научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ AR + C2H4 И XE + CF4 Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ AR + C2H4 И XE + CF4»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 1, с. 56-58

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

УДК 539.1.074

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ Ar + С2Н4 И Xe + CF4

© 2014 г. Б. М. Овчинников, В. В. Парусов

Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а Поступила в редакцию 26.04.2013 г. После доработки 04.06.2013 г.

Исследовались смеси Лг + 40 млн-1С2Н4 и 50%Хе + 50%СБ4. Впервые зарегистрированы пространственные распределения облаков фотоэлектронов, вызванных первичными сцинтилляциями на треках а- и Р-частиц, а также распределения облаков фотоэлектронов, вызванных фотонами из лавин на аноде-острие. Для смеси 50%Хе + 50%СБ4 впервые показано, что СБ4 является фоточувствительной добавкой в смеси с Хе. Для смеси Хе + СБ4 (1:1) при давлении 1 ата на аноде-острие получены максимальные коэффициенты размножения электронов Кф)тах = 3 • 104, К(а)тах = 3 • 103, а при давлении 10 ата Кф)тах = 104, К(а)тах = 4 • 103. БОТ: 10.7868/80032816214010303

1. ИССЛЕДОВАНИЯ СМЕСЕЙ Лг + 40 млн-1С2Н4

В работах [1—4] использовались смеси благородных газов с фоточувствительными добавками, имеющими потенциалы ионизации, меньшие, чем энергия фотонов сцинтилляции благородных газов. В основном, фоточувствительные добавки вводились в больших концентрациях для увеличения выхода электронов с регистрируемых треков частиц с целью улучшения энергетического разрешения детектора. При этом пространственная структура облака фотоэлектронов в этих работах не измерялась.

В нашей работе [5] предложено использовать смесь Лг + 2 млн-1С2Н4 в эксперименте по поиску темной материи Вселенной для получения высокой геометрической эффективности детектирования сцинтилляционного излучения от регистрируемых частиц в объеме детектора. В этом случае ионизационный трек регистрируемой частицы будет окружен облаком фотоэлектронов с диаметром, определяемым концентрацией фоточувствительной добавки. Измерение количества фотоэлектронов ионизационным методом позволяет определить величину сцинтилляционного сигнала с геометрической эффективностью 100%, что необходимо для подавления фона 39Лг.

Использование данного метода детектирования сцинтилляционного излучения позволяет предлагать создание детектора с массой жидкого Лг до 104—105 т, что значительно превосходит предлагаемые в настоящее время для поиска темной материи детекторы с массой Лг до 500 т и эффективностью детектирования сцинтилляционного излучения с помощью расположенных рядом с объемом

детектора фотоэлектронных умножителей или фотодиодов, равной нескольким процентам.

В данной работе исследовалась смесь Лг + + 40 млн-1С2Н4 (5 ата), очищенная от электроотрицательных примесей до уровня ~10-8 экв. О2. Измерения проводились в камере с анодом-острием (рис. 1) [6]. Смесь облучалась а-частица-ми (239Ри) и в-частицами (63№). Детектирование электронов ионизации и фотоэлектронов осуществлялось с помощью анода-острия с радиусом на конце около 50 мкм, размещенного в отверстии 01 мм заземленного металлического катода К2.

Использовались два режима работы камеры (рис. 2): 1) потенциал на катоде Кх Ук = 0; 2) потенциал Ук = —500 В. При потенциале Ук = 0 наблюдались 3 пика: пик 1, обусловленный облаком фотоэлектронов из объема камеры, созданным

1

" Усилитель К2

К,

V

а(р) -Ук = 0 (-500 В)

Рис. 1. Камера с анодом-острием для испытания смесей.

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ АЯ + С2Н4 И ХЕ + СБ4 57

(а) Ук = 0

(б) Ук = 0

Л в а

3 1 2 \ / 3

(в) Ук = - 500 В (г) Ук = -500 В

-.V 1 а

1 мкс / ~1.5 мкс /

Рис. 2. Результаты облучения объема камеры, заполненной смесью Аг + 40 млн-1С2Н4 (5 ата), а- и в-частицами: а — при потенциалах Ук = 0, Уа(Р) = +1200 В, коэффициент размножения электронов на аноде -острие К = 104; б - Ук = 0, Уа(а) = +520 В, К=30; в -ук = -500 В, Уа(в) = +1200 В, К = 104; г - Ук = -500 В, Уа(а) = +520 В, К = 30.

(а)

10-12 мкс

(б)

а

Л мкс

-2.5 мкс

Рис. 3. Результаты облучения объема камеры, заполненной смесью 50%Хе + 50%СБ4 (10 ата), а-частица-ми и Р-частицами при Уа (в, а) = 3000-4000 В и Ук = 0 (а), Ук = -500 В (б).

фотонами сцинтилляции X = 128 нм, испускаемыми при возбуждении атомов Аг а(в)-частица-

ми: Н\ + С2Н4 —► С2Н* + е-; пик 2, обусловленный электронами ионизации от а(в)-частиц, и пик 3, обусловленный облаком фотоэлектронов из объема камеры, созданным фотонами из лавин на аноде-острие.

Пик 2 для в-частиц флуктуирует по величине для различных событий, поскольку спектр в-ча-

От-т тах

- Е в .

Пик 3 по амплитуде больше пика 1 всего в несколько раз, что может быть объяснено высокой плотностью ионизации в лавине вблизи поверхности острия и большим, вследствие этого, эффектом тушения сцинтилляции.

При подаче на катод К потенциала Ук = -500 В практически все фотоэлектроны собирались на катоде К2, а на аноде-острие собирались в основном электроны ионизации с в-, а-треков (пик 2).

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СМЕСЕЙ Хе + СБ4

Имеется большое количество работ, в которых использовались добавки газа СБ4 в благородный газ [7-10] с целью увеличения скорости дрейфа электронов.

В данной работе исследовались смеси 50%Хе + + 50%СБ4. Измерения проводились в камере с анодом-острием (рис. 1). Из газов были удалены электроотрицательные примеси О2, С2Б4 и С2Б10 до уровня ~10-8 экв. О2. Использовались два режима работы камеры: при Ук = 0 и Ук = -500 В.

Катод К2 в обоих случаях был заземлен. Полученные результаты представлены на рис. 3. При регистрации а-, в-событий при Ук = 0 наблюдались широкие пики, обусловленные регистрацией облаков фотоэлектронов, вызванных первичными сцинтилляциями на треках частиц, и фотоэлектронов, вызванных фотонами из лавин на аноде-острие, а также регистрацией ионизационных электронов с треков а-, в-частиц. Вследствие большой концентрации фоточувствительной добавки СБ4, все три пика сливаются в один широкий пик, в отличие от смеси Аг + 40 млн-1 С2Н4, где эти три пика регистрируются отдельно.

По-видимому, в смеси Хе + СБ4 происходит фотоионизация СБ4 в реакции

Хе * — СБ 4 — е" + Б + СБ +.

При подаче на катод К1 камеры отрицательного потенциала, равного -500 В, все фотоэлектроны собираются на катод К2 камеры и на аноде-острие регистрируются только электроны ионизации с треков а-, в-частиц.

На рис. 4 представлены зависимости коэффициентов размножения электронов ионизации на аноде-острие камеры (рис. 1) с треков а(в)-ча-стиц от анодного потенциала в смеси 50%Хе + + 50%СБ4 при давлениях 1 ата и 10 ата. В измерениях на катод К было подано напряжение Ук = = —1500 В, а катод К2 был заземлен. Для 1 ата при регистрации в-частиц был получен максимальный коэффициент размножения электронов, равный, 3 • 104, а при регистрации а-частиц Ктах = 3 • 103. При 10 ата = 104, = 4 .103.

Полученные результаты показали, что СБ4 является фоточувствительной добавкой к Хе. Это позволяет детектировать сцинтилляционное излучение в камере, заполненной смесью Хе + СБ4,

58

ОВЧИННИКОВ, ПАРУСОВ

1000 2000

3000

4000 Va, В

Рис. 4. Зависимости коэффициентов размножения электронов ионизации на аноде-острие камеры с треков а- и Р-частиц от анодного потенциала в смеси 50%Хе + 50%СБ4 при давлениях 1 и 10 ата. На катод К подано напряжение Ук = -1500 В.

с геометрической эффективностью 100%, что необходимо в экспериментах по поиску темной материи Вселенной для создания детекторов большой массы с полным подавлением фона 85Кг и внешнего у-фона.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В смеси Лг + 40 млн-1С2Н4 зарегистрировано пространственное распределение облаков фото-

электронов, вызванных ионизацией фоточувствительной добавки этилена фотонами первичной и вторичной (из лавин на аноде) сцинтилляции Ar. Также зарегистрированы облака фотоэлектронов в смеси Хе + CF4 (1:1), что свидетельствует о том, что CF4 является фоточувствительной добавкой в Хе. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности создания детекторов большого объема с геометрической эффективностью детектирования сцинтилляционного излучения, равной 100%, в отличие от известных методов детектирования с использованием фотоэлектронных умножителей либо фотодиодов, обеспечивающих эффективность в несколько процентов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Policarpo A.Z.P.L. // Nucl. Instrum. and Methods. 1982. V. 196. P. 53.

2. Suzuki S., Doke T., Hitachi A. et al. // Nucl. Instrum. and Methods. 1986. V. A245. P. 361.

3. Cennini P., Revol J.P., Rubbia C. et al. // Nucl. Instrum. and Methods. 1995. V. A355. P. 660.

4. Vuillemin V., Cennini P., Fabjan C.W. et al. Preprint CERN-PPE/91-171. Geneva, 1991.

5. Ovchinnikov B.M., Ovchinnikov Yu.B., Parusov V.V. // J. JETP Lett. 2012. V. 96. Issue 3. P. 163.

6. Овчинников Б.М., Парусов В.В. Препринт ИЯИ РАН № 1326. М., 2012.

7. Christophorov L.G., McCorkle D.L., Maxey D.L., Carter J.G. // Nucl. Instrum. and Methods. 1979. V. 163. P. 141.

8. Абаджев В.С., Джилкибаев Р.М., Опенигоу Т.Р. и др. Препринт ИЯИ РАН №738. М., 1991.

9. Данилов М., Лаптин Л., Тихомиров И. и др. Препринт ИТЭФ 43-2000. М., 2000.

10. Гаврилюк Ю.М., Гангапшев А.М., Кузьминов В.В. и др. // ПТЭ. 2003. № 1. С. 31.

0

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»