Григорев Газоразрядные детекторы елементарных частиц 2012
.pdf
Рис. 4.1. Фитирование сигналов со стрипов одним и двумя гауссианами: четко видно, что фитирование одним гауссианом оказывается очень грубым, в то время как фитирование двумя гауссианами хорошо ложится
на экспериментальные точки
101
Рис. 4.2. Зависимость эффективности двухтрекового разделения от расстояния между треками в пропорциональной камере
В предельных случаях достигнутое двухтрековое разрешение равно: для пропорциональных камер – около 2 мм; для дрейфовых камер – около 1 мм; для время-проекционных камер – до 5мм (по времени дрейфа); для микростриповых камер – около 400 мкм (при шаге анодных стрипов 200 мкм).
Для других детекторов, таких как микромегас и детекторы на основе ГЭУ двухтрековое разрешение определяется шагом и размерами стрипов или пэдов и в 5 – 10 раз хуже координатного разрешения для одной частицы.
Глава 5. ЭФФЕКТЫ РАДИАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ
ВГАЗОВЫХ ДЕТЕКТОРАХ
Впроцессе эксплуатации детекторы непрерывно подвергаются облучению ионизирующей радиацией. По мере увеличения дозы облучения происходит непрерывное ухудшение эксплуатационных параметров детектора: падает коэффициент усиления, растет темно-
102
вой ток, наконец, возникают спонтанные пробои газовых промежут-
ков [36].
Простейший пример радиационного старения – это конечный срок службы самогасящегося счетчика Гейгера, наполненного смесью аргона с парами спирта из-за необратимого расхода спирта.
Однако, в отличие от самогасящегося счетчика Гейгера, в котором в процессе эксплуатации непрерывно меняется состав газовой смеси, практически все остальные детекторы, рассмотренные в настоящем пособии, работают при неизменном исходном составе газовой смеси. Подобранная для данного детектора газовая смесь непрерывно прокачивается через детектор и затем через замкнутую систему очистки снова возвращается в детектор. Тем не менее, все детекторы в той или иной степени подвержены радиационномустарению.
Как правило, эффект радиационного старения характеризуется относительным падением коэффициента газового усиления в зависимости от дозы облучения. Это касается всех пропорциональных детекторов. Исключение составляют плоскопараллельные камеры с резистивными электродами – в этих камерах наблюдалось уменьшение удельного сопротивления бакелитовых электродов при больших дозах облучения, причем нет твердой уверенности, что это уменьшение связано именно с дозой облучения [38]. Кроме того, для плоскопараллельной геометрии вообще, как правило, радиационное старение наступает медленнее. Во всяком случае, для пропорциональных камер с резистивными электродами, обычно работающих в условиях относительно небольших радиационных загрузок, радиационное старение пока не очень актуально.
При исследованиях радиационного старения дозу облучения обычно выражают в нетрадиционных для этой физической величины единицах: для детекторов с анодными нитями (пропорциональные камеры сами по себе или входящие в состав других приборов, например время-проекционных камер) – в заряде, собранном на единицу длины анодной нити (Кл/см) или на единицу длины стрипа (Кл/мм) для микростриповых детекторов. Для камер с резистивными электродами, ГЭУ, микромегас дозу выражают в Кл/мм2 [36]. Зная размер детектора, геометрию облучения, энерговыделение прошедшей через детектор частицы и коэффициент газового усиления детектора, легко пересчитать дозу, выраженную в указанных выше единицах, на число зарегистрированных частиц, а зная сред-
103
ний поток частиц через детектор – на срок службы детектора при допустимых изменениях параметров.
Исторически лучше всего исследованы процессы старения многопроволочных пропорциональных камер. Как уже отмечалось выше, радиационное старение приводит к падению коэффициента газового усиления, увеличению темнового тока и спонтанным пробоям. Скорость радиационного старения зависит от очень большого количества факторов: от состава газовой смеси, от коэффициента газового усиления, от скорости продува смеси через детектор, и, кроме того, от множества неконтролируемых или плохо контролируемых факторов, таких как гажение конструкционных материалов, наличие неконтролируемых газовых примесей, поступающих от системы очистки, и т.п.
На рис. 5.1 приведены зависимости тока через пропорциональную камеру, характеризующего коэффициент газового усиления от дозы облучения для двух газовых смесей: аргон-метан и аргон-DME. Возьмем дозу 0,2 КЛ/см (падение коэффициента усиления для смеси аргон-DME еще незначительно, а для смеси аргон-метан уже составляет около 50 %) и подсчитаем, какому потоку зарегистрированных частиц это соответствует. Если камера имеет толщину 1 см, то полная ионизация в аргоне составит около 100 электронно-ионных пар. Принимая коэффициент газового усиления (типично) равным 104, получим заряд от одной частицы равным 1,6-13 кулон. Считая шаг между проволочками равным 2 мм, получим, что 2 Кл/см соответствуют 1 Кл/см2. Тогда доза 0,2 Кл/см соответствует примерно 1013 частиц на 1 см2, что является очень большим потоком.
Очевидно, что в аргон-метановой смеси старение идет гораздо быстрее. Причина этому состоит в том, что метан, как и ряд других углеводородов, при нейтрализации ионов на катоде, да и в процессе прямого облучения, создает большое количество радикалов, которые, в свою очередь, оседая на анодной нити, образуют разнообразные полимерные цепи, одевая анодную проволоку в своеобразную «шубу». Примеры таких «шуб» приведены на рис. 5.2.
Такие отложения изменяют напряженность поля у проволоки и тем самым коэффициент газового усиления.
104
Рис. 5.1. Падение коэффициента усиления при облучении в пропорциональной камере для двух газовых смесей
Помимо этого, на катодах также возникают отложения (эффект Малтера), обладающие изолирующими свойствами. Подходящие к катоду ионы могут создавать в этих тонких изолирующих пленках очень сильные электрические поля, приводящие к вырыву из них электронов и увеличению темнового тока или даже пробоя.
Для детекторов, работающих на современных ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНЕ, газовые смеси, содержащие сложные углеводороды, по описанным выше причинам неприемлемы. Применяются газовые смеси Ar (или Xe) – CO2 или Ar (Xe) – CO2 – CF4 . Газы CO2 ,CF4 также обладают гасящими свойствами, хотя и хуже, чем углеводороды. Но они не образуют на анодных нитях «шуб», подобных изображенным на рис. 5.2.
105
Рис. 5.2. Отложения на анодной проволоке
Очевидно, что такие отложения изменяют напряженность поля у проволоки и тем самым коэффициент газового усиления.
Однако на этом неприятности не кончаются. Малейшие следы кремния в газовой системе (клеи, смазки, масла и т.п.) приводят к отложению на анодной нити кремниевых бляшек (рис. 5.3), что также изменяет коэффициент газового усиления [37].
106
Рис. 5.3. Кремниевые отложения на анодной проволоке
Интересно применение в качестве газовой добавки четырехфтористого углерода CF4. Этот газ очень химически активен, еще более активны его радикалы. Поэтому он хорошо очищает анодную проволоку от отложений. Однако он не только не допускает применения в виде конструкционных элементов стекла и ряда других материалов, но и предъявляет очень жесткие требования к качеству золотого покрытия анодной проволоки, иначе в местах с недостаточно качественным покрытием тут же возникает коррозия (рис. 5.4).
В общем случае можно сказать, что на сегодняшний день подбор газовой смеси, исключение источников кремния, рациональный выбор конструкционных материалов обеспечивают работу детекторов с анодными проволоками до значения доз 20 Кл/см, что достаточно для условий работы Большого адронного коллайдера.
107
Рис. 5.4. Коррозия золотого покрытия анодной проволоки
Микростриповые газовые камеры из-за малой эффективной площади размножения заряда, более высокой плотности энергии по сравнению с анодными проволочными детекторами оказываются более чувствительны к эффектам радиационного старения. В них исключено применение гасящих органических углеводородных примесей. Наиболее распространенная смесь – это Ar-DME в различных соотношениях концентраций. Тщательный подбор материалов, из которых изготавливается камера, хорошая очистка газовой смеси и ряд других мер позволяют достичь уровня доз без заметного старения до 100 мКл/мм, что все же на порядок хуже, чем в проволочных системах [36].
Наиболее радиационно стойкими являются плоскостные конструкции, в которых отсутствуют проволочки или сверхтонкие электроды, как в микростриповых детекторах. Поэтому в камерах с резистивными электродами, в микромегасах и ГЭУ помимо разрозненных и противоречивых наблюдений отдельных эффектов, которые могут быть приписаны радиационному старению, нет убедительных данных о четко выраженных эффектах радиационного старения [36].
В заключение следует сказать, что эффекты радиационного старения столь разнообразны и зависят от столь большого количества факторов, что помимо нескольких общих рекомендаций, сформулированных выше, общей теории не существует, и в ответственных случаях всегда требуется проводить специальные тесты и подбирать условия, обеспечивающие требуемую скорость старения каждого конкретного детектора для конкретных условий эксплуатации.
108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящем пособии довольно кратко рассмотрены современные газоразрядные детекторы, в особенности те, которые появились в последнее десятилетие, в первую очередь, за счет прогресса в технологии. Это замечание прежде всего относится к микроструктурным детекторам. В настоящее время происходит бурное развитие детекторов этого типа, в литературе регулярно появляются новые экспериментальные варианты конструкций. Жизнь покажет, какие из предлагаемых вариантов окажутся жизнеспособны и востребованы экспериментом, а какие развиваться не будут. Во всяком случае, в настоящем пособии рассмотрены лишь те варианты и конструкции приборов, которые уже, пусть иногда ограниченно (а то и впервые), применяются в реальных экспериментах достаточно крупного масштаба. К моменту выхода в свет этого пособия, возможно, появятся приборы, которые в данное пособие уже не успели войти.
Список литературы
1.Калашникова В.И., Козодаев М.С. Детекторы элементарных частиц. М.: Наука,1966.
2.Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М.: Энергоатомиздат, 1985.
3.Ляпидевский В.К. Методы детектирования излучений. М.: Энергоатлмиздат, 1987.
4.Кляйнкнехт К. Детекторы корпускулярных излучений.М.: Мир, 1990.
5.Групен К. Детекторы элементарных частиц. Новосиборск, Сиборский хронограф, 1999.
6.Phys.Rev.D. Particles and fields// V.50, Nr.3, 1 August 1994, p.1252.
7.Григорьев В.А.. Черенковские детекторы. Учебное пособие. М.:
МИФИ, 2007.
8.Дмитренко В.В., Романюк А.С.,Утешев З.М. Сжатый ксенон как рабочее вещество для регистрации гамма-квантов малых энергий //
Всб. Элементарные частицы и космические лучи. Вып.5. М: МИ-
ФИ,1980.
109
9.Bolotnikov A.E., Chernysheva I.V., Dmitrenko V.V., et al., The high pressure xenon detector for gamma-ray astronomy on board the orbital station “MIR”.//Proc.of Int.Conf. on liquid radiation detectors (ICLRD), Waseda University, Tokio, Japan,1992.
10.Улин С.Е., Дмитренко В.В., Грачев В.М. и др., Перспективы использования ксеноновых гамма-спектрометров для экологического мониторинга // Экологические системы и приборы, №7, 2010, стр.3.
11.V.Bondarenko, et al., Kapton straw chambers for a tracking transition radiation detector// Preprint CERN-PPE/92-999, 2 July 1992.
12.R.Santonico and R.Cadradelli, Development of resistive plate coun-
ters// Nucl.Instr.and Methods, 187 (1981), 377-380.
13.V.V.Parhomchuk, Yu.V.Pestov and N.V. Petrovykh, A spark counter with large area // Nucl.Instr.and Methods, 93, (1971), 269-270.
14.Status and prospects of the Pestov spark counter development for the CERN-LHC experiment ALICE//GSI – preprint-98-14. Marz 1998.
15.R.Santonico, RPC: where we are and where we are going // Nucl.Instr.and Methods, A 456 (2000), 1-5.
16.R.Cardadelli, et al, Avalanche and streamer mode operation of resistive plate chambers // Nucl.Instr.and Methods, A 382 (1996), 470-474.
17.F.Sauli. Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers.// CERN 77-09, 3 May 1977.
18.M.C.S.Williams. A large time-of flight array for the ALICE experiment based on multigap Resistive Plate Chambers //Nucl. Phys.A 661, (1999), 707-711.
19.P.Fonte. Applications and new developments in Resistive Plate Chambers // IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol.49, №3, June 2002, 881-887.
20.W.J.Llope, The large area time-of- flight upgrade for STAR // Nucl.Instr.and Methods, B 241, (2005), 306-310.
21.Шарпак Ж. Электронная визуализация ионизирующего излучения с помощью ограниченного лавинного разряда в газах //УФН,
т.163, № 10, Окт, 1993, с. 57-66.
22.F.Sauli. // Gas Detectors: recent developments and applications, CERN-EP/87- 74, 8 June 1989.
23.A.Breskin, et al., High-accuracy bidimentional read-out of proportional chambers with short resolution time // Nucl.Instr.and Methods, v.143, 15 May 1977, 29-39.
110