Григорев Газоразрядные детекторы елементарных частиц 2012

ственно превышает работу выхода электронов из материала катода. Однако, и это самое главное, возбужденные молекулы примеси не высвечивают фотоны, а диссоциируют с образованием свободных радикалов, и выход дополнительных электронов с катода сильно подавляется.

Рис. 2.5. Различные режимы работы цилиндрического газового детектора

Варьируя тип и процентное содержание примесей, можно получать как пропорциональные счетчики с различными предельными значениями коэффициентов газового усиления (вплоть до 106), так и счетчики Гейгера (самогасящиеся счетчики), в которых гашение разряда происходит на первой стадии за счет упомянутых выше механизмов.

В самогасящихся счетчиках, наполненных обычно аргоном (90 %) и парами спирта (10 %), газовый разряд развивается весьма своеобразно. В области ударной ионизации вблизи нити происходит высвечивание возбужденных ионов аргона, образующихся в электронно-ионной лавине. Эти фотоны в свою очередь ионизуют ближайшие к лавине ионы спирта (потенциал ионизации спирта ниже первого потенциала возбуждения аргона), и разряд начинает

41

распространяться вдоль нити в оба конца до тех пор, пока окружающая нить ионная «шуба» не понижает напряженность поля у нити настолько, что разряд останавливается сам собой. По мере того, как ионы движутся к катоду, из-за разности потенциалов ионизации аргона (15,7 эВ) и спирта (11,3 эВ) происходит описанный выше процесс перезарядки, и к катоду подходят только ионы спирта. Кроме того, поле вокруг нити восстанавливается, и процесс регистрации частицы может быть повторен. Однако некоторое время, пока ионы находятся вблизи нити, счетчик практически нечувствителен к другим частицам. Это время (~ 10-4с) называется мертвым временем счетчика. Затем за какой-то период времени (тоже ~ 10-4с) происходит восстановление напряженности поля в счетчике. В это время (время восстановления) счетчик работоспособен, но амплитуда сигнала в нем будет несколько ниже нормы. Таким образом, максимальная скорость счета самогасящегося счетчика составляет около 104 частиц в секунду, что много выше, чем у несамогасящегося. Срок службы самогасящегося запаянного счетчика ограничен, так как спирт в нем необратимо расходуется, и счетчик практически непригоден после регистрации 108–109 частиц.

Пропорциональные счетчики имеют очень широкое применение для регистрации и измерения энергии различных частиц – от релятивистских до низкоэнергетических электронов β-распада радиоактивных источников.

Для измерения энергетических спектров электронов β-распада важно, чтобы электроны не теряли свою энергию в стенках счетчика, так как это сильно ограничивает возможность измерения низкоэнергетической части спектра. Поэтому источник β-распада обычно вводят в состав газовой смеси.

Для регистрации тепловых нейтронов применяются пропорциональные счетчики, заполненные газом BF3 либо в естественной смеси изотопов бора, либо с обогащением, а также счетчики, заполненные He3 вплоть до давления в 10 атм. Сечение захвата тепловых нейтронов в естественной смеси изотопов бора (18,8 % 10В , 81,2% 11В) равно примерно 770 барн (1 барн = 10-24 см), а на обогащенном (чистом) 10В – примерно 4·103 барн. Сечение реакции (n,p) на Не3 равно примерно 5400 барн, так что обе эти реакции весьма эффективны для регистрации тепловых нейтронов. Эффективность регистрации тепловых нейтронов одним борным счетчиком диа-

42

метром около 2 см и длиной порядка 10 см может достигать десятых долей процента. Для регистрации быстрых нейтронов борные или гелиевые счетчики окружают слоем замедлителя – обычно полиэтилена. Естественно, что это именно счетчики нейтронов, так как амплитуда сигнала никак не связана с энергией регистрируемых нейтронов.

Пропорциональные счетчики широко применяются для регистрации релятивистских частиц. При больших коэффициентах усиления ≥104 и выше даже минимально ионизирующая частица создает

всчетчике сигнал, на много порядков превышающий уровень шума внешнего усилителя. Тем самым появляется возможность измерения удельных ионизационных потерь частицы dE/dx.

Пропорциональные счетчики малого диаметра нашли массовое применение в приборах – трекерах, т.е. приборах, в которых прослеживаются треки частиц (при одновременном измерении удельных ионизационных потерь). Такие детекторы изготовляются полупромышленно под определенный заказ. Так в установке ATLAS

вЦЕРН на основе тонкостенных пропорциональных счетчиков малого диаметра создан детектор переходного излучения – трекер [11], насчитывающий около 300 тысяч отдельных счетчиков. Диа-

метр счетчика невелик ( 4 мм), поскольку в каждом отдельном счетчике координата частицы определяется примерно с точностью до его диаметра. Переходное излучение – это весьма специфическое излучение, возникающее при переходе заряженной частицы из среды с одной диэлектрической константой в среду с другой диэлектрической константой. Вероятность излучения на один переход весьма мала, и для излучения с вероятностью порядка единицы нужны сотни переходов. Это достигается либо набором тонких фольг, либо пористым материалом. Интенсивность излучения пропорциональна Лоренц-фактору γ, и при γ ~103 спектр излучения лежит, в основном, в районе 10 КэВ. Излучение направлено вдоль траектории частицы. При достижимых на сегодняшний день энергиях ускоренных частиц излучение существенно только для электронов, поэтому оно применяется для дискриминации электронов на фоне более тяжелых частиц. Это излучение регистрируется одновременно с удельными ионизационными потерями в тех же детекторах. Поэтому признаком наличия переходного излучения является дополнительное энерговыделение по сравнению с удельны-

43

ми ионизационными потерями, при этом дополнительное энерговыделение должно быть близким по своей величине к удельным потерям. Это легко достигается в газах с толщиной газового промежутка 0,5-1 см. Поскольку конкурирующим процессом является тормозное излучение, толщина стенки катода счетчика выбирается минимально возможной, а вещество катода – наиболее легким. Таким образом, катод изготавливается из органической пленки (каптона) толщиной 50 мкм. Газ, наоборот, должен быть тяжелым, чтобы вероятность фотоэффекта была достаточно велика (обычно ксенон). Такие счетчики получили название «Straw» (соломинки). Анодная нить таких счетчиков – золоченый вольфрам диаметром 30 мкм. Коэффициент усиления каждого счетчика около 104.

2.3.Счетчики (камеры) с резистивными электродами

Вфизике высоких энергий в последнее десятилетие получили широкое распространение плоскопараллельные пропорциональные счетчики (камеры) с резистивным электродом. Разумеется, как это уже отмечалось выше, при плоскопараллельной геометрии с использованием эффекта газового усиления и при отсутствии специальных дополнительных электродов (нитей, сеток и т.п.), измерение энергии частиц практически невозможно. Поэтому плоскопараллельная геометрия применяется там, где измерение энергии и не требуется, а требуется либо высокая точность определения момента регистрации частицы (высокое временное разрешение), либо достаточно точное определение координаты частицы на большой площади и при большой средней загрузке. Плоскопараллельная геометрия в данном случае оправдана, поскольку позволяет получить детекторы предельно простой конструкции, покрывающие большую площадь (до сотни квадратных метров). Число отдельных счетчиков в сборке может достигать величины в несколько десятков тысяч. Конструкция таких счетчиков несколько меняется в зависимости от задачи. Меняется также и режим их работы. Рассмотрим устройство и принцип работы таких счетчиков более подробно.

44

Площадь «слепого пятна» равна S= Qd , где Q – полный заряд,

Vε0

d – межэлектродное расстояние, V – разность потенциалов. Схема развития газового разряда в счетчике с резистивными электродами условно показана на рис. 2.7.

Применение резистивного электрода, т.е. электрода, изготовленного из высокоомного вещества (обычно стекла или специаль-

ной пластмассы – бакелита с сопротивлением 1012 ÷1014 Ом см), не

является единственным условием нормальной работы камеры. Не менее важным является выбор рабочего газа (точнее, рабочей смеси). К газовой смеси предъявляется целый ряд зачастую противоречивых требований. Во-первых, смесь должна быть гасящей (даже сильно гасящей). Пропорциональный режим ни в коем случае не должен переходить при повышении напряжения в гейгеровский режим. Поэтому смесь чаще всего трехкомпонентна – практически обязательной является небольшая добавка электроотрицательной примеси, роль которой – надежно перехватывать случайные электроны, вылетающие с катода (не надо забывать, что в плоскопараллельной геометрии процесс размножения электронов начинается сразу с места их возникновения).

По той же причине должна быть надежно поглощена фотонная компонента: фотоны не должны уходить далеко от лавины. Желательно, чтобы газ был невоспламеняющимся; газовое усиление начиналось при возможно более низких напряжениях; скорость дрейфа электронов была высокой; энергия образования одной элек- тронно-ионной пары была пониже. Эти требования можно продолжать.

46

менте ALICE в ЦЕРН, но большая стоимость и высокая сложность в изготовлении вынудили отказаться от этих планов. Тем не менее, ограниченный набор счетчиков Пестова (прототип для эксперимента ALICE) был успешно использован в эксперименте NA-49.

В табл. 2.1 приведены свойства некоторых газов, применяемых для наполнения газовых приборов. Таблица позволяет оценивать потери энергии в различных газах при атмосферном давлении, оценивать число электронно-ионных пар и пр.

RPC применяются в двух заметно отличающихся модификациях – для координатных измерений и получения триггерного сигнала для запуска всей установки, а также для временных измерений

[15].

Для координатных измерений желательно иметь камеры большой площади (~1 м2), с приличным координатным разрешением и максимально возможным сигналом. По аналогии с энергетическим разрешением координатное (позиционное) разрешение определяется как ширина экспериментально полученного распределения частиц по координатам при облучении детектора в одной точке коллимированным источником. Если точность коллимации недостаточна, координаты частиц определяются с помощью дополнительных детекторов с заведомо высоким координатным разрешением, располагаемых впереди и позади исследуемого прибора. Так, кремниевые микростриповые детекторы, например, имеют координатное разрешение до 10 мкм, что заведомо лучше, чем у газоразрядных

48

детекторов. При этом, как правило, камеры большой площади и с относительно широким газовым промежутком (около 2 мм) – это мюонные детекторы. Обычно заранее известно, что кроме мюонов там практически ничего не может быть, а энергия (импульс) мюонов измеряется по кривизне траектории во внешнем магнитном поле. Поэтому друг за другом ставятся несколько камер, позволяющих эту траекторию определить. Стандартная ширина газового промежутка у такой камеры составляет 2 мм, газовая смесь – аргон, изобутан и различные гасящие примеси, рабочее напряжение 8 – 10 кВ. Такие камеры обычно работают в стримерном режиме [16]. Переход из обычного режима пропорционального усиления в стримерный достигается (в случае поля постоянной напряженности), когда напряженность внутреннего поля в движущейся лавине (стримере) сравнивается на малых расстояниях, меньших межэлектродного промежутка, со значением внешнего поля. В этом случае фактически нарастание лавины останавливается и в дело вступает другой механизм – фотоионизация газа впереди и позади стримера (где поле не ослаблено) за счет фотонов многокомпонентных смесей, фотонов, возникающих при внутренних переходах внутри атомов, имеющих энергию, большую энергии связи валентного электрона и т.п.[17]. Фотоионизация газа впереди и позади первичного стримера приводит к возникновению новых стримеров, которые в конечном итоге сливаются в один пробойный искровой канал. Процесс развития стримера иллюстрируется рис. 2.8.

49