

46. Bondar A., Buzulutskov A., Pavluchenko D. et al. Further studies of GEM performance at cryogenic temperatures //Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A535. P. 299-302.

47. Bondar A., Buzulutskov A., Pavluchenko D. et al. Further studies of two-phase krypton detectors based on Gas Electron Multipliers //Nucl. Instrum. and Methods. 2005. V. A548. P. 439445.

48. Buzulutskov A., Dodd J., Galea R. et al. GEM operation in helium and neon at low temperatures //Nucl. Instrum. and Methods. 2005. V. A548. P. 487-498.

49. Bondar A., Buzulutskov A., Grebenuk A. et al. Two-phase argon and xenon avalanche detectors based on Gas Electron Multipliers //Nucl. Instrum. and Methods. 2006. V. A556. P. 273280.

50. Galea R., Dodd J., Ju Y., ., Buzulutskov A. et al. Gas Purity Effect on GEM Performance in He and Ne at Low Temperatures // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2006. V. 53. P. 2260-2263.

51. Buzulutskov A., Bondar A. Electric and Photoelectric Gates for ion feedback suppression in multi-GEM structures // Journal of Instrumentation. 2006. V. 1. P08006. P. 1-16.

52. Bondar A., Buzulutskov A., Grebenuk A. et al. A two-phase argon avalanche detector operated in a single electron counting mode // Nucl. Tnstrum. and Methods. 2007. V. A574. P. 493-499.

53. Бузу.чуцков А.Ф. Детекторы излучений на основе газовых электронных умножителей (обзор) // Приб. и техн. экспер. 2007. N. 3. С. 5-30. Instr. and Exp. Tech. 2007. V. 50. P. 287-310.

54. Bondar A., Buzulutskov A., Grebenuk A. et al. First results of the two-phase argon avalanche detector performance with Csl photocathode // Nucl. Instrum. and Methods. 2007. V. A581. P. 241-245.

55. Бузу.чуцков А.Ф. Газовые фотодетекторы с твердыми фотокатодами (обзор) // Физ. элем, част, и атом, ядра (ЭЧАЯ). 2008. Т. 39. Вып. 3. С. 813-869. Phys. of Part, and Nucl. 2008. V. 39. No. 3. P. 424-453.

56. Бузу.чуцков А.Ф. Физические основы работы каскадных газовых электронных умножителей (обзор) // Вестник НГУ. Серия физическая. 2008. Вып. 3.

57. Bondar A., Buzulutskov A., Grebenuk A. et al. Thick GEM versus thin GEM in two-phase argon avalanche detectors // Journal of Instrumentation. 2008. V. 3. P07001. P. 1-21.

58. Di Mauro A., ., Buzulutskov A. et al. CERN RD-26 Annual Status Report, Development of Large Area Advanced Fast RICH Detectors for Particle Indentification at the LHC Operated with Heavy Ions // Report CERN/DRDC/94-49. 21 Dec. 1994.

59. Di Mauro A., ., Buzulutskov A. et al. CERN RD-26 Annual Status Report, Development of Large Area Advanced Fast RICH Detectors for Particle Indentification at the LHC Operated with Heavy Ions // Report CERN/LHCC 96-20. Feb. 1996.

60. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R., Shefer E. Towards gaseous detectors for visible photons // ICFA Instrumentation Bulletin. Spring 1996 Issue. P. 29-34. (Preprint SLAC-PUB-7175, 1996.)

61. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R. et al. The Csl multi-GEM photomultiplier // Proceedings of the Int. Workshop on Micropattern Detectors. Orsay, France. June 28-30, 1999. P. 107-110.

62. Breskin A., Buzulutskov A., Chechik R. et al. On some effects in multi-GEM structures // Proceedings of the Int. Workshop on Micropattern Detectors. Orsay, France. June 28-30, 1999. P. 139-142.

63. Killenberg M., ., Buzulutskov A. et al. LC TPC R & D: a proposal to the DESY PRC, by LC TPC Group // Preprint DESY-PRC-RD-01-03. 2001.

64. Killenberg M„ ., Buzulutskov A. et al. A TPC for a future linear collider // Preprint LC-DET-2002-008. 2002.

65. Tsyganov E., Buzulutskov A., Antich P. et al. Triple GEM Structure for Medical Imaging // IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, Norfolk, VA, USA. 1016 Nov. 2002. Conference Record. V. 2. P. 1163-1166.

66. Bondar A., Buzulutskov A., Shekhtman L., Vasiljev A. Triple-GEM performance in He-based mixtures // Eprint http://arxiv.org/physics/0610059. 2006. Presented at Int. Conf. on Linear Colliders. Paris, April 19-23, 2004.

67. Sauli F. Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers // In: Experimental Techniques in High Energy Physics, Edited by T. Ferbel. Reading, MA: Addison-Wesley, 1987. Preprint CERN 77-09, 1977.

68. Sauli F., Sharma A. Micro-pattern gaseous detectors // Annual Review of Nuclear Particle Science. 1999. V. 49. P. 341.

69. Oed A. Position-sensitive detector with microstrip anode for electron multiplication with gases//Nucl. Instrum. and Methods. 1988. V. A263. P. 351.

70. Sauli F. A new concept for electron amplification in gas detectors // Nucl. Instrum. and Methods. 1997. V. A386. P. 531.

71. Sauli F. Radiation detector of very high performance // US Patent 6,011,265. 2000.

72. R & D Proposal. Development of Micro-Pattern Gas Detectors Technologies. Eds. M. Alfonsi et al. Preprint RD51 2008-001, 2008.

73. Seguinot J., Ypsilantis T. A historical survey of ring imaging Cherenkov counters // Nucl. Instrum. and Methods. 1994. V. A343. P. 1, and references therein.

74. Breskin A. Csl UV photocathodes: history and mystery // Nucl. Instrum. and Methods. 1996. V. A371. P. 116, and references therein.

75. Барабаш А. С., Болоздыня А.И. Жидкостные ионизационные детекторы / Москва: Энер-гоатомиздат, 1993.

76. Di Mauro A. Recent CsI-RICH developments // Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A525. P. 173.

77. Mormann D., Breskin A., Chechik R., Shalem C. Operation principles and properties of the multi-GEM gaseous photomultiplier with reflective photocathode // Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A530. P. 258.

78. Meinschad Т., Ropelewski L., Sauli F. GEM-based photon detector for RICH applications // Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A535. P. 324.

79. Balcerzyk M., Morman D., Breskin A. et al. Methods of preparation and performance of sealed gas photomultipliers for visible light // IEEE Trans. Nucl. Sei. 2003. V. 50. P. 847.

80. Breskin A., Mormann D., Lyashenko A. et al. Ion-induced effects in GEM and GEM/MHSP gaseous photomultipliers for the UV and the visible spectral range // Nucl. Instrum. and Methods. 2005. V. A553. P. 46.

81. DoddJ., Leltchouk M, Radeka V., Rehak P., Tcherniatine V., Willis W. J. E-bubble chamber project // Интернет адрес http://www.nevis.columbia.edu/~ebubble/.

82. J.L. Ju, J. Dodd, R. Galea et al. Cryogenic design and operation of liquid helium in an electron bubble chamber towards low energy solar neutrino detectors // Cryogenics. 2007. V. 47. P. 81.

83. Ereditato A., Rubbia A. The liquid Argon TPC: a powerful detector for future neutrino experiments and proton decay searches // Eprint http://arxiv.org/hep-ph/0509022. 2005.

84. Rubbia A. ArDM: a ton-scale liquid Argon experiment for direct detection of Dark Matter in the Universe // J. of Phys. Conf. Ser. 2006. V. 39. P. 129.

85. Gai M, A Ion R., Breskin A. et al. Toward Application of a Thick Gas Electron Multiplier (THGEM) Readout for a Dark Matter Detector // Eprint arxiv:0706.1106. 2007. .

86. Barbeau P., Collar J.I., Miyamoto ./., Shipsey I. Towards Coherent Neutrino Detection Using Low-Background Micropattern Gas Detectors // IEEE Trans. Nucl. Sei. 2003. V. 50. P. 1285.

87. Hagmann C., Bernstein A. Two-Phase Emission Detector for Measuring Coherent Neutrino-Nucleus Scattering // IEEE Trans. Nucl. Sei. 2004. V. 51. P. 2151.

88. Chen M., Bolozdynya A. Radiation detection and tomography // US patent 5,665,971. 1997.

89. Altunbas C., Capeans M., Dehmelt K. et al. Construction, test and commissioning of the triple-gem tracking detector for compass //Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A490. P. 177.

90. Ketzer В., Weitzel О., Paul S. et al. Performance of triple-GEM tracking detectors in the COMPASS experiment"//Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A535. P. 314.

91. Aulchenko V. M., Bondar A. E., Buzidutskov A. F. et al. Upgrade of the KEDR tagging system //Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A494. P. 241.

92. Lami S., Latino G., Oliveri E. et al. A triple-GEM telescope for the TOTEM experiment // Eprint http://arxiv.org/physics/0611178/. 2006.

93. Интернет адрес: http://gdd.web.cern.ch/GDD/.

94. Alfonsi M., Bencivenni G., Bonivento W. et al. Fast triggering of high-rate charged particles with a triple-GEM detector //Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A535. P. 319.

95. Alfonsi M„ Bencivenni G., de Simone P. et al. High-rate particle triggering with triple-GEMdetector//Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A518. P. 106.

96. TESLA Technical Design Report, Part IV: A Detector for TESLA // Edited by T. Behnke, S. Bertolucci, R.-D. Heuer, R. Settles. Preprint DESY 2001-011 and ECFA 2001-209. 2001.

97. Karlen D., Pojfenberger P., Rosenbaum G. TPC performance in magnetic fields with GEM and pad readout //Nucl. Instrum. and Methods. 2005. V. A555. P. 80.

98. Ableev V., Ambrosino F., Apollonio M. et al. TPG, test results // IEEE Trans. Nucl. Sei. 2005. V. 52. P. 2944.

99. TPC R&D for an ILC Detector: Status Report from the ILC-TPC groups // Proposal PRC R&D-01/03 of the DESY Physics Review Committee. 2006. Интернет адрес http://www.desy.de/prc/.

100. Margato L M.S., Fraga F.A.F., Fetal S.T.G. et al. Performance of an optical readout GEM-based TPC //Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A535. P. 231.

101. Fraga F.A.F., Margato L.M.S., Fetal S.T.G. et al. CCD readout of GEM-based neutron detectors // Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A478. P. 357.

102. Aulchenko V.M., Bukin M.A., Grebenkin S.S. et al. A new one-coordinate gaseous detector for WAXS experiments (OD4) // Nucl. Instrum. and Methods. 2007. V. A575. P. 251.

103. Fraga F.A.F., Margato L.M.S., Fetal S.T.G. et al. Luminescence and imaging with gas electron multipliers //Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V. A513. P. 379.

104. Bamberger A., Desch К, Rem U. et al. Readout of GEM detectors using the Medipix2 CMOS pixel chip //Nucl. Instrum. and Methods. 2007. V. A573. P. 361.

105. Fraenkel Z, Kozlov A., Naglis M. et al. A hadron blind detector for the PHENIX experiment at RHIC //Nucl. Instrum. and Methods. 2005 V. A546. P. 466.

106. Kozlov A., Ravinovich I., Shekhtman L. et al. Development of a triple GEM UV-photon detector operated in pure CF4 for the PHENIX experiment // Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A523.P.~344.~

107. Milov A., Anderson W., Azmoun B. et al. Construction and Expected Performance of the Hadron Blind Detector for the PHENIX Experiment at RHIC // E-print http://arxiv.org/physics/0701273. 2007.

108. Aprile E., Giboni K.L., Kamat S. et al. The XENON dark matter search: status of XE-NONIO // J. ofPhys. Conf. Ser. 2006. V. 39. P. 107.

109. Bachmann S., Bressan A., Ropelewski L. et al. Charge amplification and transfer processes in the gas electron multiplier //Nucl. Instrum. and Methods. 1999. V. A438. P. 376.

110. Bachmann S., Bressan A., Ropelewski L. et al. Recent progress in GEM manufacturingand operation // Nucl. Instrum. and Methods. 1999. V. A433. P. 464.

111. Bressan A., De Oliveira R., Gandi A. et al. Two-dimensional readout of GEM detectors // Nucl. Instrum. and Methods. 1999. V. A425. P. 254.

112. Bachmann S., Kappler S., Ketzer B. et al. High rate X-ray imaging using multi-GEM detectors with a novel readout design //Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A478. P. 104.

113. Sauli F. Progress with the gas electron multiplier // Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A522. P. 93.

114. Benlloch J., Bressan A., Buttner C. et al. Development of the gas electron multiplier // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1998. V. 42. P. 234.

115. Altunbas C., Dehmelt K, Kappler S. et al. Aging measurements with the Gas Electron Multiplier (GEM) // Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V. A515. P. 249.

116. Guirl L., Kane S., May J. et al. An aging study of triple GEMs in AT-CO2 // Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A478. P. 263.

117. Maia J.M., Veloso J.F.C.A., dos Santos J.M.F. et al. Advances in the Micro-Hole & Strip Plate gaseous detector // Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V. A504. P. 364.

118. Amaro F., Veloso J.F.C.A., Maia J.M. et al. Noble-gas operation of Micro-Hole and Strip Plate electron multipliers at atmospheric-to-high pressures // Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A535. P. 341.

119. Maia J.M., Mormann D., Breskin A. et al. Avalanche-ion back-flow reduction in gaseous electron multipliers based on GEM/MHSP//Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A523. P. 334.

120. Veloso J.F.C.A., Amaro F.D., Maia J.M. et al. MHSP in reversed-bias operation mode for ion blocking in gas-avalanche multipliers //Nucl. Instrum. and Methods. 2005. V. A548. P. 375.

121. Veloso J. F. C. A., Amaro F., dos Santos J. M. F. et al. Application of the Microhole and Strip Plate Detector for Neutron Detection // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2004. V. 51. P. 2104.

122. Amaro F. D., Veloso J. F. C. A., Breskin A. et al. Operation of MHSP multipliers in high pressure pure noble-gas // Journal of Instrumentation. 2006. V. 1. P04003.

123. Sakuray H., Tamura T., Gunji S., Noma M. A new type of proportional counter using a capillary plate //Nucl. Instrum. and Methods. 1996. V. A374. P. 341.

124. Peskov V, Silin E., Sokolova T., Rodionov I. First attempts to combine capillary tubes with photocathodes //Nucl. Instrum. and Methods. 1999. V. A433. P. 492.

125. Pereiale L., Peskov V., Iacobaeus C. et al. The Successful Operation of Hole-type Gaseous Detectors at Cryogenic Temperatures // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2005. V. 52. P. 927.

126. Chechik R., BreskinA., Shalem C., Mormann D. Thick GEM-like hole multipliers: properties and possible applications //Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A535. P. 303.

127. Shalem С., Chechik R., Breskin A., Michaeli K. Advances in Thick GEM-like gaseous electron multipliers—Part I: atmospheric pressure operation // Nucl. Instrum. and Methods. 2006. V. A558. P. 475.

128. Shalem C.K., Chechik R„ Breskin A. et al. Advances in thick GEM-like gaseous electron multipliers Part II: Low-pressure operation // Nucl. Instrum. and Methods. 2006. V. A558. P. 468.

129. Oliveira R., Peskov V., Pietropaolo F., Picchi P. First Tests of Thick GEMs with Electrodes Made of a Resistive Kapton // E-print http://arxiv.org/physics/0701154, 2007.

130. Shekhtman L. Micro-pattern gaseous detectors // Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A494. P. 128.

131. Cluirpak G., Derre J., Giomataris Y., Rebourgeard P. Micromegas, a multipurpose gaseous detector // Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A478. P. 26.

132. Vavra J., Sharma A. Single electron detection in quadruple-GEM detector with pad readout //Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A478. P. 235.

133. Bachmann S., Bressan A., Capeans M. et al. Discharge studies and prevention in the gas electron multiplier (GEM) //Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A479. P. 294.

134. Sauli F., Kappler S., Ropelewski L. Electron Collection and Ion Feedback in GEM-Based Detectors// IEEE Trans. Nucl. Sci. 2003. V. 50. P. 803.

135. Bachmann S., Bressan A., Kappler S. et al. Development and applications of the gas electron multiplier//Nucl. Instrum. and Methods. 2001. V. A471. P. 115.

136. Mormann D., Breskin A., Chechik R., Bloch D. Evaluation and reduction of ion back-flow in multi-GEM detectors //Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A516. P. 315.

137. Killenberg M., Lotze S., Mnich J. et al. Charge transfer and charge broadening of GEM structures in high magnetic fields //Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A530. P. 251.

138. Parnep Ю.П. Физика газового разряда / Москва: Наука, 1987.

139. Смирнов ЕМ. Возбужденные атомы / Москва: Энергоиздат, 1982.

140. Зайделъ А.Н., Шрейдер Е.Я. Вакуумная спектроскопия и ее применение / Москва: Наука, 1976.

141. Kruithof A. A., Penning F. М. Determination of the Townsend ionization coefficient for mixtures of neon and argon // Physica. 1937. V. 4. P. 430.

142. Chanin L.M., Rork G.D. Measurements of the first Townsend ionization coefficient in neon and hydrogen // Phys. Rev. 1963. V. 132. P. 2547.

143. Chanin L.M., Rork G.D. Experimental determinations of the first Townsend ionization coefficient in helium // Phys. Rev. 1964. V. 133. P. A1005.

144. Павлюченко Д.В. // Магистерская дипломная работа. Новосибирский государственный университет. 2004.

145. Peisert A., Sauli F. Drift and diffusion of electrons in gases: a compilation // Preprint CERN 84-08. 1984.

146. Лозаннский E.Д., Фирсов О.Б. Теория искры / Москва: Атомиздат, 1975.

147. Асиновский Е.И., Кириллин А.В., Раковец А.А. Криогенные разряды / Москва: Наука, 1988.

148. Смирнов Б.М. Ионы и возбужденные атомы в плазме / Москва: Атомиздат, 1974.

149. Park S. Я, Kim Y. К, Han S. Н. et al. Ion Feedback Effect in the Multi GEM Structure // J. of Korean Phys. Soc. 2003. V. 43. P. 332.

150. Sauli F., Ropelewski L., Everaerts P. Ion feedback suppression in Time Projection Chambers // Nucl. Instrum. and Methods. 2006. V. A560. P. 269.

151. Veloso J.F.C.A., Amaro FD., dos Santos J.M.F. et al. The Photon-Assisted Cascaded Electron Multiplier: a Concept for Potential Avalanche-Ion Blocking // Journal of Instrumentation. 2006. V. 1.P08003.

152. Laird A.M., Amaudruz P., Buchmann L. et al. Status of TACTIC: A detector for nuclear astrophysics //Nucl. Instrum. and Methods. 2007. V. A573. P. 306.

153. Bondar A., Buzulutskov A., de Oliveira R. et al. Light multi-GEM detector for highresolution tracking systems //Nucl. Instrum. and Methods. 2006. V. A556. P. 495.

154. Sauli F. Development and applications of gas electron multiplier detectors// Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V. A505. P. 195.

155. Simon F., Azmoun В., Becker U. et al. Development of tracking detectors with industrially produced GEM foils // Eprint arxiv:0707.2543. 2007.

156. Barbeau P.S., Collar J.I., Geissinger J.D. et al. A first mass production of gas electron multipliers //Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V. A515. P. 439.

157. Breskin A., Charpak G., Majewski S. et al. The multi-step avalanche chamber, a new concept in fast high rate particle detectors // Nucl. Instrum. and Methods. 1979. V. 161. P. 19.

158. Bressan A., Labbe J.C., Pagano P. et al. Beam test of the gas electron multiplier // Nucl. Instrum. and Methods. 1999. V. A425. P. 262.

159. Bagaturia Y., Baruth O., Dreis H.B. et al. Studies of aging and HV break down problems during development and operation of MSGC and GEM detectors for the inner tracking system of HERA-B // Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A490. P. 223.

160. Bondar A., Buzulutskov A., L. Shekhtman et al. Tracking properties of the two-stage GEM/Micro-groove detector //Nucl. Instrum. and Methods. 2000. V. A454. P. 315.

161. Ziegler M., Sievers P., Straumann U. A triple GEM detector with two-dimensional readout //Nucl. Instrum. and Methods. 2001. V. A471. P. 260.

162. Bochin В., Kashchuk A., Poliakov V., Vorobyov A.A. X-ray tests of double and triple-GEM detectors for the LHCb innerl tracker // LHCb internal note 98-068 TRAC. 30 Dec 1998.

163. Jones L.L. PreMuxl28 specification, version 2.3, RD20 internal document, 1995.

164. Bondar A., Buzulutskov A., L. Shekhtman et al. Performance of the triple-GEM detector with optimized 2D-readout in high intensity hadron beam // Preprint Budker INP 2001-60. 2001.

165. Bellazzini R., Angelini F., Baldini L. et al Gas pixel detectors for X-ray polarimetry applications //Nucl. Instrum. and Methods. 2006. V. A560. P. 425.

166. Colas P., Colijn A.P., Fornaini A. et al. The readout of a GEM or Micromegas-equipped TPC by means of the Medipix2 CMOS sensor as direct anode // Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A535. P. 506.

167. Gorodetzky P., Patzak Т., Seguinot J. et al. Identification of solar neutrinos by individual electron counting in HELLAZ // Nucl. Instrum. and Methods. 1999. V. A433. P. 554.

168. Orthen A., Wagner H., Besch H.J. et al. Gas gain and signal length measurements with a triple-GEM at different pressures of Ar-, Kr- and Xe-based gas mixtures // Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V. A512. P. 476.

169. Акимов Д. Ю. Экспериментальные методы детектирования корпускулярной Темной Материи // Приб. и техн. экспер. 2001. № 5. С. 6.

170. J. Dodd Electron Bubble Tracking Detector R&D // Talk at Vth SNOLAB Workshop, Aug 21-22, 2006. Интернет адрес http://snolab2006.snolab.ca/.

171. Chepel V., Solovov V., van der Marel J. et al. The liquid xenon detector for PET: recent results // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1999. V. 46. P. 1038.

172. Derenzo S.E., Mast T.S., Zaklad #., Muller R.A. // Phys. Rev. 1974. V. A9. P. 2582.

173. Policarpo A.J.P.L., Chepel V., Lopes M.I. et al. Observation of electron multiplication in liquid xenon with a Microstrip plate // Nucl. Instrum. and Methods. 1995. V. A365. P. 568.

174. Kim J.G., Dardin S.M., Kadel R.W. et al. Electron avalanches in liquid argon mixtures // Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V. A534. P. 376.

175. Долгошеин Б.А., Лебеденко В.К, Родионов Б.У. Новый метод регистрации следов ионизирующих частиц в конденсированном веществе // Письма в ЖЭТФ. 1970. Т. 11. С. 513.

176. Долгошеин Б.А., Круглое А.А., Лебеденко В.Н. и др. Электронный метод регистрации частиц в двухфазных системах жидкость-газ // Физ. элем. част, и атом. Ядра (ЭЧАЯ). 1973. Т. 4. Вып. 1.С. 167.

177. Гущин Е.М., Круглое А.А., Ободовский И.М. Процесс эмиссии горячих электронов из жидких и твердых аргона и ксенона // ЖЭТФ. 1982. Т. 82. С. 1485.

178. Болоздыня А.И. Эмиссионные трековые детекторы // Приб. и техн. экспер. 1985. № 2. С. 5.

179. J.T. White A gaseous Ne-based undeground physics detector // Talk at 7th UCLA Symposium on Dark Matter and Dark Energy in the Universe, Feb. 24, 2006.

180. Храпак А. Г., Якубов И. Т. Электроны в плотных газах и плазме // Наука. Москва. 1981.

181. Isozumi Y., Katano R., ho S., Kishimoto S. After-pulse from helium-filled proportional counter at low temperatures near 4.2 К // Nucl. Instrum. and Methods.1995. V. A355. P.443.

182. Masaoka S, Katano R., Kishimoto S., Isozumi Y. A model for the operation of helium-filled proportional counter at low temperatures near 4.2 К // Nucl. Instrum. and Methods. 2000. V. B171.P. 360.

183. Гребштик В.Г., Додохов B.X., Жуков B.A. и др. Исследование пропорционального счетчика высокого давления при низких температурах // Приб. и техн. экспер. 1978. № 5. С. 66.

184. A. Modinos Field, thermionic and secondary electron emission spectroscopy / Plenum. New York. 1984. Chapter 6.

185. Радциг A.A., Смирнов Б.М. Ионные транспортные коэффициенты в газе в электрическом поле / Химия плазмы. Москва: Энергоиздат, 1984. Т. 11. С. 170.

186. Sakai Y., Bottcher Я, Schmidt W.F. Excess electrons in liquid hydrogen, liquid neon and liquid helium//J. Electrostat. 1981. V. 12. P. 86.

187. Sakai Y„ Schmidt W.F., KhrapakA. G. Self-trapping of electrons in liquid nitrogen // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 1994. V. 1. P. 724.

188. Chanin L.M., Rork G.D. Primary ionization coefficient measurements in Penning mixtures // Phys. Rev. 1964. V. 135. P. A71.

189. Фастовский В.Г., Ровипский A.E. Петровский Ю.В. Инертные газы / Москва: Атом-издат, 1964.

190. Borghesani A.F. et al, Phys. Lett. A. 1990. V. 149. P. 481.

191. Lightfoot P. K„ Hollingworth R„ Spooner N.J.C., Tovey D. Development of a doublephase xenon cell using micromegas charge readout for applications in dark matter physics // Nucl. Instrum. and Methods. 2005. V. A554. P. 266.

192. Mijakowski P. The search of dark matter with ArDM detector // Acta Phys. Polonica B. 2006. V. 37. P. 2179.

193. Periale L., Peskov V., Iacobaeus C. et al. Photosensitive gaseous detectors for cryogenic temperature applications //Nucl. Instrum. and Methods. 2007. V. A573. P. 302.

194. Solovov V., Balau F., Neves F. et al. Operation of Gas Electron Multipliers in pure xenon at low temperatures //Nucl. Instrum. and Methods. 2007. V. A580. P.331.

195. Павлова E.H. Газоразрядные счетчики фотонов. Ленинград: Лен. Гос. Унив. 1966.

196. Seguinot J., Ypsilantis Т. Photo-ionization and Cherenkov ring imaging // Nucl. Instrum. and Methods. 1977. V. 142. P. 377.

197. Bogomolov G., Dubrovski Y., Peskov V. Multiwire gas counters for coordinate measurements in ultraviolet region // Instr. Exp. Tech. 1978. V. 21. P. 779.

198. Charpak G., Dominik W., Sauli F., Majewski S The gas photodiode as a possible large-area photon detector // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1983. V. NS-30, P. 134.

199. Гущин E.M., Сомов С.В., Тимофеев М.К. Исследование газоразрядных импульсных усилителей изображения // Приб. и техн. экспер. 1996. N. 4. С. 95.

200. Не J.H., Kunitake Т.А. Are ceramic nanofilms a soft matter? // Soft Matter 2006. V.2. P. 119.

201. Cozza D., De Cataldo G.,Dell'Olio D. et al. The CSI-based RICH detector array for the identification of high momentum particles in ALICE //Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V. A502. P. 101.

202. Zeitelhack K„ Elhardt A., Fhese J. et al. The HADES RICH detector: For the HADES collaboration //Nucl. Instrum. and Methods. 1999. V. A433. P. 201.

203. Biteman V., Guinji S., Peskov V. et al. Position sensitive gaseous photomultipliers // Nucl. Instrum. and Methods. 2001. V. A471. P. 205.

204. Vavra J., Sumiyoshi T. Ion feedback suppression using inclined MCP holes in a "single-MCP+micromegas+pads" detector //Nucl. Instrum. and Methods. 2005. V. A553. P. 76.

205. Breskin A. Advances in Gaseous Photomultipliers // Presented at Fourth Int. Conf. on New Developments in Photodetection. Beaune, France, June 19-24, 2005. Интернет адрес http://beaune.in2p3.fr/.

206. Sommer A. H. Photoemissive Materials / Huntington: Krieger, 1980.

207. Singh B.K., Shefer E., Breskin A. et al. CsBr and Csl UY photocathodes: new results on quantum effciency and aging //Nucl. Instrum. and Methods. 2000. V. A454. P. 364.

208. Laikhtman A., Avigal Y, Kalish R. et al. Surface quality and composition dependence of absolute quantum photoyield of CVD diamond films // Diamonds and related materials, 1999. V. 8. P. 725.

209. Fonte P., Francke Т., Pavlopoulos N. et al. Novel Single Photon Detectors for UV Imaging //Nucl. Instrum. and Methods. 2005. V. A553. P. 30.

210. Taft E.A., Philipp H.R. I I J. Phys. Chem. Solids 1957. Y. 3. P. 1.

211. Carruthers G.F. //Appl. Opt. 1975. V. 14. P. 1667.

212. DangendorfV., Breskin A., Chechik R., Schmidt-Bocking H. A gas filled UV-photon detector with Csl photocathode for the detection of Xe light // Nucl. Instrum. and Methods. 1990. V. A289. P. 322.

213. Seguinot J., Charpak G., Giomataris Y. et al. Reflective UV photocathodes with gasphase electron extraction: solid, liquid, and absorbed thin films // Nucl. Instrum. and Methods. 1990. V. A297. P. 133.

214. Lu C., McDonald K.T. Properties of reflective and semitransparent Csl photocathodes // Nucl. Instrum. and Methods. 1994. V. A343. P. 135.

215. Breskin A., Chechik R., Vartsky D. et al. A correction to the quantum efficiency of Csl and other photocathodes due to the recalibration of the reference photomultipliers // Nucl. Instrum. and Methods. 1994. V. A343. P. 159.

216. Anderson D.F., Kwan S., Peskov V., Hoeneisen B. // Nucl. Instrum. and Methods. 1992. V. A323. P. 626.

217. Hoedlmoser H., Braem A., De Cataldo G. et al. Production technique and quality evaluation of Csl photocathodes for the ALICE/HMIPD detector // Nucl. Instrum. and Methods. 2006. Y. A566.P.338.

218. Aprile E., Bolotnikov A., Chen D. et al. Electron extraction from a Csl photocathode into condensed Xe, Kr, and Ar //Nucl. Instrum. and Methods. 1994. V. A343. P. 129.

219. Tremsin A.S., Siegmund O.H.W. Heat enhancement of radiation resistivity of evaporated Csl. KI and KBr photocathodes //Nucl. Instrum. and Methods. 2000. V. A442. P. 337.

220. Charpak G., Lemenovski D., Peskov V., Scigocki II Nucl. Instrum. and Methods. 1991. A310. P.128.

221. Leob L.B. Basic processes of gaseous electronics / Berkeley: University of California Press, 1955. P. 601.

222. Escada J., Dias Т. H. V. Т., Rachinhas et al. A Monte Carlo study of backscattering effects in the photoelectron emission from Csl into CH4 and Ar-CH4 mixtures // J. of Instrumentation. 2007. V. 2. P. P08001.

223. Buzulutskov A.F., Turchanovich L.K., Vasilchenko V.G. Coupling of a KMgF3 scintillator to a wire chamber filled with triethylamine // Nucl. Instrum. and Methods. 1989. V. A281. P. 99.

224. Majewski S., Zorn К. Instrumentation in high energy physics / Ed. F. Sauli. Singapur: World Scientific, 1992. P. 157.

225. Charpak G., Gaudean I.,Giomataris Y. et al. II Nucl. Instrum. and Methods. 1993. V. АЗЗЗ. P.391.

226. Добрецов JI.H., Гомоюнова M.B. Эмиссионная электроника / Москва: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1966.

227. Shimizu R., Ze-Jun D. II Rep. Prog. Phys. 1992. V. 55. P. 487.

228. Fowler W.B. Physics of color centers / Ed.W.B. Fowler. New York: Academic, 1968.

229. Boutboul Т., Akkerman A., Gibrekhterman A. et al. An improved model for ultravioletand x-ray-induced electron emission from Csl // J. of Appl. Phys. 1999. V. 86. P. 5841.

230. Giunji S., Peskov V., Sakurai H. et al. Glass capillary tubes as a high granularity gaseous detector of photons and charged particles // Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. A477. P. 8.

231. Enomoto R., Sumiyoshi Т., Fujita Y. Test of various photocathodes // Nucl. Instrum. and Methods. 1994. V. A343. P. 117.

232. Peskov V., Borovik-Romanov A., Sokolova Т., Silin E. Gaseous detectors of ultraviolet and visible photons //Nucl. Instrum. and Methods. 1994. V. A353. P. 184.

233. Shefer E„ Breskin A., Boutboul T. et al. Photoelectron transport in Csl and CsBr coating films of alkali antimonide and Csl photocathodes // J. Appl. Phys. 2002. V. 92. P. 4758.

234. Boutboul Т., Akkerman A., Breskin A., Chechik R. Escape length of ultraviolet induced photoelectrons in alkali iodide and CsBr evaporated films: Measurements and modeling // J. of Appl. Phys. 1998. V. 84. P. 2890.

235. Evans B.E., Swanson L. W., BellA.E. II Surf. Sei. 1968. V. 11. P. 1.

236. Wassermann В., Mirbt S., Reif J. et al. II J. Chem. Phys. 1993. V. 98. P. 10049.

237. Yamazaki I.M., Geraldo L.P., Pater son R. Characterization of polycarbonate nuclear track-etched membranes by means of the gas permeation method // Nucl. Instrum. and Methods. 1998. V. A418. P. 491.

238. Richter C., Breskin A., Chechik R. et al. On the efficient electron transfer through GEM // Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V. 478. P. 538.

239. Sitar B., Merson G.I., Chechin V.A., Budagov Yu.A. Ionization Measurements // Berlin: Springer, 1993.