Григорев Газоразрядные детекторы елементарных частиц 2012
.pdfнии этого предела разряд сначала переходит из пропорционального в стримерный, а затем наступает пробой. Однако сравнительно недавно было выяснено, что в субмиллиметровых промежутках этот предел находится на верхней границе значений или даже несколько выше. Этот факт послужил основой создания прибора, именуемого
микромегаc (MICROMEshGAS) [28].
В микромегасе ширина области пропорционального усиления составляет всего 50 – 100 мкм. В остальной части прибора происходит ионизация и дрейф электронов ионизации к области усиления [29, 30, 31, 32]. Благодаря такой конструкции прибор остается пропорциональным, поскольку область газового усиления составляет всего не более 3 % от дрейфового объема. Конструкция микромегас показана на рис. 3.5.
Между дрейфовым катодом и плоскостью анодных стрипов располагается сетка с микроотверстиями, свободно пропускающая электроны в область газового усиления. Дрейфовый промежуток имеет ширину 3 мм, а расстояние от сетки до плоскости анодных стрипов – всего 0,1 мм. Благодаря малой ширине области пропорционального усиления коэффициент усиления может достигать значения 105. Сетка в такой конструкции для поддержания постоянства зазора отделена от плоскости анодных стрипов специальными спейсерами (рис. 3.6).
Сетка – та же самая, что применяется при производстве цветных кинескопов. Микромегас работает при значительных загрузках до 107 Гц/мм2, однако при таких больших загрузках наблюдается значительное (на два порядка) падение коэффициента усиления.
Микромегас начал применяться в экспериментах в ЦЕРН. В эксперименте CAST [33] применяется прибор размером 40 х 40 см с очень хорошим энергетическим разрешением в 11 % FWHM на рентгеновской линии 8 КэВ. Исследование свойств и развитие конструкции прибора продолжаются, поэтому его конкретные физические характеристики будут неизменно улучшаться. Во всяком случае, его пространственное разрешение должно быть не хуже, чем у микрострипового детектора.
91
Рис. 3.5. Принцип устройства прибора микромегас
Рис. 3.6. Электроды и спейсеры прибора микромегас
92
3.3. Газовые электронные умножители
Собственно, газовые электронные умножители не являются самостоятельными трековыми детекторами и применяются в сочетании с другими структурами, например с микростриповыми газовыми камерами, позволяя получить либо значительно больший суммарный коэффициент газового усиления, либо существенно снизить коэффициент усиления собственно микрострипового детектора, что резко снижает вероятность пробоя микрострипового детектора от сильноионизирующих частиц.
Газовый электронный умножитель (ГЭУ) конструктивно представляет собой тонкую (порядка 50 микрон) полимерную пленку из каптона (разновидность полиимида), покрытую с обеих сторон медной фольгой толщиной (с каждой стороны) всего 7–10 микрон. В этой металлизированной с обеих сторон пленке протравлены сквозные отверстия с шагом порядка 75–100 микрон и диаметром 50 микрон [26, 34]. Микрофотография газового электронного умножителя приведена на рис. 3.7. Размер единичной пленки составляет до 30 х 30 см и даже больше.
Между верхним и нижним медными слоями прикладывается разность потенциалов несколько (300–500) вольт, создавая тем самым напряженность поля в отверстиях порядка 100 кВ/см. На рис. 3.8,а показаны силовые линии поля и эквипотенциали внутри отверстий и в непосредственной близости от них. На рис. 3.8,b условно показано, как электроны ионизации, попавшие из верхней части умножителя, создают электронно-ионную лавину внутри отверстия. При этом коэффициент газового усиления в отверстии может достигать величины 103.
Для создания трекового детектора на основе ГЭУ его следует дополнить сверху и снизу рядом дополнительных электродов (рис.3.9). В дрейфовом промежутке, образованном дрейфовым электродом (верхний электрод на рис. 3.9) и ГЭУ, в котором собственно и происходит регистрация частицы, электроны ионизации дрейфуют в поле, приложенном между дрейфовым электродом и верхней поверхностью ГЭУ к ближайшим отверстиям ГЭУ, где происходит газовое усиление.
93
Рис. 3.7. Микрофотография газового электронного умножителя
При этом благодаря малости отверстий и шага между ними структура трека частицы или ее координаты сохраняются с высокой степенью точности – около 50 мкм. Усиленная электронная лавина (ионы очень быстро нейтрализуются внутри отверстия) регистрируется системой из двух взаимно перпендикулярных стриповых плоскостей (см. рис. 3.9).
94
Рис. 3.8: а – линии напряженности и эквипотенциали внутри отверстия ГЭУ, b – условное изображение электронно-ионной лавины, возникающей
в отверстии ГЭУ
На рис. 3.10 показана электронная лавина, выходящая из отверстия ГЭУ в промежуток ГЭУ – стриповый сигнальный электрод. Несмотря на значительное уширение лавины, измерение сигналов с нескольких соседних стрипов позволяет методом центра тяжести получить хорошее пространственное разрешение, что и показано на рис. 3.11.
95
Рис. 3.9. Возможная конструкция трекового детектора на основе ГЭУ
Рис. 3.10. Электронная лавина в промежутке ГЭУ – считывающая плоскость стрипов
96
Рис. 3.11. Сигналы на соседних стрипах при ширине одного стрипа 200 мкм
На рис. 3.9 приведена достаточно условная конструкция трекового детектора на основе ГЭУ. В различных практических конструкциях ГЭУ нередко применяются в сочетании с микростриповыми детекторами, в качестве замены многопроволочной пропорциональной камеры или как дополнение к ней на дне (регистрирующей плоскости) время-проекционных камер, в усилителях рентгеновского изображения.
Хотя коэффициент усиления ГЭУ, как уже отмечалось, может доходить до 103, работа при предельных напряжениях сопряжена с риском пробоя, который может быть вызван как микродефектами изготовления, так и регистрацией сильноионизирующих частиц, вызывающих электронно-ионные лавины, на несколько порядков превосходящие среднее значение. Ввиду сравнительно малой стоимости и простоты применения оказывается целесообразным каскадирование ГЭУ на 2-3 каскада [35], как это показано на рис. 3.12 с одновременным уменьшением коэффициента усиления каждого каскада.
97
Рис. 3.12. Каскадирование ГЭУ 1, 2, 3 (GEM 1, 2, 3)
98
Рис. 3.13. Зависимость суммарного коэффициента усиления для одиночной (SGEM), двойной (DGEM) и тройной (TGEM) структуры от напряжения
на каждом ГЭУ. Точки, треугольники и квадратики – экспериментальные данные, прямые – экстраполяция
На рис. 3.13 приведен суммарный коэффициент усиления 1-, 2- и 3-каскадных систем в зависимости от напряжения, приложенного к каждому из ГЭУ. Из рисунка видно, что при напряжении 450 В на каждом из ГЭУ можно получить суммарный коэффициент усиления более 105 (верхняя прямая TGEM), хотя для одного каскада коэффициент усиления чуть более 102, что довольно безопасно с точки зрения пробоев.
Глава 4. ДВУХТРЕКОВОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ТРЕКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ
Под двухтрековым разрешением понимается минимальное расстояние между треками, на котором две частицы, одновременно прошедшие через детектор, могут быть разрешены, т.е. для каждой из частиц могут быть раздельно определены в зависимости от конструкции детектора одна, две или все три координаты.
Здесь можно ограничиться рассмотрением случая, когда трек частицы проходит перпендикулярно плоскости анодных проволок либо плоскости катодных (или анодных и катодных одновременно в случае микростриповых газовых детекторов) стрипов. Очевидно,
99
что в случае косых треков задача сильно усложняется, однако в подавляющем большинстве экспериментов детекторы располагаются таким образом, что угол наклона трека по отношению к нормали к катодной плоскости мал. Поскольку сейчас практически повсеместно применяется стриповый либо пэдовый съем координатной информации (считывание сигнала с анодных проволок в случае пропорциональной камеры применяется для измерения энергетических потерь), очевидно, что задача двух близко расположенных треков сводится к задаче разложения экспериментального амплитудного распределения сигналов, полученного с совокупности стрипов или пэдов на два частично наложенных распределения амплитуд сигналов.
Обычно распределение сигналов по амплитудам с совокупности нескольких стрипов или пэдов (см. рис. 2.21) апроксимируется (фитируется) распределением Гаусса, что позволяет определить положение максимума распределения (т.е. координаты частицы) с точностью, значительно превышающей ширину стрипа либо шага между ближайшими стрипами (в случае микростриповых камер). В случае аномально широкого распределения либо плохого фитирования экспериментальное распределение фитируется двумя гауссианами, соответствующими координатам двух близко расположенных треков.
Пример такого фитирования одним и двумя гауссианами амплитудного распределения для двух реальных близко расположенных треков приведен на рис. 4.1.
Естественно, что нельзя провести резкую границу между случаями, когда треки разделяются, и когда они не разделяются, поскольку это зависит от большого количества факторов, таких, как амплитудное разрешение, уровень электронных шумов, реальный наклон трека по отношению к нормали и т.п. Поэтому эффективность разделения треков зависит от расстояния между треками и довольно плохо описывается аналитически (рис. 4.2).
100