ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 41-46
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ДРЕЙФОВОЙ ТРУБКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТРЕКОВОГО ДЕТЕКТОРА С ВЫСОКОЙ ЗАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ
© 2014 г. Н. А. Кучинский, В. А. Баранов, В. Н. Дугинов, Ф. Е. Зязюля*, А. С. Коренченко, А. О. Колесников, Н. П. Кравчук, С. А. Мовчан, А. И. Руденко, В. С. Смирнов, Н. В. Хомутов, В. А. Чеховский*
Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 E-mail: kuchincki@jinr.ru *Национальный научно-учебный центр физики частиц и высоких энергий Белорусского государственного университета Беларусь, 220040, Минск, ул. М. Богдановича, 153 Поступила в редакцию 03.10.2013 г.
Обсуждается актуальная проблема повышения загрузочной способности трековых детекторов на основе тонкостенных дрейфовых строу-трубок. Предлагается новый способ организации строу-де-текторов, основанный на применении методики катодного считывания с сегментированного катода (в объеме одной строу-трубки реализуется несколько условно независимых детекторов), и соответственно уровню сегментации снижается и уровень загрузки. Описана технология изготовления строу-трубок с сегментированным катодом и приведены результаты испытаний.
DOI: 10.7868/S0032816214040077
ВВЕДЕНИЕ
Детекторы на основе тонкостенных дрейфовых трубок (строу) диаметром от 4 до 10 мм широко используются в настоящее время как координатные детекторы, например, в таких экспериментах как SDC, ATLAS, COMPASS [1-3]. Эти детекторы обладают рядом преимуществ: высоким координатным разрешением (по времени дрейфа) порядка 100 мкм, эффективностью реконструкции треков, близкой к 100%, загрузочной способностью порядка 500 кГц на канал регистрации, простотой конструкции и соответственно более низкой стоимостью. Кроме того, цилиндрическая геометрия трубки обеспечивает хорошие ее механические свойства при малой массе. Каждая
трубка является самодостаточной и при отказе одной из них работа остальных не нарушается.
Количество используемых в экспериментах трубок обычно велико и, например, в эксперименте ATLAS TRT, оно достигает около 300000 штук [4]. При этом длина их может достигать почти четырех метров [5].
В настоящее время в связи с ростом интенсивности современных ускорителей остро ставится вопрос о повышении загрузочной способности отдельных детекторов, что достигается либо увеличением их быстродействия, либо уменьшением их размеров. Это относится и к строу-трубкам, где вопрос уменьшения загрузки на канал регистрации решается обычно уменьшением диаметра трубки. Другой подход, предложенный в работе
(a)
32 мм
(б) 1 2 3 4 5 6
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0 60 120 180 240 300 мм
Рис. 1. Развертка поверхности строу-трубки с двумя (а) и шестью (б) катодными сегментами.
Рис. 2. Блок-схема установки для исследования параметров строу-трубки. 1 — 908г; 2 — щелевой коллиматор (1 мм); 3 — анод строу-трубки (Б = 30 мкм); 4 — катодные усилители; 5 — анодный усилитель; 6 — усилитель 81РМ; 7 — дискриминатор; 8 — сцинтиллятор 2 х 2 х 5 мм; 9 — 81РМ; 10 — щелевой коллиматор (1 х х 5 мм); У1720 — оцифровыватель сигналов в режиме реального времени.
[6], заключается в электрическом разделении анодной проволочки на части и индивидуальном считывании каждой из них. Такое решение было предложено и реализовано в детекторе TRT [4] эксперимента ATLAS на установке LHC, где анодная проволочка строу-трубки делилась на два электрически независимых отрезка с помощью стеклянного изолятора длиной около 7 мм и диаметром 0.25 мм. Это позволило в объеме одной строу-трубки иметь два независимых детектора, которые считываются с ее торцов, и снизить загрузку канала регистрации в 2 раза.
В работах [7, 8] эта идея была развита. Разработаны строу-трубки с разделением анодной проволочки на электрически изолированные отрезки с независимым считыванием сигнала и подачей высокого напряжения через стенку трубки с помощью специально сконструированных спейсе-ров. При этом длина такого анодного отрезка может быть доведена до нескольких сантиметров [9]. Необходимо отметить, что при таком способе увеличения загрузочной способности строу-детектора теряется одно из основных его преимуществ — "прозрачность" — из-за большого количества вносимого вещества. Кроме того снижается эффективность регистрации строу-трубки в области спейсеров.
В данной работе предложен и испытан новый способ повышения загрузочной способности строу-детекторов, основанный на применении к строу-трубкам методики катодного считывания, широко используемого для газоразрядных детекторов.
мВ 800 700 600 500 400 300 200 100
900 800 700 600 500 400 300 200 100
(а)
_|_I_I_I_I_L
(б)
2
_1_
1000
2000 нс
3000
4000
Рис. 3. Примеры формы сигналов с соседних катодов (1 и 2) для трубки с двумя катодными сегментами (рис.1а): а — в зоне электрического разделения катодов; б — в центре одного из катодов.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Задачу увеличения загрузочной способности строу-трубки предлагается решать путем разделения ее катодной поверхности на электрически изолированные сегменты. При этом сигнал от лавины на анодной проволочке наводится на один или несколько катодных сегментов в зависимости от диаметра трубки, длины сегмента и места лавины относительно линии электрического разделе-
Эффективность регистрации 1.0
0
100 120
200
мм
Рис. 4. Эффективность регистрации для трубки с двумя катодными сегментами (рис. 1а) в зависимости от положения коллимированного радиоактивного источника 908г вдоль оси строу-трубки. Порог дискриминации сигналов 30 мВ.
1
2
1
0
Эффективность регистрации 1.0 h
Эффективность регистрации 1.0
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
0
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
20 40
60
80
100 4
120
60 80 100 120 140 160 200
мм
Рис. 5. Эффективность регистрации катодных сегментов 1—4 для строу-трубки с шестью сегментами (рис. 1б) в зависимости от положения коллимирован-ного радиоактивного источника 90Sr вдоль оси строу-трубки. Порог дискриминации сигналов 50 мВ.
ния последних. Таким образом, в объеме одной строу-трубки реализуется несколько условно независимых детекторов. Информация с катодных сегментов используется как для определения радиальной координаты трека частицы по времени дрейфа первичной ионизации, так и для локализации пространственного положения трека вдоль строу-трубки по номеру сработавшего катодного сегмента.
Применение данного способа позволяет организовать в рабочем объеме одной трубки независимые по съему информации "элементарные детекторы", что, в свою очередь, позволяет обеспечить высокую загрузочную способность строу-трубки в целом. Нет необходимости уменьшать диаметр трубок до минимально возможных значений при создании строу-детектора для больших загрузок или делить анодную проволочку на части, что вызывает технологические и конструк-
250 мВ
Рис. 6. Эффективность регистрации для одного из катодных сегментов для трубки с шестью сегментами в зависимости от порога дискриминации.
тивные трудности. При этом в рабочий объем трубки не вносится дополнительное вещество, ухудшающее "прозрачность" детектора и эффективность регистрации. Данный способ обладает высоким уровнем технологичности.
В наших измерениях использовались трубки 010 и длиной 300 мм из односторонне металлизированного лавсана (майлара) толщиной 36 мкм. Металлизация двуслойная: медь и золото толщиной 0.05 и 0.02 мкм соответственно. Сопротивление проводящего покрытия 40 Ом/П. Поперечный разрез в металлизации на ленте, из которой изготавливались трубки, делался предварительно (рис. 1). Технология изготовления трубок способом ультразвуковой сварки ленты подробно описана в работе [10].
Трубки, изготовленные с помощью ультразвуковой сварки, имеют более тонкие стенки, чем при использовании традиционной технологии навивания ленты на стержень. Такие трубки выдерживают избыточное давление до 8 атм, в том числе способны работать в вакууме.
На рис. 1 показана форма катодных сегментов на ленте, использовавшейся при изготовлении описываемых в данной работе трубок 010 мм. Длина испытываемых трубок (300 мм) определялась имеющимися механическими устройствами для ее перемещения на испытательном стенде. Диаметр анодной проволочки — 30 мкм. Использовалась рабочая газовая смесь Аг:С02 (70:30) при избыточном давлении 10 Торр и рабочее напряжение 3200 В.
Схема измерений приведена на рис. 2. Источник электронов 908г облучал строу-трубку, которая с помощью прецизионной механической системы перемещалась относительно радиоактивного источника и сцинтилляционного счетчика.
Сцинтилляционный счетчик, использовавшийся для запуска системы считывания данных (тригге-
3
N 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200
0
100 200 300 400 500 600 700 800
мВ
Рис. 7. Амплитудный спектр сигналов для одного из катодных сегментов трубки с шестью сегментами.
ра), был изготовлен из сцинтилляционного оптоволокна фирмы BICRON сечением 2 х 2 мм2 и длиной 5 мм. Регистрация света осуществлялась с помощью кремниевого фотоумножителя SSPM-0701BG (SiPM) производства Photonique SA [11] с площадью активной зоны 4.41 мм2 и числом пикселей 1764. Перед счетчиком установлен свинцовый коллиматор в форме щели размером 1 х 5 мм, ориентированной перпендикулярно к оси трубки.
Катодные и анодные сигналы усиливались усилителями на микросхемах "Катод-1" [12] и Ampl-8.3 [13] соответственно и оцифровывались в режиме реального времени диджитайзером V1720 (CAEN, 250M, 12Bit) [14]. Далее информация передавалась для обработки в компьютер.
Нами были созданы и испытаны строу-трубки с двумя и шестью катодными сегментами (см. рис. 1) и выводом сигналов с сегментов на торцы трубок с помощью полосковых линий (на внутренней металлизированной поверхности).
Для трубки с двумя катодными сегментами на рис. 3 показаны типичные формы сигналов с анодной проволочки и двух сегментов для события в районе электрического разделения сегментов (рис. 3а) и события на одном из сегментов (рис. 3б). Кривая эффективности для этой трубки в зависимости от продольной координаты Z дана на рис. 4. Катодный сегмент считался срабо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.