Multiplicador de electrones de gas

Un multiplicador de electrones de gas (GEM) es un tipo de detector de ionización gaseosa utilizado en física nuclear y de partículas y en detección de radiación.

Todos los detectores de ionización gaseosa son capaces de recoger los electrones liberados por la radiación ionizante , guiándolos a una región con un gran campo eléctrico y, de ese modo, iniciando una avalancha de electrones . La avalancha es capaz de producir suficientes electrones para crear una corriente o carga lo suficientemente grande como para ser detectada por la electrónica. En la mayoría de los detectores de ionización, el gran campo proviene de un cable delgado con un potencial positivo de alto voltaje; este mismo cable delgado recoge los electrones de la avalancha y los guía hacia la electrónica de lectura. Los GEM crean el gran campo eléctrico en pequeños agujeros en una lámina delgada de polímero; la avalancha se produce dentro de estos agujeros. Los electrones resultantes son expulsados ​​de la lámina y se debe utilizar un sistema separado para recoger los electrones y guiarlos hacia la lectura.

Los GEM son una clase de detectores gaseosos de micropatrones ; esta clase incluye micromegas y otras tecnologías.

Los GEM fueron inventados en 1997 en el Grupo de Desarrollo de Detectores de Gas ^[1] del CERN por el físico Fabio Sauli. ^[2]

Los GEM típicos están construidos con una lámina de Kapton de 50 a 70 micrómetros de espesor revestida de cobre por ambos lados. Un proceso de fotolitografía y grabado ácido hace agujeros de 30 a 50 micrómetros de diámetro a través de ambas capas de cobre; un segundo proceso de grabado extiende estos agujeros a todo el kapton. Los pequeños agujeros pueden hacerse muy regulares y dimensionalmente estables. Para su funcionamiento, se aplica un voltaje de 150 a 400 V a través de las dos capas de cobre, lo que crea grandes campos eléctricos en los agujeros. En estas condiciones, en presencia de gases apropiados, un solo electrón que entra en cualquier agujero creará una avalancha que contiene 100 a 1000 electrones; esta es la "ganancia" del GEM. Dado que los electrones salen por la parte posterior del GEM, un segundo GEM colocado después del primero proporcionará una etapa adicional de amplificación. Muchos experimentos utilizan pilas de GEM dobles o triples para lograr ganancias de un millón o más.

El funcionamiento de las cámaras de alambre normalmente implicaba un solo ajuste de voltaje: el voltaje en el alambre proporcionaba tanto el campo de deriva como el campo de amplificación. Un detector basado en GEM requiere varios ajustes de voltaje independientes: un voltaje de deriva para guiar a los electrones desde el punto de ionización hasta el GEM, un voltaje de amplificación y un voltaje de extracción/transferencia para guiar a los electrones desde la salida del GEM hasta el plano de lectura. Un detector con una gran región de deriva puede funcionar como una cámara de proyección de tiempo ; un detector con una región de deriva más pequeña funciona como un simple contador proporcional .

Una cámara GEM puede leerse mediante simples tiras conductoras colocadas sobre una superficie plana; la superficie de lectura, al igual que la propia GEM, puede fabricarse con técnicas de litografía comunes sobre materiales de placas de circuitos comunes. Dado que las tiras de lectura no intervienen en el proceso de amplificación, pueden fabricarse en cualquier forma; son posibles tiras y rejillas 2D , almohadillas hexagonales, segmentos radiales/azimutales y otras geometrías de lectura.

Los GEM se han utilizado en muchos tipos de experimentos de física de partículas. Uno de los primeros usuarios notables fue el experimento COMPASS en el CERN. Se han propuesto detectores de gas basados ​​en GEM para componentes del Colisionador Lineal Internacional , el experimento STAR y el experimento PHENIX en el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas , y otros. Las ventajas de los GEM, en comparación con las cámaras proporcionales de múltiples cables , incluyen: facilidad de fabricación, ya que los GEM de área grande en principio se pueden producir en masa, mientras que las cámaras de cable requieren un ensamblaje intensivo en mano de obra y propenso a errores; geometría flexible, tanto para el GEM como para los paneles de lectura; y supresión de iones positivos, que era una fuente de distorsiones de campo en las cámaras de proyección de tiempo operadas a altas velocidades. Una serie de dificultades de fabricación plagaron los primeros GEM, incluida la falta de uniformidad y los cortocircuitos, pero estos se han resuelto en gran medida.