Propagacija električnih proboja u GEM detektoru

The stable operation of a gaseous detector is, besides its’ performance, one of the most important design features. It is well known that gaseous detectors are prone to the occurrence of electrical discharges. In this dissertation, the delayed discharge propagation (DP) to the readout board in the GEM (Gas electron multiplier) detector has been studied. Sometimes, after a primary discharge, within the GEM foil hole, a propagating discharge (PD) to the readout electrode, adjacent GEM foil or the drift electrode can occur. Primary discharges are usually not destructive, but a PD to the readout board can seriously compromise the stable operation of the detector and cause permanent damage. The delayed DP does not happen instantaneously after the initial primary discharge, but with a delay in the range of 1-100 μs. The physical mechanism behind the microsecond time delay was not fully understood. Measurements conducted on a newly developed experimental setup, for the first time, enabled simultaneous electrical and optical measurements of the delayed DP in GEM detectors, both with a still and a high-speed camera. A custom made single hole THGEM foil enabled a large number of measurements and allowed a simple induction of a primary discharge with an over-voltage. Measurements of the delayed DP were made for different gas mixtures and powering configurations. A current in the induction region at induction field values below the onset field for the delayed DP was observed at the standard induction field orientation after the primary discharge. The measurements showed that the charge transfer through the induction region significantly differs with an inverted induction field. The induction region current was an indication of a physical process inside the GEM detector that precedes the delayed DP. Three different current regimes in the induction region were identified in the time in between the primary and the delayed DP: initial current decay, constant current regime and pre-delayed current rise. Important information about the source of the induction current has been revealed with a high-speed camera, where the current regimes were correlated to the observed glow at the GEM bottom electrode. The physical mechanism that includes the heat generation and the thermionic emission was proposed as a possible explanation of the delayed DP occurrence.U uvodnom poglavlju (Introduction) opisani su detektori bazirani na mikrostrukturama i njihovo područje primjene. Kratko je opisana problematika pojave propagirajućih proboja i njihov utjecaj na stabilan rad detektora. Obrazložena je motivacija i hipoteza doktorskog rada. Struktura doktorske disertacije dana je na kraju uvodnog poglavlja. Poglavlje 2. (Introduction to the gaseous detectors) daje osnovne principe rada plinskih detektora. Opisana je interakcija nabijenih čestica i fotona s materijom te relevantni fizikalni mehanizmi. Poglavlje uključuje i modele difuzije i drifta elektrona i iona u plinskim detektorima s i bez električnog polja te koncept lavinske multiplikacije kao osnovnog mehanizma koji se koristi pri detekciji. Opisan je princip rada višežicanih proporcionalnih komora (MWPC – engl. Multi Wire Proportional Chamber) i prvog detektora baziranog na mikrostrukturama (MSGC - engl. Microstrip Gas Chamber). Poglavlje 3. (The Gas Electron Multiplier) sadrži opis geometrijskih parametara standardne GEM folije kao osnovne strukture GEM detektora. Opisan je princip rada jednostupanjskog GEM detektora. Obrazložen je utjecaj električnih polja na kolekciju, pojačanje i ekstrakciju elektrona iz multiplikacijske strukture. Poglavlje je zaključeno opisom geometrije izvedenice GEM folije tzv. THGEM (engl. THick Gaseous Electron Multiplier) folije čija se verzija s jednom rupom koristila u inicijalnim istraživanjima propagacije proboja u ovoj disertaciji. Poglavlje 4. (Electrical discharge propagation in GEM detector) daje pregled dosadašnjih istraživanja propagacije električnih proboja u GEM detektoru. Propagacija električnih proboja unutar GEM detektora moguća je iz rupe jedne GEM folije prema rupi druge GEM folije ili prema susjednoj elektrodi. Specifičnost proboja prema susjednoj elektrodi je vrijeme između primarnog proboja u GEM rupi i propagirajućeg proboja koje se mjeri u desecima mikrosekunda. Propagacija proboja iz GEM rupe kroz indukcijsko područje prema elektrodi za očitavanje podataka prepoznata je kao potencijalno najkritičnija za stabilan rad detektora. Dan je detaljan uvid u dosadašnja istraživanja i predložene mehanizme propagacije koji će se ispitati u eksperimentalnom dijelu doktorske disertacije. Poglavlje 5. (Experimental setup) sadrži opis eksperimentalnog postava korištenog za mjerenje propagacije električnog proboja prema elektrodi za očitavanje podataka s vremenskim odmakom. Dan je detaljan opis transparentne komore, elektrode za očitavanje podataka, posebno dizajnirane THGEM folije s jednom rupom i širokopojasne visokonaponske sonde korištenih prilikom mjerenja. Obrazložen je izbor mjerene opreme za električna i optička snimanja kao i shema napajanja korištena prilikom mjerenja s THGEM i GEM folijom. Poseban naglasak stavljen je na metodu mjerenja struje pomoću snimanja napona na kondenzatoru spojenom na elektrodu za očitavanje podataka. Poglavlje 6. (Simultaneous electrical and still camera measurements) sadrži električna i optička mjerenja DSLR kamerom propagirajućih proboja u jednostupanjskom TH(GEM) detektoru. Napravljena su mjerenja s normalnom i invertiranom orijentacijom električnog polja u indukcijskom području. Ispitan je utjecaj inverzije THGEM napona i inverzije driftnog polja na propagaciju proboja. Izračunata je struja u indukcijskom području nakon primarnog proboja za različite vrijednosti indukcijskog polja te je obrazložena metoda izračuna struje pomoću prilagodbe eksponencijalne funkcije višeg reda na mjerene podatke. Struja u indukcijskom području prepoznata je kao mogući indikator fizikalnog mehanizma odgovornog za propagaciju proboja. Ispitan je utjecaj dodavanja odvojenog otpornika na donju elektrodu TH(GEM) folije na propagaciju proboja. Korelirana električna i optička mjerenja pokazala su da se struja propagacije (intenzitet luka) smanjuje s dodavanjem odvojenog otpornika. Poglavlje 7. (High speed camera measurements) sadrži opticka mjerenja s poboljšanom vremenskom razlučivošću propagacije proboja u jednostupanjskom TH(GEM) detektoru. Vremenska razlučivost optičkih snimki razvoja propagirajućeg proboja prema elektrodi za očitavanje podataka postignuta je upotrebom ultra-brze kamere Photron SA-X2. Cilj je bio identificirati lokaciju izvora struje u indukcijskom području nakon primarnog proboja pomoću simultanih električnih i optičkih mjerenja. U vremenu između primarnog i propagirajućeg proboja opažen je tinjavi izboj u blizini položaja primarnog proboja na donjoj elektrodi TH(GEM) folije. Tinjavi izboj postaje vidljiv 10-15 μs poslije primarnog proboja te jaca u intenzitetu nakon čega rezultira propagirajućim probojem prema elektrodi za očitavanje podataka. Pojava tinjavog izboja u vremenu između primarnog i propagirajućeg proboja opažena je u mjerenjima bez i uz upotrebu odvojnog otpornika na donjoj elektrodi TH(GEM) folije. U poglavlju su prikazani i rezultati mjerenja propagacije proboja ultra-brzom kamerom uz invertirano indukcijsko polje. Poglavlje 8. (Interpretation of experimental results) odnosi se na interpretaciju rezultata simultanih optičkih i električnih mjerenja. Određen je intenzitet opaženog tinjajućeg proboja u vremenu između primarnog i propagirajućeg proboja. Korelacija valnog oblika struje i izmjerenog intenziteta pokazala je vrlo dobro poklapanje na temelju čaga je tinjavi izboj identificiran kao glavni izvor struje u indukcijskom području. Definirana su tri različita režima struje kroz indukcijsko područje u vremenu između primarnog i propagirajućeg proboja: inicijalni pad struje, režim konstantne struje i režim rasta struje prije propagacije. Za objašnjenje pojave propagirajućeg proboja s vremenskim odmakom predložen je fizikalni mehanizam koji uključuje toplinski pobjeg uzrokovan termionskom emisijom elektrona s donje elektrode GEM folije. Poglavlje 9. (Conclusion) je zaključno poglavlje u kojem je napravljen osvrt na disertaciju u cjelini. U poglavlju su izneseni zaključci do kojih se došlo na temelju provedenih mjerenja i analize. Također su iznesene preporuke za daljnja istraživanja u vidu simulacija proboja i izrade uređaja za zaštitu od propagacije proboja. U ovoj doktorskoj disertaciji provedeno je sustavno istraživanje pojave propagirajućih proboja s vremenskim odmakom u GEM detektoru. Fenomen propagirajućih proboja s vremenskim odmakom dobro je poznat, ali fizikalni mehanizam njihove pojave još uvijek nije u potpunosti shvaćen. Izrađen je posebno dizajniran eksperimentalni postav za mjerenje propagirajućih proboja. Pravilnim izborom komponenti eksperimentalnog postava i mjerene opreme, po prvi put, omogućeno je istodobno snimanje električnih i optičkih mjerenja propagirajućih proboja DSLR ili brzom kamerom. Upotreba robusnije THGEM folije s jednom rupom omogućila je mjerenja propagacije proboja cak i u zraku uz jednostavnije induciranje primarnog proboja na unaprijed poznatom položaju na foliji. Početna električna mjerenja sa standardnom konfiguracijom električnih polja detektora pokazala su da nakon primarnog proboja, cak i na relativno niskim vrijednostima indukcijskog polja, dolazi do nakupljanja negativnog naboja na elektrodi za očitavanje podataka, što ukazuje na prijenos naboja kroz indukcijsko područje. Derivacijom funkcije prilagodbe na snimljeni napon s elektrode za očitavanje podataka izračunata je struja kroz indukcijsko područje. Za funkciju prilagodbe korištena je eksponencijalna funkcija višeg reda čiji su parametri određeni optimizacijskom metodom. Dobivene informacije o struji pokazale su postojanje velike početne struje nakon primarnog proboja koja opada s vremenom. Opaženo je da se početna vrijednost struje eksponencijalno povećava s povećanjem vrijednosti indukcijskog polja. Početna struja nakon primarnog proboja, u slučaju kada nema propagacije, opada u nulu. Mjerenja događaja s propagirajućim probojima pokazala su drugačiji vremenski tijek struje. Opaženo je da, nakon početnog pada, struja ne pada na nulu već poprima određenu minimalnu vrijednost. Struja kroz indukcijsko područje stagnira na gotovo konstantnoj vrijednosti određeno vrijeme. Nakon intervala konstantne struje opaža se nagli rast koji rezultira propagirajućim probojem prema elektrodi za očitavanje podatka. Zahvaljujući tim zapažanjima, struja u indukcijskom području prepoznata je kao moguća nuspojava fizikalnog mehanizma odgovornog za formiranje propagirajućeg proboja s vremenskim odmakom. Kako bi se provjerilo da opaženi prijenos naboja kroz indukcijsko područje nije rezultat vanjskih komponenti kruga ili greške u mjerenju, napravljena su mjerenja s THGEM folijom sa zatvorenom rupom. Sukladno očekivanjima, u mjerenjima sa zatvorenom rupom, nije došlo do nakupljanja naboja na kondenzatoru spojenom na elektrodu za očitavanje, te stoga nije došlo do propagacije proboja. To bila potvrda da je opažena struja je posljedica fizikalnog mehanizam unutar volumena detektora, ili još preciznije unutar indukcijskog područja. Postojanje struja kroz indukcijsko područje bilo je pokazatelj nepoznatog fizikalnog procesa unutar GEM detektora. Nametnuto je pitanje da li su za opaženu struju odgovorni ioni ili elektroni. Dodatno pitanje bilo je lokacija izvora naboja kroz indukcijsko područje. Mjerenja s invertiranim indukcijskim poljem, invertiranim THGEM naponom i invertiranim driftnim poljem pokazala su da inverzija indukcijskog polja jedina značajno mijenja ponašanje struje u indukcijskom području u vremenskom intervalu između primarnog i propagirajućeg proboja. Nakupljanje negativnog naboja na elektrodi za očitavanje podataka opaženo je i u mjerenjima s invertiranim THGEM naponom i invertiranim driftnim poljem, slično kao u mjerenjima s normalnom orijentacijom indukcijskog polja. Mjerenja s invertiranim indukcijskim poljem pokazala su nakupljanje pozitivnog naboja na kondenzatoru spojenom na elektrodi za očitavanje podataka. Opaženo je da u mjerenjima s invertiranim poljem, nakupljeni naboj tijekom propagacije proboja 10 puta veći u odnosu na mjerenja s normalnom orijentacijom indukcijskog polja. To je bila indikacija drugačijeg mehanizama odgovornog za propagaciju proboja u slučaju invertiranog indukcijskog polja. Osim toga, informacija o tome da samo inverzija indukcijskog polja mijenja situaciju u slučaju transfera naboja navodi da lokacija izvora naboja odgovoran za propagaciju proboja mora biti u indukcijskom području. Prilikom mjerenja s odvojnim otpornikom spojenim na donju elektrodu GEM-a u odnosu na mjerenja bez odvojnog otpornika opažena je manja vrijednost nakupljenog negativnog naboja na kondenzatoru spojenom na elektrodu za očitavanje podataka. Zbog dodatnog pada napona odvojni otpornik smanjuje indukcijsko polje te struju u indukcijskom području. Smanjen intenzitet propagirajućeg proboja, opažen na snimkama DSLR kamere, u skladu je s provedenim električnim mjerenjima. Mjerenja DSLR kamerom bez i s odvojnim otpornikom (100 k ) pokazuju neobičnu formaciju u blizini GEM donje elektrode. Primijećen je maleni fragment tinjavog izboja u neposrednoj blizini primarnog proboja. Kako bi se mogao razlučiti primarni od propagirajućeg proboja bilo je potrebno provesti snimanja ultra brzom kamerom. Jedan od najvažnijih rezultata ove doktorske disertacije su snimke propagirajućih proboja s vremenskim odmakom napravljene pomoću ultra brze kamere. Sinkronizirano optičko snimanje ultra brzom kamerom s mjerenjima napona s elektroda detektora pokazalo se kao bitan alat za razumijevanje fizikalnog mehanizma propagirajućih proboja s vremenskim odmakom. Mjerenja s ultra brzom kamerom napravljena su na THGEM foliji s jednom rupom i na LP GEM foliji. Omogućeno je snimanje vremenske evolucije propagirajućeg proboja s vremenskim odmakom tako da je bilo moguće razlikovati primarni od propagirajućeg proboja. Najvažnije opažanje uočeno je u vremenu između primarnog i propagirajućeg proboja u obliku svijetle narančaste točke u blizini položaja primarnog proboja na donjoj elektrodi GEM folije. Svaki opaženi propagirajući proboj potječe iz opažene svijetle točke. Formacija svijetle točke u vremenu između primarnog i propagirajućeg proboja primijećena je u mjerenjima s THGEM i GEM folijom te prilikom mjerenja s odvojnim otpornikom. Napravljena je korelacija električnih i optičkih mjerenja na osnovu usporedbe izmjerene struje u indukcijskom području i intenziteta svijetle točke opažene u blizini položaja primarnog proboja te je uočeno izvanredno slaganje valnog oblika. To je bila potvrda da opažena struja u indukcijskom području potječe od opažene svijetle točke (tinjavog izboja) na donjoj elektrodi GEM folije. U svrhu razlikovanja vremenskih intervala struje kroz indukcijsko područje koja se javlja prije propagirajućeg proboja, definirana su tri različita režima struje: inicijalni pad struje, režim konstantne struje i režim porasta struje prije propagacije. Svi strujni režimi korelirani su s optičkim snimanjem. Inicijalni pad struje objašnjen je bombardiranjem donje elektrode GEM folije ionima koji su zaostali u indukcijskom području nakon primarnog proboja. Tijekom primarnog proboja plin u blizini GEM rupe zagrijan je na visoku temperaturu te može zagrijati donju elektrodu GEM folije do temperatura taljenja materijala elektrode. Visoka temperatura u kombinaciji s primijenjenim indukcijskim poljem može dovesti do termionske emisije elektrona što se opaža kao tinjavi izboj u optičkim mjerenjima. Snimke elektronskim mikroskopom na GEM foliji s jednom rupom pokazuju topljenje materijala elektrode kao posljedicu primarnog proboja. Rastopljeni materijal je skladu s inicijalnom pretpostavkom o zagrijanoj donjoj elektrodi GEM folije. Toplinski efekti također objašnjavaju mikrosekundnu dinamiku fenomena propagirajućeg proboja s vremenskim odmakom. Optička mjerenja pokazuju porast intenziteta svijetle točke prije pojave propagirajućeg proboja koji je popraćen s naglim porastom struje. Porasti intenziteta i struje mogu se objasniti toplinskom nestabilnošću tinjavog izboja. Pri većim vrijednostima indukcijskog polja, vrijednost konstantne struje i intenzitet tinjavog izboja su viši. Ako odvod topline nije dovoljno učinkovit, temperatura raste te zbog pozitivne povratne veze dolazi do toplinskog pobjega koji aktivira pojavu propagirajućeg proboja u indukcijskom području. Jedno od područja budućeg istraživanja usmjereno je na simulacije propagirajućeg proboja s vremenskim odmakom i na uvjete u plinu koji mu prethode. Simulacije bi trebale uključiti kemijske procese u plazmi na atmosferskom tlaku kao i toplinski model plina i GEM folije. Simulacije ovog tipa vrlo su kompleksne te zahtijevaju dubinsko poznavanje problematike i iskustvo u više područja fizike. Drugi dio budućih istraživanja odnositi se na razvoj tehnika za izbjegavanje pojave propagirajućih proboja s vremenskim odmakom, bile one aktivne ili pasivne. Budući da je vrijeme između primarnog i propagirajućeg proboja u μs vremenskom rasponu, zaštitni uređaj imao bi dovoljno vremena za detekciju mogućih događaja i pravovremenu akciju u smislu modifikacije indukcijskog polje kao bi se zaštitila osjetljiva elektronika za očitavanje podataka