用于雪崩粒子检测器的检测器读取接口

摘要

一种用于雪崩粒子检测器的检测器读取接口，其包括电阻层和介电层，其中电阻层形成在气室的底侧，介电层形成在所述电阻层的下方并适于电容耦接至外部读取板。该检测器读取接口提供了模块化检测器配置，其中读取卡和检测器核心可自由地结合并且可互换。甚至在不断开检测器的情况下，就可移除或更换读取板。同时，该配置提供了抵御火花和放电的有效保护，并且尤其消除了对附加的保护电路的需求。可在诸如MicroMegas或GEM检测器的任何雪崩粒子检测器中应用该配置。

说明书

技术领域

本发明涉及用于雪崩粒子检测器的、位于检测器容器与读取结构 之间的接口，具体地，涉及用于诸如MicroMegas检测器的微型图像 气体检测器（MPGD）的接口。

背景技术

粒子检测器是用于检测、追踪和/或识别辐射或粒子的装置，并在 整个粒子物理学、生物学以及医学技术上有广泛的应用。

自从一个多世纪前卢瑟福采用充气式绕线计数器研究天然放射性 以来，在气体中电离和电荷倍增的过程中粒子检测器的开发不断被改 进。具有更大物理尺寸和/或对放电和/或增强的空间分辨率适应性更强 的检测器的设计技术成为当今检测器界一直以来活跃的研究领域。

气体检测器一般收集电离辐射释放的电子并且用强电场引导它 们，借此引发电子雪崩。雪崩能够产生足够的电子以生成足以被读取 装置收集并由读取电子设备分析的电流或电荷。所收集的电子电荷可 以指示电荷、能量、动量、行进方向和入射粒子或辐射的其它属性。

通常，引发和支持电子雪崩所必需的大的放大场来自位于正高压 电势中的细线。通常，用同样的细线收集来自雪崩的电子并且将其导 向读取电子设备。最近，由于使用了半导体制造技术，所谓的微图案 气体检测仪(MPGD)如微网状气态结构室(MicroMegas)和气体电子倍 增器(GEM)能够大量生产各种几何形状的检测装置，同时允许小的雪 崩间隙和由此带来的快速信号发展与快速读取和高可靠性的结合。

在MPGD中，在放大过程中产生的电子通常收集在金属读取片或 金属读取条上，这些金属读取片或金属读取条以预先设计的图案排列 在半导体衬底上并且通过导线连接的方式与快速读取电子设备电连 接。对于MicroMegas检测器的示例，在美国专利6,133,575中对该结 构进行了描述，而在美国专利6,011,265中对GEM检测器进行了描述。

充气正比室通常遇到的严重问题是由重电离粒子引起的火花，这 可以触发大量电子。电子由雪崩过程放大，并可以达到10⁷个电子的 Raether限制，还可能发展成为放电。这对于具有高发光度的现代加 速器而言是一种特殊的挑战，其可通过缓慢移动的反作用产生高计数 速率，该反作用来自弹性散射和/或由核裂解产生的低能液体循环碎 片。

火花会导致暂时性的高压断裂并因此会引起不利的检测器死时 间，在死时间中检测器需要恢复并且不能检测新的事件。火花还会损 坏读取片和/或读取电子设备。大多数检测器使用额外的保护电路从而 减少检测器死时间和避免损坏，该保护电路将读取片或读取条与前端 电子设备连接。保护电路增加了装置的复杂性并且需要额外的连线， 而这些与形成更多更小读取片的期望相冲突。

对抗放电的有效保护在现代网格像素(“GridPix”)检测器中尤其 重要，其中集成至检测器结构上的半导体读取板或像素芯片代替了读 取片和读取板。网格像素检测器的读取片可以作为检测器装置的阳极， 并且可包括大量的方形像素，其中每个像素与其各自的预放大器、鉴 频器和数字计数器相连。在P.Colas et al.,Nucl.Instr.and Meth.A535 (2004),p.506中进一步详细描述了网格像素检测器的实例，其中 MicroMegas检测器直接放置在像素芯片上。

与常规MPGD相比，网格像素检测器的优势在于其集成了大部分 读取板，因此可以形成更小更紧凑的检测器装置并增强空间检测分辨 率。但是，该结构对放电尤其敏感。甚至不像常规MPGD那样，局部 放电仅影响单个读取通道。放电可能导致局部熔化或装置材料的蒸发 或电子设备电路击穿，这将影响整个芯片。由于芯片集成在检测器结 构上，因此经常需要替换整个结构。

如I.Bilevych et al.,Nucl.Instrum.Meth.A629(2011)66-73中所描 述的那样，将从5μm至25μm的无定形硅高电阻层沉积在芯片上从而 保护网格像素检测器不受放电影响。当放电通过空气传播时，在硅表 面积聚电荷，因此局部降低了电场并且从时间和空间上扩散了电荷。 然而，在遇到高能量和高湿度的苛刻背景环境下，仅用该高电阻层可 能不足以保护芯片不受放电影响。

所需要的是使检测器装置能够为读取板提供有效保护使其不受放 电影响，并且同时使得即使发生放电也可以简单低成本地维修。

发明内容

本发明的目的通过根据权利要求1所述的检测器读取接口来实现。 从属权利要求涉及优选的实施方式。

根据本发明的用于雪崩粒子检测器的检测器读取接口包括所述雪崩 粒子检测器的气室的至少一部分、在所述气室的底侧形成的电阻层和在 所述电阻层下方形成的介电层。所述检测器读取接口适于与读取板电容 耦合，其中所述读取板包括用于所述雪崩粒子检测器的读取电子设备。

根据本发明的检测器读取接口是位于检测器核心与读取结构之间的 接口，在检测器核心中通过入射电离辐射形成的电子被放大以在气室中 形成电子雪崩，在所述读取结构中，通过读取电子设备分析所收集的电 荷。面对现有技术中网格像素检测器中这些功能的集成化趋势，本发明 通过提供模块化检测器构造，实现了针对放电影响的更好的保护，在模 块化检测器中所述检测器核心与所述读取平面是分开的。可以通过提供 具有电阻层和介电层的检测器读取接口获得上述效果，其中所述介电层 位于所述电阻层下方，这使得所述介电层电容耦合至包括所有读取电子 设备的读取板。

使用电容耦合的检测器读取接口为读取电子设备提供了全面火花保 护，并且完全消除了通过额外保护电路或在芯片表面直接形成高电阻层 的方式为读取芯片提供保护的需要。

同时，根据本发明的检测器读取接口允许模块化检测器的设计，其 中读取板可以被移除或替换而不影响检测器核心，甚至不用关闭检测器。 一方面，这允许方便低成本地替换故障或损坏的读取芯片并且不需要替 换整个检测器结构。在另一方面，根据本发明的模块化检测器构造的优 势在于它使得可以用多种不同设计制造检测器元件和读取板，并且适用 于不同应用以及将这些组件自由地结合。因此用户可以选择适用于具体 应用的放射能和放射类型的检测器结构，并且随后可以独立选择适合需 要的读取卡。

本发明还允许在小的空间内容纳读取电子设备而不产生死体积，因 此减小了检测器的尺寸并增强了空间分辨率。

在优选的实施方式中，检测器读取接口适合于仅与所述读取板电容 耦合。

优选地，所述检测器读取接口或检测器核心不包括用于雪崩粒子检 测器的读取电子设备，并且不包括用于与读取板耦合的导电连接。

在优选的实施方式中，所述电阻层为连续层，并且优选地横跨所述 气室的下表面区域的至少一半延伸，特别地横跨所述气室的整个下表 面区域延伸。这允许提供具体有效的放电保护。

在优选的实施方式中，所述电阻层限定出所述气室的底侧。

优选地，所述电阻层和/或所述介电层密封所述气室。

所述介电层还可以作为所述检测器容器的壁。

因此，所述电阻层和/或所述介电层不仅用于提供放电有效保护或所 述检测器容器的壁，而且可以将所述雪崩粒子检测器的气室密封使其不 接触环境，并且尤其不接触所述读取板。在许多工业应用中都需要所密 封的检测器，诸如工业荧光、放射或UV光检测。

在优选的实施方式中，所述气室包括放大间隙，放大间隙可以通过 位于所述放大间隙底侧的电阻层来限定，其中所述介电层的厚度t₂和所 述放大间隙的厚度t₁被选择成满足其中ε₁表示所述放大间隙 填充气体的介电常数，并且ε₂表示所述介电层的介电常数。

或者，所述气室可以包括收集间隙，收集间隙可以通过位于所述收 集间隙底侧的电阻层来限定，诸如GEM检测器的收集间隙，其中所述介 电层的厚度t₂和所述收集间隙的厚度t₁被选择成满足其中ε₁表示所述收集间隙填充气体的介电常数，并且ε₂表示所述介电层的介电 常数。

这个关系确保了所述检测器读取接口与所述读取板之间的有效电容 耦合，其中可以将所述检测器读取接口放置在所述读取板上，并且这样 的关系尤其确保了由放大间隙/收集间隙中的本地化事件的触发所引起的 感应信号在所述读取板上保持足够本地化。如果所述介电层厚度t₂与比 例相比过大，信号可能主要横向扩散出所述介电层。所述读取板中 通过电容耦合的方式引入的信号随后将变弱，或者很难被本地化，降低 了检测器性能和分辨率。

本发明人发现如果$t_2\le 0.2\times t_1\times \frac{{ϵ}_2}{{ϵ}_1}$并且$t_2\le 0.1\times t_1\times \frac{{ϵ}_2}{{ϵ}_1},$那么可以获得 好的结果。

所述介电层还可以作为所述检测器容器的壁，并且在这种情况下应 当使其保持基本厚度。优选地，t₂≥10μm，更优选为t₂≥50μm。当 75μm≤t₂≤125μm时可以获得非常好的结果。

甚至如果t₂相对较大，通过选择所述介电层的介电材料可以满足如 上关系，诸如ε₂足够高。优选地，所述介电层的介电常数ε₂≥10，更优 选为ε₂≥100。

在优选的实施方式中，所述介电层包括陶瓷和/或有机复合物(例如玻 璃环氧树脂复合物)。

所述电阻层的性质对所述检测器读取接口和所述读取板之间的电容 耦合同样具有重要的影响。通常，沿垂直于所述电阻层上表面的Z方向 的电荷传播的电阻可以与沿平行于所述电阻层上表面的方向的电荷传播 的电阻不同。平行于所述上表面方向的电荷传播的电阻确定信号如何在 检测器读取接口横向方向上传播，并且因此确定信号事件触发和影响了 所述读取板的多少个像素单元。垂直于所述电阻层上表面的方向上的电 阻确定所述信号在垂直方向上的传播。通过适合的调整Z方向上和在垂 直于Z方向上的电阻值，同时通过调整其比例，可以精确控制所述检测 器装置与所述读取板的耦合水平和所述检测器装置的空间分辨率。

在优选的实施方式中，所述电阻层的表面电阻率为每平方米至少500 kΩ。在表面电阻率为每平方米至少1MΩ时，可以获得尤其好的结果。

在优选的实施方式中，所述电阻层的表面电阻率为每平方米至多100 GΩ，优选每平方米至多100MΩ。

特别地，所述表面电阻率可以为在平行于所述电阻层上表面的方向 上的电荷传播的表面电阻率。

电阻层可以用作雪崩粒子检测器的阳极。

根据优选的实施方式，所述电阻层的厚度为3μm至50μm，优选为 5μm至30μm。

找到具有合适电阻率和好的表面质量的电阻层，对于气体检测器通 常是个挑战。本发明人发现用包括氧化钌和/或聚合物电阻的电阻层可以 获得好的结果。

本发明对于不同类型和功能的雪崩粒子检测器，包括MicroMegas检 测器和GEM检测器都是有效的。

在优选的实施方式中，所述检测器读取接口还包括放置在所述气室 中的第一平面电极和第二平面电极，其中所述第一电极和所述第二电极 界定用于入射粒子生成电子的转换间隙，所述第二电极是被孔穿孔，并 且所述第二电极和所述电阻层界定用于雪崩过程中电子倍增的放大间 隙。

或者，所述检测器读取接口可以包括位于所述气室中的第一平面电 极和第二平面电极，其中所述第一电极既与所述第二电极隔开并与所述 电阻层隔开，所述第一电极包括绝缘体和多个孔，所述绝缘体在其相 对的表面侧上具有第一金属涂覆层和第二金属涂覆层，所述多个孔延 伸经过所述第一电极。所述检测器读取接口还可以包括与所述涂层耦合 并且将所述第一涂层升至第一电势的极化装置，并且该极化装置将所属 第二涂层升至高于所述第一电势的第二电势。通过将适合的电势施加于 第一涂层和第二涂层，在所述第一电极上形成的通孔可以用作雪崩粒子 检测器的放大间隙。收集间隙可限定在所述电阻层和所述第一电极之间。

同样，本发明还涉及雪崩粒子检测器，该检测器包括具有如上描述 的一些或全部特征的检测器读取接口和包括用于所述雪崩粒子检测器的 读取电子设备的读取板，其中所述检测器读取接口与所述读取板电容耦 合。

优选地，所述读取板可以包括像素芯片或集成芯片。

在优选的实施方式中，所述检测器读取接口放置在所述读取板之上 或者与所述读取板连接。

优选地，所述检测器读取接口未固定至所述读取板，但是与所述读 取板可逆地连接。

该特征允许模块化检测器构造，其中根据应用的类型，可以单独选 择或制造适合的检测器读取接口和适合的读取板，并且随后可以将其与 具有所期望性质的检测器可逆地连接。同时与所述检测器读取接口可逆 地连接的读取板可以被简单地移除以便于维护或替换。与常规集成网格 像素检测器相比，这是显著的优势，因为由于放电使得读取片或读取电 子设备损毁时，常规集成网格像素检测器需要替换整个检测器结构。

在优选的实施方式中，所述检测器读取接口或检测器核心不包括用 于将所述检测器读取接口耦接到所述读取板的导电连接。

优选地，雪崩粒子检测器还包括适用于将所述读取板和/或所述电阻 层升至预设电势的极化装置。

附图说明

通过附图的详细描述将更加领会根据本发明的检测器读取接口和 雪崩粒子检测器的特征和若干优势，在附图中：

图1是根据本发明的用于雪崩粒子检测器的检测器读取接口从读 取板分离时的截面侧视图；以及

图2是与读取板连接以形成雪崩粒子检测器的同一检测器读取接 口的相应的截面侧视图。

现将针对MicroMegas检测器的具体示例，参照图1和图2对根 据本发明的检测器读取接口进行描述。MicroMegas检测器的概括设计 及功能对本领域技术人员是公知的，并且在专利申请EP 0 855 086、 EP 0 872 874和WO 00/30150中进一步详细描述，本发明参考上述专 利申请作出。

MicroMegas检测器具有气室，该气室包括平面（漂移）电极、用 作转换和漂移区C的几毫米厚度的气隙、以及薄金属网电极10，其中， 薄金属网电极10具有通孔12，通孔12将转换区C与放大间隙A隔开。 在图1和图2中仅示出了转换间隙C的下部部分、放大间隙A以及支 承在柱14上的金属网10。为了便于展示，在图1和图2中没有示出 漂移电极、转换区域C的上部部分以及检测器容器。这些细节对于根 据本发明的检测器读取接口的功能是无关紧要的，因此省略对它们的 描述。

网10、通孔12、柱14和放大间隙A可通过任何传统的制造技术 形成。具体地，可采用在欧洲专利申请EP 2 317 538 Al中描述的半导 体印刷术。

根据本发明的检测器读取接口在其底侧限定放大间隙A，并兼作 检测器容器的底壁。该检测器读取接口包括电阻层16，该电阻层16 横跨放大间隙A的整个下表面区域连续地延伸。支承网电极10的柱 14形成在电阻层16上。检测器读取接口还包括介电层18，电阻层16 形成在该介电层18上。电阻层16和介电层18结合以用于将检测器装 置电容地耦接到下方的读取板20，这将在下面进一步描述。

电阻层16由氧化钌（RuO₂）形成为大致10μm厚度，并可通过标 准的丝网印刷术制备。可类似地采用聚合物电阻替代氧化钌来形成电 阻层16。

电阻层16的表面电阻或薄层电阻R_s可选择为每平方100ΜΩ，但 是可在每平方1ΜΩ到每平方几百ΜΩ的一般范围内，对于玻璃甚至 可大于每平方1GΩ。

具有高度为h、长度为l以及宽度为w的均匀材料的矩形块的表 面电阻或薄层电阻R_s通常由表示，其中，ρ为材料的比电阻。然后， 对于沿衬底的长度l的电荷传输的总电阻R依照表面电阻R_s表示为 对于具有二次曲面的电阻层16，l=w，对于在平行 于电阻层16的上表面的方向上的电荷传输的电阻R等于薄层电阻R_s， 即，R=R_s。为了更好地将表面电阻率与总电阻分开，表面电阻通常以 “每平方欧姆”的单位测量。

电阻层16可以是不同质的，使得对于沿垂直于电阻层16的上表 面的方向Z的电荷传输的电阻与对于沿平行于电阻层16的上表面平 行的方向的电荷传输的电阻不同。通过调整对于沿方向Z的电荷传输 的电阻和电阻层16的表面电阻，可确定感应电荷被允许沿电阻层16 的横向方向蔓延的水平。

其上形成有电阻层16的介电层18是厚度为t₂=300μm的陶瓷绝 缘体。介电层18兼作为用于检测器容器的壁，并因此必须保持具有合 理的厚度以提供所需的坚固性。发明人发现具有良好表面质量的陶瓷 绝缘体18和提供所需稳健性的电阻氧化钌层16可得到尤其有用的组 合。对于厚度为t₂≤2mm的介电层已经获得较好结果，但本发明同样 可用于具有较大厚度的介电层。

用于电阻层16的氧化钌和用于介电层18的陶瓷的组合还提供了 良好的除气性能。这使得检测器能够达到并保持较好真空，并能够密 封检测器容器以抵御环境侵蚀，尤其是抵御读取板20。良好密封对于 许多商业应用是重要的，诸如工业荧光、放射学和UV光电检测。

介电层18用于将检测器读取接口电容耦接到下方的读取板20。 发明人发现如果在以下条件可实现较好定位和较高空间分辨率，即，

t₂<<t₁ε₂/ε₁    （1）

其中，t₁和t₂分别表示放大间隙A和介电层18的厚度，ε₁和ε₂分别表 示放大间隙A中的气体的介电常数和介电层18的介电常数。优选地， t₂≤0.1×t₁×ε₂/ε₁，尤其为t₂≤0.01×t₁×ε₂/ε₁。

在参照图1和图2描述的实施方式中，t₂=300μm、t₁=124μm、 ε₁=10。如果介电层18的陶瓷被选择使得ε₂大于50，则满足式（1）， 并可获得有效的电容耦合以及良好的空间分辨率。

通常，陶瓷可提供较大介电常数，该介电常数可为几百到几千的 值。这使得当需要时，在不违背式（1）的情况下选择厚的绝缘体层 18成为可能。这可允许形成较厚并因而较稳健的检测器壁。

如果介电层18的厚度t₂较大，则感应信号会在横向方向上传播较 远。这可允许在下方的读取板20中使用较大的像素芯片，从而可减少 对读取板20的要求并可显著减少制造成本。

初看起来，在横向方向上的感应信号的较大传播会恶劣地降低空 间分辨率并因而降低检测器性能。然而，该效果可通过垫共享、或通 过由相邻读取垫上感应到的电荷比率估计事件的位置而发生逆转。然 后出人意料地，通过电荷传播的方式在较大区域上的电荷传播仍可提 供具有较高空间分辨率的检测器。这与传统的MicroMegas检测器是 不同的，传统的MicroMegas检测器通常需要小且窄的高密度阳极读 取垫以便获得好的空间分辨率。

读取板20可以是印刷电路板或像素芯片，诸如M.Campbell等在 Nucl.Instrum.Meth.A540（2005）295-304中所描述的“MEDIPIX” 芯片，或者类似的集成芯片。图1示出了在从读取板20分离时的检测 器读取接口，图2示出了相同的配置，但是其中读取板20机械地耦接 到介电层18的下表面。

读取板20可设置为每个55μm×55μm的具有256×256个像素的 方形，其中每个方形像素可连接到其各自的前置放大器、鉴频器和用 于数据分析的数字计数器。因此，所有读取电子设备被并入读取板20 中，而读取电子设备不需要并入检测器读取接口中或并入检测器核心 自身。在电阻层16上收集到的电荷与读取板20上的读取像素之间的 信号传输唯一地通过经由介电层18耦接的电容电荷而进行。不需要用 于在检测器读取接口与读取板20之间的耦接的导电连接。

这允许模块化检测器配置，其中读取板20可以可逆地耦接到介电 层18的下侧以形成图2所示的检测器配置，但是可容易地断开连接以 用于维护，如图1所示。当连接时，网10中的通孔12优选恰好位于 读取板20的读取像素的上方，以便避免干涉图案。

通过与介电层18结合，电阻层16提供对读取板20的完整火花保 护。因此不需要形成在读取板20上的附加的高电阻层，也不需要附加 的保护电路。这能够减少检测器装置的尺寸和复杂性，并避免检测器 死体积（dead space）。

在操作中，电阻层16可连接到地面以用作MicroMegas检测器的 阳极。偏振装置（未示出）电耦接到漂移电极（未示出）和网电极10 以将漂移电极升高到第一电势，将网电极升高到比第一电势高的第二 电势。电势被选择使得在网10与电阻层16之间的放大间隙A中产生 的电场非常强，例如为在漂移电极与网电极10之间的转换间隙C中 产生的电场的10倍。在转换间隙C中产生的电场通常的量为1kV/cm， 而在放大间隙A中产生的电场可选择为50kV/cm。

当电离粒子经过MicroMegas检测器时，其将位于转换间隙C中 的气体电离并在该间隙中通常产生约十个原电子。原电子行进经过形 成在网电极10中的孔12并进入放大间隙A中。通过在放大间隙A中 产生的电场与在转换间隙C中产生的电场之间的高比例来促进经过网 10的行进。在经过网10后，原电子被存在于放大间隙A中的强电场 加速，并且当与放大间隙A的内部存在的气体分子冲突时，原电子均 产生次级电子。然后每个次级电子自身可通过冲击电离进一步产生电 子，使得电子雪崩在放大间隙A中产生并朝向电阻层16行进。

通过经由介电层18的电容耦接，在阳极层16上收集到的电子在 下方的读取板20的像素中诱导相应的电荷。这些电荷可通过以规律间 隔读取像素来进行检测。对在相邻像素上所感应的电荷的量及比率进 行分析允许推断与具有高分辨率的原电子关联的雪崩的位置，由此可 重构入射粒子的路径。

发明人已测试了根据本发明的检测器读取接口的5cm×5cm的小 原型，并发现大于10⁵的气体增益，以及具有18%的半高全宽的6keV 光子的能量分辨率。从包括MEDIPIX芯片的读取板20观察到通过电 容耦接所感应的信号，并且将该信号与在阴极所感应的信号进行比较。 正如期望地，信号全部传播到感应面，损失忽略不计。同时，高度地 抑制了放电。

以上描述的实施方式和附图仅用于示出根据本发明的检测器读取 接口和粒子检测器以及与此关联的有益效果，而不应理解为暗含任何 限制。专利的范围仅由所附权利要求来限定。

参考标号

10 网（电极）

12 网电极10中的通孔

14 柱

16 电阻层

18 介电层

20 读取板