spez_fiz_pr_zachita

Максимальное пространственное разрешение, которого можно достичь для дрейфовых камер большой площади, в первую очередь определяется механическими допусками. Для больших камер типичной является величина 200 мкм. В маленьких камерах (10:10 см2) было получено пространственное разрешение в 20 мкм. В последнем случае основными ограничивающими факторами являются временное разрешение электроники и диффузия электронов на их пути к аноду. Определение координат вдоль проволочек можно произвести с помощью катодных подушечек.

Отношение между временем дрейфа и длиной дрейфа в дрейфовой камере большой площади (80:80 см2) с одной анодной проволочкой показано на рис. 8.16 [71]. Камера работала на газовой смеси из 93% аргона и 7% изобутана.

Для камер с небольшим дрейфовым промежутком (порядка 20 мм) разрешающее время составляет 10 нс и точность определения координаты – 50 мкм. Эти основные характеристики примерно на порядок превышают характеристики обычных пропорциональных камер, причем на порядок сокращается число каналов. Это достигается за счет более сложной электроники, что связано с необходимостью измерения времени дрейфа электронов от места их образования до сигнальной проволочки.

Рис. 8.16. Соотношение между временем и длиной дрейфа в большой дрейфовой камере (80:80 см2) с одной анодной проволочкой [71]

В камерах с большими дрейфовыми промежутками поверхность чувствительной области составляет десятки квадратных метров. При увеличении дрейфового промежутка временное и пространственное разрешение ухудшается. Обычно длина дрейфового промежутка

составляет 0,5 м. Временное и пространственное разрешение в больших дрейфовых камерах примерно соответствует характеристикам обычных пропорциональных камер ( 50 нс и 500 мкм).

Дрейфовые камеры значительно уступают обычной пропорциональной камере по времени восстановления (т. е. времени, после которого камера

221

снова способна регистрировать частицы). Это существенно влияет на работу в больших потоках частиц.

Таким образом, обычная пропорциональная камера имеет значительно большее быстродействие. Основная область применения дрейфовых камер –

дрейфовыми промежутками сравнимы по загрузке с обычными пропорциональными камерами, но превосходят их по пространственному и временному разрешению.

В дрейфовой камере большого объема можно добиться образования поля также и путем закрепления положительных ионов на изоляционных поверхностях камеры [11]. В этих камерах изоляционная фольга крепится на катод большой площади, который лицевой стороной направлен к дрейфовому

анодной проволочке, а положительные ионы застрянут на внутренней стороне изоляции катода, тем самым будут выталкивать силовые линии из этой области. Через некоторое время (время зарядки) силовые линии вытянутся параллельно стенкам камеры, то есть будет создана идеальная конфигурация поля для дрейфа (рис. 8.18, б [73, 74]). Если стенки камеры не

222

полностью изолирующие, т. е. их объемное или поверхностное сопротивление сдвинуто, то некоторые силовые линии все же заканчиваются на стенках камеры (рис. 8.18, в). Хотя в этом случае нельзя достичь идеального качества поля, чрезмерная зарядка катодов не наступает, так как стенки камеры обладают определенной проводимостью или прозрачностью для силовых линий, которые позволяют избавиться от избыточных поверхностных зарядов.

Первоначальные трудности с большим временем зарядки ( 1 час), а также проблемы чрезмерной зарядки изоляторов при высоких загрузках можно преодолеть путем соответствующего подбора диэлектриков на катоде [75]. На основе выше указанных принципах были созданы камеры с различной геометрией (прямоугольные и цилиндрические камеры, дрейфовые

трубки и т. д.) и очень большими дрейфовыми пробегами ( 1 м) [76–79]. Принцип электронного дрейфа в дрейфовой камере может

использоваться различными способами. Введение в дрейфовую камеру сетки позволяет отделить чисто дрейфовый объем от области газового усиления.

Подбор подходящих газов и напряжения позволяет добиться очень низких скоростей дрейфа в объеме дрейфовой камеры. В этом случае ионизационную структуру трека заряженной частицы можно выявить с помощью электроники (принцип камеры с временным расширением) [80, 81]. Использование очень маленьких межпроволочных зазоров также делает возможным достижение высоких скоростей счета на единицу площади, так как скорость счета на проволочку в этом случае остается в разумных пределах.

Рис. 8.19. Принцип работы многоступенчатой лавинной камеры [85]

Индукционные дрейфовые камеры [82–84] за счет использования анодных и потенциальных проволочек с маленькими относительными расстояниями также имеют высокое пространственное разрешение. Образование электронной лавины на аноде индуцирует зарядовые сигналы на соседних следящих электродах (пикапах), что одновременно позволяет определить угол влета частицы, а также разрешить право-левостороннюю неоднозначность. В индукционных дрейфовых камерах зазор между анодами

223

маленький, так что они могут с успехом применяться в экспериментах с высокими уровнями загрузок, в частности для исследования электронпротонных взаимодействий в накопительном кольце при высоких частотах повторения (например, на HERA). Ha таких камерах загрузки могут достигать до 106 Гц на 1 мм2.

Конечное время дрейфа можно также с успехом использовать для того, чтобы решить, представляет или нет интерес событие в детекторе. Это преимущество может быть реализовано, например, в многоступенчатой лавинной камере. На рис. 8.19 показан принцип ее работы [85].

Детектор состоит из двух многопроволочных пропорциональных камер, газовое усиление в которых сравнительно невелико ( 103). Все частицы, попадающие в детектор, дадут относительно небольшие сигналы в обеих пропорциональных камерах. Электроны из лавины в первой камере могут переместиться с определенной степенью вероятности в область дрейфа, расположенную между камерами. В зависимости от ширины дрейфового пространства электронам потребуется несколько сот наносекунд для того, чтобы попасть во вторую камеру.

Конец дрейфового пространства задается проволочной сеткой, которая отпирается импульсом напряжения в том случае, если внешняя логика подсказывает, что наблюдается интересное событие. В этом случае число дрейфующих электронов вновь возрастет в 103 раз, так что газовое усиление

во второй камере составит 106 3, где 3 – средняя вероятность переноса

электрона из первой камеры в дрейфовое пространство между камерами. Если значение 3 достаточно велико (например, больше 0,1), сигнал во второй

камере будет достаточно большим для того, чтобы запустить ее считывающую электронику. Однако подобные «газовые задержки» в настоящее время реализуются, в основном, в чисто электронных схемах задержки.

8.4. Цилиндрические проволочные камеры

Для экспериментов на накопительных кольцах были разработаны цилиндрические детекторы, которые удовлетворяют требованию

максимального телесного угла (так называемые 4 -детекторы). В самых первых экспериментах использовались цилиндрические искровые камеры с большим числом зазоров [86] и многопроволочные пропорциональные камеры. Однако в последнее время в экспериментах по измерению траекторий частиц и определению удельной ионизации заряженных частиц используются практически только дрейфовые камеры.

Существует несколько типов таких детекторов: цилиндрические дрейфовые камеры, в которых слои проволочек образуют цилиндрическую поверхность; струйные камеры, в которых дрейфовое пространство сегментировано в азимутальном направлении, и времяпроекционные камеры (ВПК), чувствительный объем которых практически свободен от каких-либо

224

материалов (за исключением рабочего газа) и где информация о траекториях частиц передается на торцевые детекторы.

Цилиндрические дрейфовые камеры, работающие в магнитном поле, позволяют определять импульсы заряженных частиц. Поперечный импульс p (в ГэВ/c) заряженных частиц вычисляется по величине аксиального

8.4.1. Цилиндрические пропорциональные и дрейфовые камеры

Для экспериментов на накопительных кольцах, где часто используются соленоидальные магнитные поля ( Br B9 0, Bz 7 0 в цилиндрических

координатах; поле направлено вдоль оси z ), применяются цилиндрические дрейфовые камеры. С помощью таких детекторов измеряют направление и кривизну треков частиц, выходящих из точки взаимодействия.

Рис. 8.20. Схематическое изображение цилиндрической дрейфовой камеры. На рисунке показан вид камеры перпендикулярно проволочкам [11]

Принцип устройства цилиндрической дрейфовой камеры показан на рис. 8.20. Все проволочки натянуты вдоль направления магнитного поля (вдоль оси z ). Слои анодных проволочек чередуются со слоями потенциальных проволочек. В цилиндрических дрейфовых камерах потенциальная проволочка натянута между двумя анодными. Два соседних слоя анодных проволочек разделены цилиндрическим слоем потенциальных. При самой простой конфигурации индивидуальные дрейфовые ячейки являются трапецеидальными там, где 8 потенциальных проволочек формируют границы ячейки. Помимо трапецеидальной используются и другие геометрии дрейфовых ячеек [11, 12].

В так называемых открытых трапецеидальных ячейках на плоскостях потенциальных проволочек пропускается каждая вторая из них (рис. 8.21). Качество поля может быть улучшено путем использования закрытых ячеек (рис. 8.22). Но при этом число проволочек увеличивается. Компромиссным

225

вариантом по отношению к вышеупомянутым конфигурациям дрейфовых ячеек является их гексагональная структура (рис. 8.23).

При всех этих конфигурациях потенциальные проволочки имеют больший диаметр ( Θ 100 мкм) по сравнению с анодными проволочками

( Θ 30 мкм).

Рис. 8.21. Геометрия открытой дрейфовой ячейки – а; силовые линии в открытой дрейфовой ячейке – б [11]

Все проволочки натянуты между двумя торцевыми фланцами, которые должны принимать на себя все натяжение проволок. У больших цилиндрических проволочных камер с несколькими тысячами анодных и потенциальных проволочек это натяжение может достигать нескольких тонн.

Рис. 8.22. Геометрия закрытой дрейфовой ячейки – а; силовые линии в закрытой дрейфовой ячейке – б [11]

226

Конфигурации, описанные до сих пор, не позволяют определять координату вдоль проволочки. Так как в данной конфигурации сегментировать катодные проволочки невозможно, были придуманы другие способы определения требуемой координаты.

Рис. 8.23. Геометрия гексагональной дрейфовой ячейки – а: силовые линии гексагональной дрейфовой ячейки – б [11]

Один из методов определения z - координаты заключается в измерении токовых сигналов I1 и I2 на концах каждой анодной проволочки [87, 88].

Соотношение (I1 I2 ) /(I1 I2 ) определяет положение лавины и тем самым

точку прохождения частицы (метод деления заряда). Можно также измерить время распространения сигналов по анодным проволочкам на обоих концах. Метод деления заряда позволяет добиваться точности измерения координаты порядка 1% от длины проволочки. Такую же точность можно получить, если использовать быстродействующую электронику в методе «времени распространения».

Другой метод измерения положения лавины вдоль чувствительной проволочки основан на использовании в качестве линий задержки спиральных проволочек диаметром меньше 2 мм, натянутых параллельно чувствительной проволочке [89]. Этот метод, который представляется достаточно сложным с механической точки зрения для больших систем детекторов, позволяет делать измерения с точностью до 0,1% вдоль проволочек. Если линия задержки расположена между двумя близко расположенными проволочками, тогда удается избавиться и от левоправосторонней неоднозначности. Более сложное считывание с линий задержки позволяет достичь еще более высоких пространственных разрешений [90, 91].

227

Однако существует и четвертый способ определения z -координаты вдоль проволочки. В этом случае некоторые анодные проволочки натянуты не строго параллельно оси, а наклонены на небольшой угол к ней (так

называемые «стереопроволочки»). Пространственное разрешение r,9 ,

измеренное перпендикулярно анодным проволочкам, затем пересчитывается в разрешение z вдоль анодной проволочки в соответствии со следующим

анодной проволочки порядка z 3 мм, если стереоугол составляет 4°. В этом случае

разрешение no z не зависит от длины проволочки. Величина стереоугла ограничивается максимально допустимым поперечным размером ячейки. Цилиндрические дрейфовые камеры со стереопроволочками также известны как гиперболические камеры, потому что наклоненные стереопроволочки имеют гиперболический прогиб относительно аксиальных анодных проволочек.

Во всех типах камер, где поле дрейфа перпендикулярно магнитному полю, нужно уделять особое внимание воздействию силы Лоренца на электроны. Дело в том, что электроны, дрейфующие в электрическом поле, отклоняются под действием силы Лоренца в направлении 9 , что вносит

ошибку. Эта ошибка мала, если путь дрейфа мал ( 10 мм).

а) б)

Рис. 8.25. Траектории дрейфа электронов в открытой прямоугольной дрейфовой ячейке: а) без магнитного поля; б) с магнитным полем [92, 93]

На рис. 8.25 изображены траектории дрейфа электронов в открытой прямоугольной дрейфовой ячейке с применением аксиального магнитного поля и без него [92, 93]. На рис. 8.26 показана ( r,9 ) проекция

228

восстановленных треков частиц при электрон-позитронном взаимодействии (PLUTO) в цилиндрической многопроволочной пропорциональной камере [94].

На рис. 8.26, а видна четко выраженная двухструйная структура в процессе e e qq (рождение кварк-антикварковой пары в e e аннигиляции).

Рис. 8.26. Многотрековые события электрон-позитронного взаимодействия, измеренные в центральном детекторе PLUTO

На рис. 8.26, б показано особенно интересное с эстетической точки зрения событие электрон-позитронной аннигиляции. Восстановление трека в этом случае было выполнено только с помощью сработавших анодных проволочек и катодных полосок без использования информации о времени дрейфа (см. раздел 8.2). Пространственные разрешения, полученные таким способом, не могут, конечно, сравниться с теми, которые можно получить в дрейфовой камере.

Рис. 8.27. Цилиндрическая конфигурация тонкостенных соломенно-трубчатых камер

[95, 96]

Цилиндрические многопроволочные пропорциональные камеры могут быть также сконструированы из слоев так называемых «соломенных» камер (рис. 8.27) [95–98]. Такие соломенно-трубчатые камеры очень часто используются в качестве вершинных детекторов в экспериментах на накопительных кольцах [99, 100]. Конструкция этих камер позволяет до

229

минимума снизить риск обрыва проволочек. В цилиндрических камерах обычной конструкции обрыв одной единственной проволочки может сделать нечувствительными большие области детектора [101]. Напротив, в соломенно-трубчатых камерах ущерб наносится только элементу с оборванной проволочкой.

Рис. 8.28. Схематическое изображение многопроволочного дрейфового модуля. В этой гексагональной структуре каждая анодная проволочка окружена шестью потенциальными. В одном контейнере диаметром 30 мм, изготовленном из материала на основе углеродистого волокна, размещено семьдесят дрейфовых ячеек [11]

Соломенно-трубчатые камеры изготовляются из тонкой алюминизированной майларовой фольги. Диаметр соломенных трубочек составляет от 5 до 10 мм, и они часто работают при повышенном давлении. Такие детекторы позволяют добиться пространственного разрешения в 30 мкм.

Из-за своего маленького размера эти камеры могут использоваться в экспериментах с высокими загрузками [102]. Из-за малой величины дрейфа электронов такие камеры могут также использоваться при больших

конфигурации с высоким пространственным разрешением.

Рис. 8.29. Вычисленное электрическое поле и эквипотенциальные линии в одной индивидуальной гексагональной ячейке многопроволочного дрейфового модуля [11]

В приведенном примере 70 дрейфовых ячеек размещены в гексагональной структуре с диаметром лишь 30 мм. На рис. 8.29 показана структура электрического поля и эквипотенциальные линии индивидуальной

230