spez_fiz_pr_zachita

Поскольку многопроволочные пропорциональные камеры [11, 25–28] по сути дела представляют собой плоский слой пропорциональных счетчиков без разделяющих стенок (см. рис. 8.3), то форма электрического поля при этом несколько отличается от соответствующей стандартной цилиндрической формы, присущей обычным пропорциональным счетчикам [29–32]. Конфигурация электрического поля в пропорциональной камере представлена на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Силовые линии поля в пропорциональной камере с а) пятью [11] и б) тремя проволочками (показаны также эквипотенциали [31])

Образование лавины в многопроволочной пропорциональной камере происходит точно так же, как и в пропорциональных счетчиках. Основной вклад в импульс, возникающий в процессе образования лавины на анодной проволочке, как и в случае пропорционального счетчика, вносится ионами лавины. Этот импульс состоит из нескольких коротких импульсов, каждый из которых вызван отдельной лавиной. Лавины инициируются группами электронов, образовавшимися в процессе первичной ионизации, и эти группы одна за другой дрейфуют в область высокой напряженности поля вблизи анодных проволочек. Временной ход формирования лавины вблизи анодных проволочек показан на рис. 8.5 и 8.6.

Так как для каждой анодной проволочки заряд рождается в непосредственной близости от нее, то сигнал преимущественно исходит от положительных ионов, медленно дрейфующих в сторону катода (см. 3.38). Временная структура анодного импульса может быть получена с помощью осциллографа с высоким временным разрешением или быстрым аналоговоцифровым преобразователем (импульсный АЦП). Определено, что импульсы

211

от отдельных лавин имеют время нарастания около 0,1 нс, а время спада определяется постоянной времени дифференцирующей цепочки RC .

Рассмотрим более подробно процесс развития во времени лавины в многопроволочной пропорциональной камере (см. рис. 8.5 и 8.6 [11, 29]).

Первичный электрон дрейфует к аноду (рис. 8.6, а), в сильном электрическом поле вблизи проволочки электрон ускоряется, так что между

положительных ионов уменьшит внешнее электрическое поле до значения ниже критического.

После рождения носителей заряда облака электронов и ионов начинают дрейфовать в разные стороны (рис. 8.6, в). Облако электронов дрейфует в направлении анодной проволочки и несколько расширяется из-за боковой диффузии. В зависимости от направления влета первичных электронов вокруг проволочки образуется несколько асимметричное распределение

которой влетел электрон (см. рис. 8.5 и 8.6, г). На последнем этапе ионное облако медленно удаляется от проволочки по направлению к катоду (рис. 8.6, д).

Что касается механической конструкции пропорциональной камеры, то необходимо соблюдать следующее правило: диаметр анодной проволочки

212

должен составлять около 1% от расстояния между проволочками (например, 20 мкм для 2 мм) для достижения напряженности электрического поля, достаточной для газового усиления.

В большинстве случаев в качестве анодов используются тонкие проволочки из позолоченного вольфрама диаметром от 10 до 30 мкм. Типичное расстояние между анодными проволочками составляет 2 мм. Катодные плоскости – это натянутые проволочки или металлические фольги. Расстояние по высоте между анодной проволочкой и катодом составляет порядка 10 мм. Отдельные анодные проволочки, как уже отмечалось выше, выступают в роли независимых детекторов.

Одна из главных проблем больших камер – это механическая нестабильность анодных проволочек из-за электростатического отталкивания. Расчет этого эффекта показывает, что проволочки устойчивы, если натяжение T превышает граничное значение T0 , которое задается

геометрическими размерами камеры и разностью потенциалов U между анодом и катодом [12]:

ri

где ra – радиус катода.

В многопроволочных пропорциональных камерах соответствующая емкость может быть приблизительно найдена по формуле [35]

равное 0,49 Н, которое соответствует натяжению проволочки гирей с массой около 50 г.

Более длинные проволочки нужно натягивать с большей силой или, если они не могут выдерживать большее натяжение, их нужно поддерживать на фиксированном расстоянии. Однако это приводит к созданию локальных неэффективных зон.

Для надежной работы многопроволочных пропорциональных камер важно также, чтобы проволочки не прогибались из-за собственной массы [36]. Прогиб анодной проволочки уменьшает расстояние от анода до катода и тем самым ухудшает однородность электрического поля.

Гравитационный прогиб горизонтально расположенной проволочки длиной l , натянутой с натяжением T , может быть найден [37] из следующего соотношения:

ускорение свободного падения, T – натяжение проволочки (в Н).

Используя приведенный выше пример с позолоченной вольфрамовой

значительно однородность поля при расстоянии между анодом и катодом равном 10 мм.

Впоследнее время вместо классических анодных проволочек используют трубчатые (например, майларовые трубочки с тонким алюминиевым покрытием), гравитационный прогиб которых значительно меньше.

Вкачестве рабочего газа могут использоваться все газы и газовые смеси, которые обычно используются в пропорциональных счетчиках: инертные

газы типа Ar , Xe с примесью CO2 , CH4 , изобутан и другие

углеводороды [38–40]. Для многопроволочных пропорциональных камер типичным является газовое усиление 105.

В большинстве камер не используется возможность обработки аналоговой информации, снимаемой с проволочек. Вместо этого устанавливаются только пороги для измеряемых сигналов. В таком режиме работы многопроволочные пропорциональные камеры используются лишь в качестве трековых детекторов. При расстоянии между анодными

Многопроволочные пропорциональные камеры дают сравнительно низкое пространственное разрешение (~ 600 мкм). Они также позволяют определить только значение координаты, перпендикулярной проволочкам, но

214

не вдоль них. Можно добиться улучшения в работе данных камер путем разбивки катода на сегментные участки и измерения сигналов от катодных сегментов. Катод можно, например, собрать из параллельных полосок,

прямоугольных подушечек (мозаичный счетчик) или слоя проволочек (рис. 8.7).

Таким образом, становится возможным кроме анодных сигналов регистрировать и сигналы на катодных полосках. Координата вдоль

50 мкм. Если речь идет о множественных треках, то необходимо разбить на сегментные участки и второй катод, чтобы избежать неоднозначности в определении координат треков.

На рис. 8.8 изображен пролет двух частиц через многопроволочную пропорциональную камеру. При сегментировании только одного из катодов информация, считанная с анодных проволочек и катодных полосок, позволяет восстановить 4 возможных координаты треков, две из которых, однако, будут мнимыми. Их можно исключить с помощью сигналов, поступающих с плоскости второго сегментированного катода. Большее число возникающих треков можно с успехом восстановить, если вместо катодных полосок использовать катодные подушечки,

Устройство многопроволочных пропорциональных камер можно упростить, a их стабильность и гибкость значительно увеличить, если создать аноды в форме полосок или точек на диэлектрических поверхностях вместо

215

того, чтобы натягивать анодные проволочки в объеме счетчика. Если использовать анодные полоски на диэлектриках, то это окажет влияние на качество поля в пропорциональной камере из-за прилипания положительного иона к поверхности диэлектрика. Тем не менее, детекторы с анодной структурой на изоляционных или полупроводниковых поверхностях находят успешное применение [41–52]. Следует отметить, что прилипание положительных ионов к диэлектрическим поверхностям можно иногда использовать для улучшения качества поля в некоторых типах камер.

Камеры подобной конструкции, построенные до настоящего времени, имеют сравнительно маленькие размеры.

Такие микрополосковые газовые детекторы представляют собой миниатюрные многопроволочные пропорциональные камеры, размеры которых примерно в десять раз меньше по сравнению со стандартными камерами (рис. 8.9). Это стало возможным благодаря тому, что с помощью электронной литографии значительно уменьшены электродные структуры. Проволочки заменяются на полоски, которые путем напыления наносятся на тонкий материал. Размещение катодных полосок между анодными полосками позволяет добиться улучшения конфигурации поля. Сегментация плоских катодов в форме полосок или пикселей [47, 53] делает также возможным и двухмерное считывание. Вместо закрепления электродных структур на

зарядкой изоляционных пластиковых структур и, как следствие, изменением

электрического поля, что может привести к меняющемуся со временем газовому усилению [54-59].

Очевидное преимущество таких микрополосковых детекторов, помимо превосходного пространственного разрешения, заключается в малом мертвом времени (положительные ионы после рождения в лавине дрейфуют на очень короткие расстояния до катодных полосок вблизи анодов), повышенной радиационной стойкости (из-за меньшей чувствительной области на элемент считывания) и большей счетной способности.

Микрополосковые газовые камеры могут с успехом использоваться в качестве трековых детекторов на высокопроизводительных ускорителях

типа LHC (большой адронный коллайдер) и на фабриках частиц [60, 61].

216

Микрополосковые пропорциональные камеры могут также работать в дрейфовом режиме.

Камера с микрозазорами – это пропорциональный газовый счетчик, построенный с использованием микроэлектронных технологий. Благодаря своей конструкции такая камера оказывается чувствительной к положению в ней частицы [62]. В данном детекторе расстояние между электродами, собирающими заряды лавины (анод-катодный зазор), составляет лишь несколько микрон. Поэтому время сбора положительных ионов очень мало ( 10 нс), что позволяет добиться чрезвычайно высокой скорости счета ( 107 событий/(мм с)).

Проволочные камеры и в особенности многопроволочные пропорциональные камеры до сих пор находят очень широкую сферу применения не только в физике элементарных частиц [60, 61, 63–65], но и в других областях, например, медицине [66].

8.3. Плоские дрейфовые камеры

Другой тип детекторов – это дрейфовая камера, в которой координата частицы определяется по времени дрейфа электронов в однородном электрическом поле от места образования до сигнальной проволочки пропорционального детектора. После прохождения ионизирующей частицы

прохождением частицы и началом нарастания переднего фронта анодного импульса с расстоянием между точкой первичной ионизации и анодной проволочкой [11]. Эта разница во времени t в основном определяется

временем дрейфа электронов от момента первичной ионизации при t t0 до момента времени t1 , когда они достигают области высокой напряженности

поля вблизи анодной проволочки и инициируют образование лавины. Момент прохождения частицы через камеру определяют либо с

помощью внешнего детектора, либо по сигналу синхронизации с источником излучения, либо по сцинтилляционному сигналу, возникающему в газе, заполняющем камеру.

217

В последнем случае время дрейфа определяется как время между сцинтилляционными импульсами, регистрируемыми ФЭУ; один импульс возникает в момент прохождения частицы, второй – в момент окончания дрейфа (в результате электролюминесценции в электрическом поле вблизи сигнальной нити).

Рис. 8.11. Силовые линии в многопроволочной дрейфовой камере (а) и эквипотенциальные и силовые линии в ячейке многопроволочной дрейфовой камеры (б) [29, 67]

Координату x места прохождения частицы (рис. 8.10) относительно анодной проволочки можно найти из следующего выражения

t0

где v (t) – переменная скорость дрейфа.

Желательно чтобы скорость дрейфа v была постоянной во всей

дрейфовой области. Если v – постоянная скорость дрейфа электронов, то для дрейфового пути x будем иметь следующую простую зависимость:

Постоянство дрейфовой скорости v можно достичь, поддерживая постоянной напряженность электрического поля на пути дрейфа электронов. В обычной пропорциональной камере с параллельными анодными проволочками это невозможно из-за области нулевого поля между двумя

218

соседними анодными проволочками (см. рис. 8.4). Только вводя потенциальную проволочку под отрицательным потенциалом между двумя анодными проволочками (рис. 8.11), которые находятся под положительным потенциалом, можно в первом приближении получить линейное соотношение между временем дрейфа и длиной дрейфа (см. 8.7) [68]. Полная линейность соотношения (8.7) может быть достигнута при условии, что электрическое поле будет постоянным во всем дрейфовом пространстве. Эта цель достигается выбором конфигурации электродов.

Рис. 8.12. Формирование поля в большой дрейфовой камере

Первая дрейфовая камера была изготовлена в 1969 г. На рис. 8.12 показана дрейфовая ячейка большой дрейфовой камеры [69–71], которая имеет одну анодную проволочку в центре под положительным потенциалом и две потенциальные проволочки под отрицательным потенциалом на концах ячейки, которые запирают ячейку. Роль корректирующих проволочек (катодных полосок), находящихся в двух параллельных плоскостях выше и ниже анодной проволочки, заключается в создании постоянной напряженности электрического поля в области ячейки при больших объемах дрейфа.

Для этой цели потенциал между анодной проволочкой и потенциальными проволочками на концах камеры изменяется линейно от нуля (в области анодной проволочки) до отрицательного потенциала (на концах ячейки) с помощью катодных полосок, подсоединенных к цепочке

пространственное разрешение. Обычно можно добиться обоих указанных

219

пространственное разрешение вносят вклад не только временное разрешение электроники, но и диффузия дрейфующих электронов, а также флуктуации в статистике первичного ионизирующего процесса. Последний процесс вносит наибольший вклад вблизи анодной проволочки (см. рис. 8.13 [29, 72]).

Рис. 8.14. Схематическое изображение различных путей дрейфа «ближних» и «удаленных» треков частиц для объяснения зависимости пространственного разрешения от флуктуаций первичной ионизации [11]

Необходимо заметить, что электрон-ионные пары возникают случайным образом вдоль трека ионизирующей частицы. Ближайшая к анодной

проволочке электрон-ионная пара может появиться не обязательно на

прямой линии, соединяющей анод и потенциальную проволочку, даже если траектория частицы будет перпендикулярна оси камеры. Пространственные флуктуации места рождения зарядов приводят к большой разнице в путях дрейфа

частиц, находящихся вблизи анодной проволочки. Однако они оказывают лишь несущественное воздействие на удаленные треки частиц (см. рис. 8.14).

Естественно, что измерение времени не дает ответа на вопрос, с какой именно стороны частицы пришли на анод: с правой или с левой. Двойной слой дрейфовых ячеек, в котором слои расположены в шахматном порядке [11] (сдвинуты на половину ширины ячейки), помогает устранить эту праволевую неоднозначность (см. рис. 8.15).

220