Григорев Газоразрядные детекторы елементарных частиц 2012
.pdf
электродов, наводит (индуцирует) сигналы на стрипы посредством емкостной связи и может быть считан с того стрипа, под которым прошла лавина и ограничивается в основном размерами стрипа ( до размеров около 1 мм). Это примерно соответствует геометрическому размеру самого стримера и наведенного им заряда. Более подробно о стриповом съеме информации будет рассказано чуть ниже, в разделе пропорциональные камеры.
Рис. 2.9. Стриповый съем информации со счетчика
Другое направление применения RPC – это применение RPC высокого временного разрешения во время – пролетных системах.
На рис. 2.10 изображен произвольный сигнал детектора U(t). Частица прошла через детектор в момент времени t = 0. Пороговое устройство, фиксирующее факт срабатывания детектора, сработало чуть позже – в момент времени Tзад. Если измерить распределение сигналов по задержкам, то получится, как правило, распределение, близкое к Гауссовому. FWHM этого распределения и называется временным разрешением детектора (джиттером). Оно всегда меряется только в абсолютных единицах времени – наносекундах, пикосекундах.
51
Рис. 2.10. Сигнал на выходе детектора
С точки зрения временного разрешения, плоскопараллельная геометрия гораздо предпочтительнее цилиндрической. Действительно, в цилиндрической камере время дрейфа электронов до области ударной ионизации, которое в данном случае и будет джиттером, составляет величину порядка 10-7с. В плоскопараллельной геометрии рожденный частицей электрон сразу попадает в область сильного (размножающего) поля. Поэтому временное разрешение в такой геометрии должно быть лучше (меньше в абсолютных числах).
Создание таких гигантских установок как ALICE (ЦЕРН), STAR (Брукхейвен), предусматривающее наличие в них времяпролетных систем, измеряющих скорость частицы по времени ее пролета на определенном фиксированном расстоянии (пролетной базе), потребовало создания детекторов в сотни квадратных метров и с разрешением около 50 пикосекунд. При таких размерах альтернативы газовым детекторам не было. Однако RPC в стримерном режиме не позволяют получить временное разрешение (джиттер) существенно лучше 1 наносекунды из-за неопределенностей моментов развития стримеров.
В этом смысле значительно выгоднее чисто пропорциональный режим газового усиления, хотя он и дает гораздо меньший сигнал. Уменьшение газового промежутка до предельно малых значений
52
0,2 — 0,3 мм также существенно уменьшает джиттер. Однако, как это видно из табл. 2.1, в газовом промежутке 0,2 мм релятивистская частица создает в среднем всего 2 — 3 электронно-ионных пары, а то и меньше, в зависимости от газа. Это означает, что эффективность одного промежутка будет существенно меньше 100 % (рис.2.11).
Напряжение,кВ
Рис. 2.11. Зависимость эффективности (Еfficiency) и временного разрешения (Time resolution) камеры с одним зазором 0,3 мм: открытые
кружки и квадраты – эксперимент, зачерненные – расчет
Поэтому для камер с малым газовым промежутком одним из центральных вопросов становится вопрос об эффективности регистрации релятивистских частиц. Обычно ширину газового промежутка и величину приложенного напряжения выбирают таким образом, чтобы эффективность регистрации составляла более 90 %. Выход – создать несколько промежутков (до шести) с резистивными электродами между ними [18, 19, 20]. Причем напряжение на внутренние электроды не подается – они находятся в условиях плавающего потенциала, определяемого электростатикой. Подобная
53
конструкция (рис. 2.12) при площади единичного модуля 20х20 см2 позволяет достичь временного разрешения около 50 пикосекунд. Уменьшение ширины газового промежутка и использование режима пропорционального усиления способствует одновременно и улучшению координатного (пространственного) разрешения за счет резкого уменьшения геометрических размеров электронноионной лавины. Коэффициент усиления такой камеры составляет величину порядка 103 – 104, нo поскольку первичный заряд очень мал, величина сигнала также мала. Сигналы считываются с дополнительных электродов, изолированных тонким слоем изоляции от верхнего и нижнего электродов. За счет электростатической индукции на считывающие электроды наводятся сигналы, возникающие во всех газовых промежутках.
Рис. 2.12. Многозазорная камера с «плавающими» электродами: ширина 1-го газового промежутка 0,25 мм; толщина внутренних резистивных электродов — 0,5 мм; временное разрешение – 50 пс; эффективность – 98 %.
Материал электродов – высокоомное стекло с удельным сопротивлением около 1013 Ом·см
Существенной практической характеристикой камер обоих типов является их предельная загрузка (предельная скорость счета). В первую очередь она зависит от удельного сопротивления электродов – чем ниже сопротивление, тем выше скорость рассасывания «слепого пятна». Реальные значения на сегодня – это 3 кГц/см2 для камер, работающих в режиме пропорционального усиления, и 300 Гц/см2 для камер, работающих в стримерном режиме.
Крайняя простота, надежность и низкая стоимость изготовления делают этот прибор крайне привлекательным для решения широкого (но все же довольно ограниченного) круга задач.
54
2.4. Многопроволочная пропорциональная камера
Пропорциональная камера была изобретена Ж. Шарпаком [21] и в 1992 г. удостоена Нобелевской премии. Она состоит из двух плоскопараллельных электродов (катодов), изготовляемых обычно из алюминизированной полимерной пленки (майлара) и натянутых на изолирующую рамку. Расстояние между катодами составляет 10–20 мм. Между катодами на равном расстоянии l от них натянуты анодные нити диметром до 20 мкм, с шагом между нитями s не менее 2 мм. Между катодами и анодными нитями прикладывается разность потенциалов порядка 1 кВ. Электрическое поле в такой системе имеет структуру, четко отделяющую поле одной нити от другой, и таким образом пропорциональная камера, по существу, представляет собой набор большого количества пропорциональных счетчиков в одном газовом объеме. Электроны ионизации, создаваемые заряженной частицей в объеме детектора, дрейфуют к соответствующей анодной нити и в непосредственной близи от нити за счет ударной ионизации создают электронно-ионную лави-
ну [17, 21].
Однако при создании прибора эта картина казалась не столь очевидной. Существовало подозрение, что при близком расположении анодных проволок (нитей) друг к другу емкостная связь между ними приведет к тому, что сигнал, индуцированный на одной из проволок, распространится на соседние.
Рис. 2.13. Схематическое изображение многопроволочной пропорциональной камеры: l – расстояние катод-анодная плоскость проволочек, s – шаг между проволочками (нитями)
55
Оказалось, однако, что при внутренней генерации сигналов, образованных положительными и отрицательными зарядами, этого не происходит, и та проволочка, на которой развивается лавина, будет источником отрицательного сигнала, тогда как на соседних проволочках возникает небольшой положительный заряд.
Конструкция детектора и картина распределения электрического поля в нем показаны на рис. 2.13 и 2.14.
Катод
Катод
Рис. 2.14. Распределение линий напряженности электрического поля внутри пропорциональной камеры. Поле вблизи нити практически не отличается от поля цилиндрического пропорционального счетчика и определяется выражением, аналогичным (2.7)
Поле вблизи нити аналогично полю цилиндрического пропорционального счетчика, а вдали от нити – постоянно и мало. Из рис. 2.15 видно, что область газового разряда (электронноионной лавины) начинается всего на расстоянии нескольких радиусов от центра нити и таким образом зависимость величины
56
сигнала от ориентации трека частицы в данной конструкции пренебрежимо мала.
Точность локализации разряда в такой камере равна шагу между проволочками или несколько лучше при усреднении данных с нескольких проволочек при косом треке, однако на практике минимально используемый шаг равен 2 мм. С уменьшением шага s приходится пропорционально увеличивать разность потенциалов V и работа камеры становится неустойчивой.
Рис. 2.15. Изменение напряженности электрического поля в пропорциональной камере вдоль оси x, перпендикулярной плоскости проволочек и проходящей через центр проволочки. Показаны различные области поля (область образования
и развития лавины, области дрейфа электронов в спадающем и затем практически постоянном поле)
Кроме того, при близком расположении нитей, поскольку они находятся под одинаковым потенциалом, происходит
57
электростатическое расталкивание нитей и их колебания, которые тем сильнее, чем длиннее нить [17]. Это показано на рис. 2.16.
Рис. 2.16. Расталкивание анодных нитей
В камерах большого размера иногда применяют специальные поддерживающие структуры, помогающие бороться с этим явлением. Площадь таких камер может составлять 1м2 и более. Поскольку катоды изготовлены из тонкой пленки, давление рабочего газа в объеме камеры поддерживается равным атмосферному. Пропорциональные камеры применяются в основном в физике высоких энергий, т.е. для регистрации релятивистских частиц. Релятивистская частица на 1 см пути в газе при давлении, равном атмосферному, создает, в среднем, порядка сотни электронно-ионных пар, поэтому коэффициент газового усиления в пропорциональных камерах выбирается от 104 до 106 (иногда и более). Для достижения такого высокого коэффициента газового усиления без перехода в режим гейгеровского разряда необходимо применение гасящих смесей, подавляющих вторичные эффекты на катоде. С этой целью камеры заполняются газовой смесью, состоящей из (обычно) аргона, двуокиси углерода СО2 и органического газа (метана, изобутана и т.п.), обладающего гасящими свойствами. Двухкомпонентная смесь, например аргон-изобутан, позволяет достичь коэффициента газового усиления в пропорциональном режиме до величин, близких к 106. При этом удается достичь эффективности регистрации релятивистских частиц близкой к 100 % (рис. 2.17).
При этом сохраняется режим пропорциональности сигнала величине первичной ионизации. Для достижения еще больших значений коэффициента газового усиления в газовую смесь добавляют небольшое количество (менее 1 %) электроотрицательного газа.
58
Рис. 2.17. Зависимость эффективности пропорциональной камеры от рабочего напряжения
Малое количество электроотрицательного газа практически не сказывается на развитии электронно-ионной лавины вблизи анодной нити, однако электроотрицательная примесь эффективно перехватывает вторичные электроны, выбиваемые с катода, тем самым подавляя развитие вторичных лавин. Например, «магическая смесь», предложенная Ж. Шарпаком, состоящая из Ar (70 %), изобутана (29,6 %) фреона (0,4 %), позволяет получить коэффициент газового усиления до 108. Однако при таких больших коэффициентах усиления сигнал практически уже выходит в насыщение и перестает зависеть от величины первичной ионизации. Камеры подобной конструкции обязательно работают при постоянном продуве (постоянном обновлении газовой смеси) для поддержания постоянства состава газовой смеси как из-за расхода гасящей добавки, так и из-за гажения элементов конструкции камеры.
Обычно коэффициент газового усиления М в камере в диапазоне 102-104 следует закону М = exp [ζ (V-VТ)], где ζ – наклон кривой, зависящий от толщины нити, VT – «порог» начала газового усиления (см. рис. 2.5). Наклон кривой ζ зависит от толщины нити (см. рис. 2.18). Чем тоньше нить, тем меньше значение VT, тем раньше начинается усиление, и тем слабее наклон. Прочность нити (обычно это позолоченный вольфрам) ограничивает практическое значение диаметра величиной 10 мкм, хотя чаще применяют нити несколько большего диаметра (20–50 мкм).
59
Посколькупропорциональная камера регистрирует релятивистские частицы, пробег которых на много порядков превышает толщину камеры, энергетические потери заряженной частицы в объеме камеры пропорциональны удельнымионизационным потерямdE/dx.
V0 – VT
Рис. 2.18. Зависимость коэффициента газового усиления от напряжения для разных диаметров анодной нити
Распределение малых энергетических потерь в тонком поглотителе описывается распределением Ландау, которое в первом приближении дается выражением
|
|
f (λ)= |
1 |
e− |
1 |
(λ+e−λ) |
|
|
|
|
2 |
(2.11) |
|||||
|
|
2π |
|
|||||
|
E − Eвер |
|
|
|
|
, |
||
где λ = |
; ∆Е – фактические потери энергии в поглоти- |
|||||||
ς |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
теле малой толщины, ∆Евер – наиболее вероятные потери в поглотителемалой толщины, ς =(dE /dx) для нерелятивистского случая.
60