Григорев Газоразрядные детекторы елементарных частиц 2012

Управляющая сетка

Катодная сетка

Анодные нити

Катодная плоскость с пэдами

Рис. 2.38. Схематическое изображение пэдовой пропорциональной камеры

Обычно на торцах камеры устанавливается многопроволочная пропорциональная камера (пример конструкции такой камеры приведен на рис. 2.38), разбитая конструктивно на некоторое количество секторов. В частности, во время-проекционной камере ALICE на каждом торце расположено 18 секторов, причем каждый из секторов состоит из двух частей, как это показано на рис. 2.39. Катодная плоскость разбита на отдельные пэды, второй, симметрично расположенный катод – это сетка, хорошо проницаемая для электронов, дрейфующих сверху. Дополнительным элементом является управляющая сетка, позволяющая как запрещать регистрацию нежелательных событий, так и очищать объем камеры от ионов, образовавшихся вокруг нити с тем, чтобы в камере не накапливался объемный заряд. Оптимальный размер пэдов равен примерно расстоянию анодная плоскость – катодная плоскость. Во времяпроекционной камере ALICE в общей сложности насчитывается 557568 пэдов, что, разумеется, требует адекватного количества каналов считывающей электроники. Исходя из специфических требований эксперимента и большого дрейфового расстояния, пространственное разрешение прибора довольно скромное: 0,7 мм в плоскости пропорциональных камер и около 1 мм по дрейфу.

В камерах меньшего размера разрешение по х,у координатам было достигнуто около 200 мкм. Разрешение по координате z обычно несколько хуже и составляет 400÷500 мкм.

83

событий наложатся друг на друга, и друга, и разобраться в них будет невозможно. Поэтому среднее количество регистрируемых событий в единицу времени должно быть по крайней мере на два порядка меньше величины, обратной максимальному времени дрейфа.

Кроме того, при больших размерах камеры число анодных проволочек достигает значения нескольких тысяч, а число пэдов – нескольких десятков тысяч и более, что требует очень большого количества регистрирующей электроники и применения специальных процессоров предварительного анализа и подавления считывания каналов с нулевыми сигналами.

Так или иначе, время-проекционная камера на сегодняшний день является самым совершенным прибором в физике высоких энергий и широко применяется в уже идущих и планируемых экспериментах.

Большой объем время-проекционной камеры требует не только тщательной калибровки по всему объему, но и особого приема калибровки. Обычно калибровка осуществляется с помощью ультрафиолетового лазера с очень узким пучком света. Такой лазер ионизует газ камеры на луче света, причем первоначальный луч лазера расщепляется на большое количество вторичных лучей, образующих ионизационные треки по различным направлениям внутри камеры, обеспечивая тем самым калибровку в различных точках камеры, охватывающих в сумме весь внутренний объем.

Рис. 2.40. Пример регистрации одновременного рождения большого количества частиц во время-проекционной камере ALICE

85

Глава 3. МИКРОСТРУКТУРНЫЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Описанные выше приборы, такие как пропорциональная, дрейфовая и время-проекционная камеры из-за своей сложности, точности изготовления отдельных деталей и тому подобное требуют применения самых новейших технологий и не могут быть изготовлены без участия передовых промышленных производств. Микроструктурные детекторы [26] тоже требуют применения передовой технологии, а именно фотолитографического метода изготовления электродных структур. Благодаря применению фотолитографии удалось резко уменьшить размеры электродов и создать новые, прежде недоступные приборы с характеристиками (прежде всего это касается пространственного разрешения), заметно превосходящими характеристики приборов, описанных в предыдущем разделе. Вместе с тем следует подчеркнуть, что в основном они не конкурируют друг с другом, а являются своеобразным дополнением со своим специфическим применением.

3.1. Микростриповая газовая камера

Устройство микростриповой газовой камеры показано на рис.3.1 [27]. Из рисунка видно, что аноды и катоды расположены в одной плоскости и представляют собой металлические полоски (напыленные или вытравленные из сплошного покрытия) очень малой толщины порядка 300 – 1000 нм. Практически весь объем камеры – это дрейфовый промежуток. Электроны ионизации, образованные на треке частицы, дрейфуют к плоскости анод – катод, попадают в область сильного поля между анодом и катодом, где и происходит процесс газового усиления. Таким образом, ударная ионизация и размножение носителей происходит практически над поверхностью подложки. На рис.3.2 показана структура анодных и катодных полосок и линии поля в непосредственной области анод – катод. Быстрый сбор ионов на близлежащий катод заметно увеличивает среднюю загрузку (скорость счета) камер.

86

Рис. 3.1. Устройство микростриповой газовой камеры: С – катод, А – анод (0 В)

Подложка камеры может быть как изолирующей, так и слабопроводящей. Для изолирующих подложек важен выбор потенциала нижнего электрода (см. рис. 3.1). Если он близок к потенциалу катода, то усиливает размножающее поле, но при этом часть силовых линий между анодом и катодом утыкается в подложку межэлектродного промежутка. Это приводит к тому, что часть ионов попадает на подложку и прилипает к ее поверхности, создавая тем самым объемный заряд в промежутке анод – катод.

Величина равновесного потенциала зависит от скорости счета камеры, и работа камеры при больших загрузках становится неустойчивой – коэффициент усиления начинает зависеть от загрузки. При потенциале заднего электрода, близком к потенциалу анода, проблема объемного заряда заметно уменьшается, но не исчезает совсем. Более радикальным решением является применение высокоомной слабопроводящей подложки из специального стекла с удельным сопротивлением 109 – 1012 Ом·см. Камеры на основе таких стекол позволяют достичь больших загрузок (до 106 на 1 мм2) при высокой долговременной стабильности. Однако такое стекло достаточно дорого в производстве.

87

Рис. 3.2. Структура анодных и катодных полосок (стрипов) и линии поля в пространстве анод – катод

Потенциалы электродов, включая нижний (за подложкой), подбираются исходя из ширины дрейфового промежутка, необходимого коэффициента усиления и т.п. В частности, нижний электрод может находиться под нулевым потенциалом, что удобно, если он тоже разбит на стрипы, как это показано на рис. 3.3.

Следует подчеркнуть, что такая камера работает в режиме пропорционального усиления и обеспечивает хорошее энергетическое разрешение. Если нижний электрод камеры разбит на стрипы, благодаря индуцированному на них сигналу можно получить трехмерное считывание информации (см. рис. 3.3)[27].

Недостатком таких камер является пробой газового промежутка при регистрации частиц с удельной потерей энергии dE/dx, на несколько порядков превышающих удельные потери энергии релятивистских частиц [27].

88

Пространственное разрешение таких камер сильно зависит от угла наклона траектории частицы (рис.3.4) из-за большой разницы между величиной дрейфового промежутка и шагом анод-катод.

Тангенс угла наклона

Рис. 3.4. Зависимость пространственного разрешения микростриповой камеры от тангенса угла наклона частицы по отношению к нормали. Три значения σ (кружки, треугольники и квадраты соответственно) относятся к трем конструктивно идентичным камерам

Тем не менее, в настоящее время микростриповые камеры достаточно широко применяются в экспериментах как в физике высоких энергий, так и в радиомедицине, позволяя получить рентгеновское изображение внутренних органов с хорошим разрешением при гораздо меньшей дозовой нагрузке на пациента.

3.2.Микромегас

Вфизике газового разряда существует так называемый предел Ретера, согласно которому максимальный коэффициент усиления

вплоскопараллельной геометрии ограничен количеством электронов, образующихся в лавине (107 – 108 электронов). При достиже-

90