Specjalistyczne detektory GEM

Detektor ten umożliwia pomiar stopnia spolaryzowania promieniowania rentgenowskiego. Polarymetr został zaprojektowany z myślą o zastosowaniach kosmicznych. Moduł został opracowany w standardzie CubeSat i zajmuje przestrzeń 1U, przez co może być zainstalowany na nanosatelitach o rozmiarze 3U lub 6U. Detektor ten został opracowany w ramach konsorcjum MGEM: TTA Techtra, CBK PAN, PWR i WPT.

Głównym elementem urządzenia jest detektor oparty o technologię GEM, z specjalistyczną płytą odczytu umożliwiającą pomiar polaryzacji promieniowania rentgenowskiego. Płyta ta wykonana jest z ceramiki LTCC i zawiera 512 hexagonalnych pól odczytu (padów) o rozmiarze 350 um. Obszar aktywny ma kształt koła o średnicy 12 mm, co umożliwia rejestracje kształtu poszczególnych chmur ładunku a więc wyznaczenie polaryzacji poszczególnych fotonów. Analiza statystyczna pozwala natomiast na wyznaczenie stopnia spolaryzowania promieniowania. Więcej informacji o płycie odczytu HEX znajduje się w sekcji „Ceramiczne płyty odczytu”. Elektronika pomiarowa posiada 512 niezależnych kanałów. Maksymalna prędkość pomiaru wynosi 17 KSPS, a wszystkie kanały są odczytywane równocześnie. Płyta odczytu HEX wraz z elektroniką pomiarową jest widoczna na Rysunku 1. Czujnik z kompletnym stosem GEM przedstawiony jest na rysunku 2.

Element czujnikowy zawierający folie GEM, płytę odczytu i elektronikę pomiarową (przetwornik ładunku na wartość cyfrową) został zamknięty w hermetycznej obudowie aluminiowej. Obudowa ta pełni funkcję komory w której znajduje się gaz roboczy, a także ekranuje czułą elektronikę przed zakłóceniami zewnętrznymi. Obudowa detektora oraz stos GEM widoczny jest na rysunku 3. Elektronika kontrolno-pomiarowa znajduje się na zewnątrz bloku czujnikowego. Pracą detektora zarządza układ FPGA, który steruje wszystkimi modułami, pobiera dane z przetworników i zapisuje ją na karcie SD lub przesyła bezpośrednio do komputera PC stosując protokół USB. Pozyskane dane są obrabiane na komputerze PC, czego wynikiem jest informacja o stopniu spolaryzowania promieniowania. Przykładowy widok chmury ładunku wygenerowaną przez detekcję pojedynczego fotonu promieniowania rentgenowskiego przedstawiono na rysunku 4.

TTA Techtra oferuje zmontowane i sprawdzone detektory GEM kompatybilne z komorami i systemami odczytu używanymi przez CERN. Detektor zawiera paskowy układ odczytu (rysunek 5), 3 folie GEM i elektrodę dryfującą. Folie GEM mają specjalne zatrzaski, które pozwalają na szybką i bezpieczną wymianę foli (Rysunek 6). Rezystancyjny dzielnik napięcia podłącza się do płytki odczytowej, aby spolaryzować folie GEM i płaszczyznę dryftu (Rysunek 7).

Detektor wymaga zasilania napięciem stałym o wartości do 5 kV oraz zasilania w gaz roboczy – typowo mieszanka Argonu i CO2. Kompatybilne zasilacze oraz armatura gazowa jest dostępna na osobne żądanie.

Do detektorów dostarczane jest darmowe oprogramowanie do akwizycji danych. Aplikacja ta umożliwia łączenie się z detektorem, konfiguracje parametrów urządzenia a także wykonywanie pomiarów i ich zapis na komputerze PC. Dane są zapisywane w wersji surowej, przez co konieczne jest użycie dodatkowego oprogramowania do obróbki i wizualizacji danych. Aplikacja składa się z dwóch okien: głównego z konfiguracją i wyzwalaniem pomiarów (rys. 8.) oraz z wykresami przedstawiającymi aktualne dane z detektora (rys. 9.). Oprogramowanie jest ciągle rozwijane – na życzenie klienta możliwe są modyfikacje lub dodanie nowych funkcjonalności.