Kaasutäytteisten säteilynilmaisinten kehitystyö HIPissä ja sen edeltäjissä

Kaasutäytteisiä säteilynilmaisimia käytetään laajasti ionisoivan säteilyn mittaamiseen. Tämän tyypin ilmaisimissa säteily irrottaa täytekaasun atomeista elektroneja, jotka kerätään ilmaisimeen liitettyyn lukuelektroniikkaan, jolloin saadaan tietoa säteilyn ominaisuuksista. Fysiikan tutkimuslaitoksessa (HIP) ja sen edeltäjissä on tutkittu ja kehitetty kaasutäytteisiä ilmaisimia kansainvälisiin tieteen suurhankkeisiin jo vuosikymmenten ajan. Alkupiste kaasutäytteisten säteilynilmaisinten tutkimus- ja kehitystoiminnalle  voidaan ajoittaa 1980-luvun puoliväliin, kun Fysiikan tutkimuslaitoksen edeltäjä Suurenergiafysiikan laitos (SEFL) liittyi mukaan CERNin LEP-hankkeeseen. Laitokseen perustettiin ryhmä osallistumaan DELPHI-koeaseman hadronikalorimetrin soihtumoodissa toimivien lankakammioilmaisinten suunnitteluun, testaukseen ja myös itse kokoonpanoon suomalaisen muoviteollisuuden avustuksella (ks. kuva). Tätä varten perustettiin tarvittava infrastruktuuri Siltavuorenpenkereen laboratorioon ja myöhemmin v. 1987 Otaniemen uuteen teknologiakylään. Ilmaisinmoduulit tarkkuusmuoviosineen toimitettiin CERNiin vv. 1986-87 [1].

Soihtuilmaisinmoduuli DELPHI-koeasemaan [kuva Jouni Heino].

Kaasutäytteisten ilmaisinten kehitystyö jatkui 1990-luvun alussa perustetun Suurenergiafysiikan tutkimuslaitoksen (SEFT) Otaniemen teknologiakylän naapuriin valmistuneen uuden Innopoli-rakennuksen avarissa laboratoriotiloissa. Tutkittavat tekniikat olivat pääasiassa yksi- ja monilankakammiot samaten kuin uudet mikronauha-kaasuilmaisimet (MSGC), joista toivottiin vaihtoehtoa suuren hiukkassäteilyintensiteetin olosuhteissa. Hyvin merkittävä tutkimushaara oli myös Kari Kurvisen käynnistämä ns. ikääntymistutkimus kaasutäytteisillä ilmaisimilla. Samaten jatkettiin geneeristä ilmaisintutkimusta.

Samoihin aikoihin, kun Fysiikan tutkimuslaitos (HIP) perustettiin (syksy 1996), ilmaantui myös uudenlainen, mikrokuvioitu kaasuilmaisinteknologia. Tämä Fabio Saulin kehittämä ilmaisin sai nimekseen GEM (Gas Electron Multiplier) eli kaasuelektronimonistin. GEM-ilmaisimen rakenne on hyvin yksinkertainen. Sen tärkein osa on ohut komposiittikalvo (ks.kuva), joka koostuu eristävästä muovikalvosta (paksuus 50 – 75 μm) ja sen molemmilla puolilla olevasta metallipinnoitteesta (paksuus n. 5 μm). Komposiittikalvon läpi on lisäksi työstetty erittäin tiheä, säännöllinen reikäkuviointi. Metallipinnoitteiden välille on kytketty suurjännite, joka saa aikaan hyvin voimakkaan sähkökentän reikien sisälle, joka moninkertaistaa jo ionisaation yhteydessä syntyneiden, alkuperäisten elektronien määrän. Varauspilvi kerätään lopuksi erillisen sähkökentän avulla lukulevylle, josta saadaan selville tulevan säteilyn paikka- ja energiainformaatio.

Leikkauskuva kaasuelektronimonistinkalvosta (GEM) simuloiden elektronivyöryä yhden reiän sisällä. Valkeat jäljet esittävät monistuvien elektronien kulkua ja keltaiset positiivisesti varautuneita ioneja. [kuva Timo Hilden]

Vuonna 2001, kun Fysiikan tutkimuslaitos sai uudet, keskitetyt tilat Kumpulan kampuksen uudesta Physicum-rakennuksesta, myös Ilmaisinlaboratorio sai paremmat laboratoriotilat laajoine puhdastiloineen. Tämä mahdollisti entistä paremmat mahdollisuudet osallistua erilaisiin, suurten hiukkastutkimuskeskusten kokeellisiin ilmaisinhankkeisiin.

TOTEM T2

Vuodesta 2004 lähtien CERNin LHC-törmäyttimen TOTEM-kokeeseen alettiin suunnitella GEM-ilmaisimiin perustuvaa, varattujen hiukkasten havaitsemiseen tarkoitettua teleskooppia (T2). T2 koostui 40:stä yksittäisestä kolmois-GEM -ilmaisimesta nauha- ja pad-signaalinlukupiireineen siten, että molemmin puolin törmäyspistettä IP5, n. 14 metrin etäisyydelle etusuunnassa, oli sijoitettu 20 puoliympyrän muotoista GEM-ilmaisinta. HIPin TOTEM-ryhmän vastuulla tässä kollaboraatiossa oli kaikkien näiden ilmaisinkomponenttien laadunvarmistus, kokoonpano ja ensimmäiset toimintatestausmittaukset. Tämä työ tehtiin pääosin Ilmaisinlaboratorion puhdastiloissa yhteistyössa ukrainalaisen (Harkov) instituutin työntekijöiden kanssa. Kaikki 40 kolmois-GEM -ilmaisinta (+10 varailmaisinta) saatiin rakennetuksi ja asennetuksi toimintavalmiiksi (ks. kuva) ensimmäisiin TOTEM-ajoihin v. 2009 [2].

Ilmaisinlaboratoriossa kokoonpantu ja testattu T2-ilmaisinyksikkö valmiina kuljetettavaksi CERNiin [kuva Jouni Heino].
T2-teleskoopin 20 GEM-ilmaisinta (10+10) valmiina yhteenpakattavaksi ja paikalleen työnnettäväksi beamiputken ympärille [kuva Jouni Heino].

GEM TPC -prototyyppi

Vireillä oli myös yritys osallistua Saksassa, Darmstadtissa sijaitsevan FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) -tutkimuskeskuksen PANDA (antiProton ANnihilations at DArmstadt) -kokeeseen. Tätä varten valmistettiin GEM-teknologiaan perustuva ajautumiskammio (TPC) -prototyyppi PANDAn kohtiospektrometrin ulompaan ratailmaisimeen.

Kuitenkin vuonna 2008 tehtiin päätös jättää tämä PANDA-yhteistyö ja keskittyä FAIRin NUSTAR (NUclear STructure, Astrophysics and Reactions) -kokeen Super FRS (Super FRagment Separator) -projektiin.

GEM-ilmaisimiin perustuva kaksois-ajautumiskammio (Twin-TPC) FAIRiin

Ollen nyt virallisesti mukana FAIRiin suunnitellussa Super FRS -hankkeessa laboratoriossa kehitettiin ja valmistettiin Francisco Garcian johdolla kaksois-GEM-TPC -prototyyppi jäljitys- ja diagnostiikkatarkoituksiin. Kukin ilmaisinyksikkö koostui kolmois-GEM -kammiosta ja signaalinlukusysteemistä, joka perustui GMX-NYXOR -lukuelektroniikkakortteihin [3].

GEM-tekniikkaan perustuva kaksois-TPC -prototyyppi 2 (HGB4-2) testisäteilytyksessa GSI/FAIR:ssä, Darmstadtissa [kuva Francisco Garcia].

Tällä hetkellä tilanne on sellainen, että yhteistyösopimuksen mukaan viisi GEM-TPC -ilmaisinta tullaan rakentamaan Ilmaisinlaboratorion puhdastiloissa.

TPC-ilmaisinpäivitys CERNin ALICE-koeasemaan

Vuonna 2013, Eija Tuomisen johtama HIPin Ilmaisinlaboratorio käynnisti ALICEn ajautumiskammio-ilmaisinten (TPC) päivityshankkeen [4]. ALICE-kollaboraatio päätti päivittää vanhat lukukammiot (ReadOut Chambers eli ROCs), jotka perustuivat vielä porttimoodissa toimiviin monilankakammioihin. Tulossa olevaa LHC:n kolmatta ajoa (Run 3) varten uudet kammiot rakennettiin käyttäen jatkuvatoimiseen signaalinlukuun perustuvaa GEM-teknologiaa. HIP oli sopinut ottavansa vastuulleen GEM-kalvojen laadunvarmistuksen (yhteensä n. 180 m²), jotka tarvittiin TPC:n kahden päätykannen varustamiseen. Tässä hyödynnettiin aikaisempaa kokemusta TOTEMin T2-teleskoopin tuotannosta.Laadunvarmistusmetodeja kehitettiin edelleen vastaamaan uusia tarkkuusvaatimuksia. Muun muassa kehitettiin optinen tarkkuusskanneri (ks. kuva), jota käytettiin kirjaimellisesti kuvaamaan ja mittaamaan joka ainoa GEM-kalvojen reikä, joita yhdellä tyypillisellä kalvolla oli n. 10 miljoonaa kpl. HIPissä tehdyn tutkimuksen [5,6] perusteella voitiin osoittaa, että GEM-kalvojen vahvistusaste paikallisesti pystytään menestyksellisesti ennustamaan reikien geometristen ominaisuuksien perusteella.

Laboratorion henkilökunnan operoima optinen tarkkuusskanneri, jota käytettiin ALICEn TPC-lukukammioiden (ROCs) laadunvarmistukseen [kuva Erik Brücken].

GEM-kalvoja skannattiin ja testattiin HIPissä yli kahden ja puolen vuoden ajan ja ne lähetettiin edelleen kokoonpanokeskuksiin, joissa ne viimeisteltiin ja testattiin. Tätä nykyä TPC on täysin asennettu ja valmis datan keruuseen.

Kaasutäytteiset ilmaisimet opetuskäytössä

Vuoden 2010 vaiheilla alettiin Rauno Lauhakankaan ja Timo Hildenin johdolla rakentaa yksinkertaisia verrannollisuuslaskureita (proportional counters) opetustarkoituksiin käyttäen materiaalina poisheitettyjä, tavallisia metalliputkia. Tarvittavan sähkökentän luomiseen ja sähkövarausta keräävänä anodi-elektrodina käytettiin 25 μm:n paksuista kupari-beryllium -lankaa. Säteilytysikkuna pehmeille röntgensäteille tehtiin poraamalla reikä putken sivulle ja peittämällä se ohuella Mylar-muovikalvolla. Putkenkappaleen päädyt tulpattiin muovikorkeilla jättäen läpiviennit korkeajännitteen syötölle ja kaasuletkulle.

Nämä säteilynilmaisimet toimivat erittäin hyvin, jolloin päätettiin tehdä tästä oma, erillinen laboratoriotyöharjoitus opiskelijoille. Samoihin aikoihin oli käynnistetty uusi, pohjoismainen, ionisoivan säteilyn ilmaisimia käsittelevä intensiivikurssi (Nordic Detector Course). Kurssin teoriaosuus käytiin ensin läpi Kööpenhaminassa ja Tukholmassa, jota seurasi viikon käytännöllinen harjoitusjakso HIPin Ilmaisinlaboratoriossa. Täällä kukin opiskelijaryhmä rakensi itse omat verrannollisuuslaskurinsa, testasi niiden toimivuuden ja raportoi tuloksistaan. Seuraavan tason verrannollisuuslaskureissa käytettiin vielä enemmän kierrätysmateriaaleja, kuten esim. tyhjiä olut- ja virvoitusjuomatölkkejä (ks. kuva) ja poisheitettyjen sähköjohtojen säikeitä, halkaisjaltaan 50 – 100 μm. Yksityiskohtaisempi selvitys näistä ilmaisimista löytyy viitteestä [7]. Tarkoitus oli siis levittää ideaa opiskelijakoulutukseen soveltuvasta, erittäin edullisesta, tee-se-itse säteilynilmaimesta. Tästä tuli huikea menestystarina opiskelijoiden keskuudessa, joka päätyi viralliseksi, Erik Brückenin vetämäksi laboratoriokurssiksi (PAP328), nimeltään “Instrumentoinnin laboratoriokurssi” ( Laboratory Course on Instrumentation). Pääasiana oli siis omin käsin rakentaa toimiva säteilynilmaisin ja testata sekä karakterisoida se huippuluokan laboratoriolaitteilla. Tämän kurssin läpäisevät opiskelijat ovat siten hyvin valmistautuneita tekemään esim. gradu-tutkielmansa suurenergiafysiikan instrumentoinnissa.

Opiskelijan (Joshua Reed) virvoitusjuomatölkistä valmistama verrannollisuuslaskuri [kuva Erik Brücken].

Mitä sitten tulee kaasutäytteisten ilmaisinten nykyiseen käyttöön ionisoivan säteilyn havaitsemiseen varsinkin suurissa CERNin LHC- ja BNL:n RHIC-kokeissa, joissa niitä käytetään jäljitykseen ja myonien tunnistukseen, niin voidaan sanoa tämän teknologian olevan nyt huipussaan. Nopeus- ja tarkkuusominaisuuksissa puolijohteisiin perustuvilla ilmaisimilla on monia etuja puolellaan, mutta hinnat ovat edelleen paljon korkeammat kuin kaasutäytteisillä. Tämä näkyy varsinkin silloin, kun ilmaisimilta vaaditaan suurten pinta-alojen kattamista. Kaasutäytteiset detektorit voivat toisaalta toimia myös nopeina ajoitusilmaisimina. Tämän on osoittanut viime vuosina esim. CERNin RD51-ohjelman Picosec Micromegas -kollaboraatio, jossa HIP on mukana. Micromegasilla tarkoitetaan siis jälleen yhtä erilaista versiota kaasutäytteisistä säteilynilmaisimista. Tässä ryhmässä Micromegas-ilmaisinta käytetään yhdessä Cherenkov-säteilijän ja valokatodin kanssa havaitsemaan läpikulkevia hiukkasia noin 10 ps:n aikaresoluutiolla. 

Jouni Heino
laboratorioinsinööri
Helsingin yliopisto, Fysiikan tutkimuslaitos

Erik Brücken
yliopistonlehtori, tutkija HIP-projekti (
CMS Upgrade)
Helsingin yliopisto, Fysiikan tutkimuslaitos

[1] J. Tuominiemi, Kuplakammiofysiikasta Higgsin bosoniin – Suomalaisen kokeellisen hiukkasfysiikan viisi ensimmäistä vuosikymmentä, Fysiikan tutkimuslaitos, Lahti 2018.
[2] T. Hilden et. al., The TOTEM T2 GEM detector assembly and quality assurance, JINST 4 (2009), P11020.
[3] F. García et al., A GEM-TPC in twin configuration for the Super-FRS tracking of heavy ions at FAIR, Nucl. Instrum. Meth. A 884 (2018), 18.
[4] J. Adolfsson et al. (ALICE TPC Collaboration), The upgrade of the ALICE TPC with GEMs and continuous readout, JINST 16 (2021) 03, P03022, doi:10.1088/1748-0221/16/03/P03022.
[5] T. Hildén et al., Optical quality assurance of GEM foils, Nucl. Instrum. Meth. A 770 (2015), 113.
[6] E. Brücken et al.,Hole Misalignment and Gain Performance of Gaseous Electron Multipliers, Nucl. Instrum. Meth. A 1002 (2021) 165271. [7] A. Winkler, et al., A gaseous proportional counter built from a conventional aluminium beverage can, Am. J. Phys. 83 (2015) 733, doi:10.1119/1.4923022.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *