ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 3, с. 21-26
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ СТЕКЛЯННОЙ МНОГОЗАЗОРНОЙ РЕЗИСТИВНОЙ ПЛОСКОЙ КАМЕРЫ ПРИ ПОВЫШЕНИИ РАБОЧЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
© 2013 г. В. А. Гапиенко, О. П. Гаврищук*, А. А. Головин, А. А. Семак, С. Я. Сычков*, Ю. М. Свиридов, Е. А. Усенко*, М. Н. Уханов
ГНЦ РФ "Институт физики высоких энергий" Россия, 142281, Протвино Московской обл., ул. Победы, 1
*Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 Поступила в редакцию 24.04.2012 г.
Показано, что многозазорная резистивная плоская камера из обычного промышленного стекла может выдерживать значительные загрузки при повышенной рабочей температуре. Приведены результаты испытания двух стеклянных камер на пучке в тестовой зоне ускорителя У-70 ИФВЭ. Необходимая радиационная загрузка детектора создавалась при помощи радиоактивных источников. При загрузке ~20 кГц/см2 и рабочей температуре 45°С временное разрешение детектора было не хуже 80 пс.
БО1: 10.7868/80032816213020055
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в физике высоких энергий стеклянная многозазорная резистивная плоская камера (м.р.п.к.) является наиболее подходящим кандидатом для создания больших по площади времяпролетных детекторов (в.п.д.). Преимуществами м.р.п.к. являются низкая стоимость, высокая эффективность регистрации заряженных частиц и нечувствительность к наличию магнитного поля. В качестве примеров можно привести строящиеся эксперименты СВМ [1, 2] и МРЭ [3], в которых решено использовать м.р.п.к. в составе времяпролетного детектора. При этом требуемое временное разрешение м.р.п.к. должно быть не хуже 80 пс. При лабораторных исследованиях получено временное разрешение м.р.п.к. около 50 пс [4—6]. Существуют работы, где показано, что эту величину можно существенно улучшить. Так в работе [7] было получено временное разрешение 20 пс для м.р.п.к. с 24 зазорами. Есть модельное предсказание [8], что м.р.п.к. с газовым промежутком 0.3 мм и 6 зазорами имеет предельное временное разрешение 25 пс.
Однако у стеклянной м.р.п.к. есть существенный недостаток — невысокая загрузочная способность. Поток заряженных частиц, пересекающий газовый зазор, порождает лавинные разряды между электродами. Ток от этих разрядов, проходящий через стеклянные электроды, вызывает падение напряжения внутри газового зазора. При высоких загрузках снижение разности потенциалов приводит к существенному ухудшению всех
характеристик м.р.п.к.. При объемном сопротивлении обычного стекла 1012—1013 Ом • см загрузочная способность м.р.п.к. ограничена на уровне 1 кГц/см2. Чтобы использовать м.р.п.к. в экспериментах с большими загрузками, в таких как СВМ [1, 2], где ожидаемый поток частиц в в.п.д. около 20 кГц/см2, необходимо использовать низ-корезистивные материалы для электродов.
В работе [9] приведены характеристики четы-рехзазорной м.р.п.к., изготовленной из специального полупроводящего силикатного стекла, которое по составу подобно стеклу Пестова. Это стекло включает оксиды щелочных элементов и обладает относительно низким объемным сопротивлением 108—109 Ом • см. При загрузке 20 кГц/см2 эта м.р.п.к. продемонстрировала эффективность ~95% и временное разрешение 100 пс. Как альтернативу полупроводящему силикатному стеклу можно упомянуть низкорезистивную керамику [10], для которой получена загрузочная способность 80 кГц/см2. Однако по сравнению с обычным стеклом изготовление полупроводящих стекол и керамических пластин сопряжено с технологическими сложностями, что приводит к значительному удорожанию производства м.р.п.к.
Есть два способа снижения сопротивления электродов. Первый способ состоит в использовании очень тонких электродов. Уменьшение локального падения напряжения в камере при протекании тока от лавинного разряда пропорционально толщине электродов. Другой способ заключается в уменьшении объемного сопротивления стекла
р, 1010 Ом ■ см 103
102
101
10°
□
Цз
□ 2 □
□
□
□
□
20
30
40 T, °С
Рис. 1. Объемное сопротивление стекол компаний Glaverbel (1, толщина 0.55 мм) и Pearl (2, 0.16 мм) в зависимости от температуры.
путем увеличения рабочей температуры детектора. Идея использования сильной зависимости сопротивления стекла от температуры была высказана в работах [11, 12].
В данной работе был использован комбинированный подход — м.р.п.к. были изготовлены из очень тонких стекол и были подвергнуты небольшому нагреву во время измерений их характеристик.
КОНСТРУКЦИЯ М.Р.П.К.
И СХЕМА УСТАНОВКИ
Объемное сопротивление промышленных стекол варьируется в широком диапазоне, поэтому был сделан предварительный отбор образцов. В результате, для сборки камер были выбраны два вида: стекло толщиной 0.55 мм, которое производится компанией Glaverbel (http://www.agc-glass.eu/), и покровные стекла для микроскопов толщиной 0.16 мм, производимые компанией Pearl (China, CN-Pearl Industry Co., Ltd.).
Температурная зависимость объемного сопротивления отобранных образцов приведена на рис. 1. При измерении сопротивления к стеклянным пластинам прикладывалась разность потенциалов 100 В. Несмотря на то, что при одинаковой температуре сопротивление стекла от компании Pearl примерно в 5 раз меньше, чем у стекла Gla-verbel, оба образца имеют одинаковый наклон температурной зависимости: рост температуры на 25°C приводит к уменьшению объемного сопротивления стекла в 10 раз. Подобное поведение сопротивления стекол наблюдалось в работе [12].
Для исследований были собраны две шестиза-зорные м.р.п.к. Одна из них была изготовлена из семи стекол Glaverbel. Далее она будет называться
"толстая" камера. Вторая, "тонкая", состояла из пяти внутренних пластин стекла Pearl, а внешние высоковольтные электроды этой камеры были сделаны из пластин Glaverbel для обеспечения механической жесткости сборки. Толщина газовых зазоров в обеих камерах была одинаковой и составляла 230 мкм. Размеры стеклянных пластинок также были одинаковыми — 2.5 х 2.5 см. Активная площадь у обеих м.р.п.к. была 1.9 х 1.9 см2. Ячейки таких размеров могут рассматриваться как прототип для центральной части в.п.д. в эксперименте CBM. Расстояние между стеклянными пластинами задавалось полосками из лавсана (спейсе-ры). Сигнальный и высоковольтный электроды были изготовлены из медной фольги, приклеенной к внешним стеклянным электродам с помощью токопроводящего клея.
Обе тестируемые м.р.п.к. помещались в небольшую алюминиевую коробку (15 х 12 х 3 см), которая представляла собой замкнутый газовый объем. В свою очередь, эта металлическая коробка помещалась в центр термостата, функции которого выполняла пластиковая коробка (30 х 30 х х 6 см). Внутри термостата располагались 16 нагревательных элементов, которые управлялись при помощи терморегулятора TH-0502-N [13]. Необходимая температура внутри термостата поддерживалась с точностью ±0.5°C. Как алюминиевая коробка, так и термостат были снабжены температурными датчиками, отслеживающими температуру внутри соответствующих объемов. Газовая смесь для м.р.п.к.подавалась в алюминиевую коробку через медную трубку, которая находилась внутри термостата, выполняя роль теплообменника. Общая длина этой трубки составляла 6.7 м, ее внутренний диаметр — 4 мм. Поток газа был достаточно слабым, чтобы температура газа, подаваемого в м.р.п.к., была равна температуре термостата. Состав рабочего газа для м.р.п.к.: 90% тетрафторэтана (C2H2F4), 5% изобутана (C4H10) и 5% гексафторида серы (SF6).
Измерения с м.р.п.к. проводились в тестовой зоне ускорителя У-70 ИФВЭ. Пучок состоял из положительно заряженных частиц с импульсом ~3 ГэВ/с. Для получения начальной временной отметки t0 использовались два временных счетчика. Каждый счетчик состоял из сцинтилляцион-ной палочки размером 1 х 1 х 10 см и двух фотоумножителей на ее концах. Точность измерения времени этими счетчиками была 70 пс (среднеквадратичное отклонение (с.к.о.)). В выработке триггерного сигнала участвовали два сцинтилля-ционных пучковых счетчика, которые позволяли отбирать из широкого в поперечном сечении пучка область размером 1 х 1 см. Сигналы от м.р.п.к. подавались на усилитель-дискриминатор [14], который был разработан для м.р.п.к. в эксперименте FOPI. Выходные сигналы усилителя, а так-
1
же сигналы от сцинтилляционных счетчиков передавались по коаксиальным кабелям длиной 25 м на стойки электроники, где они оцифровывались при помощи модулей LeCroy 2228А (времяцифровой преобразоватль ВЦП, 50 пс/отсчет и LeCroy 2249А (зарядоцифровой преобразователь ЗЦП).
При использовании дискриминатора с постоянным порогом возникает зависимость времени его срабатывания от амплитуды входного сигнала. На рис. 2а показан пример зависимости времени появления цифрового сигнала м.р.п.к. (/м.р.пк.) от заряда на входе дискриминатора. Поэтому временная отметка с камеры корректировалась с учетом этой зависимости. Пример распределения по времени отклика м.р.п.к. относительно начальной временной отметки (*м.р.п.к. — ) приведен на рис. 2б. Кривая на рис. 2б есть результат аппроксимации данных функцией Гаусса. Доля событий, которые находятся вне гауссовой кривой, составляет около 1%. Во всех наших измерениях доля не гауссовых "хвостов" в распределении по времени не превышала 2%. Среднеквадратичное отклонение для гауссовой аппроксимации, приведенной на рис. 2б, равно 77 пс (с.к.о.), что с учетом точности определения /0 показывает, что временное разрешение детектора равно 30 пс (с.к.о.). В эту величину входят временное разрешение усилителя-дискриминатора и ВЦП.
Интенсивность пучка в тестовой зоне была не более 100 Гц/см2. Для того чтобы получить большую загрузку детектора дополнительно применялись два радиоактивных источника: 9^г и 137Св. Активность 9^г источника была 9.4 • 108 Бк, а 137Св — 1.5 • 108 Бк. Источник 9^г имел диаметр активной зоны, равный 10 мм, источник 137Св — 6.1 мм. Вариация загрузки детектора обеспечивалась изменением расстояния между источниками и м.р.п.к. Во всех измерениях расстояние между 9^г и катодом м.р.п.к. было больше 1.5 см, а между 137Св и катодом — не менее 2.5 см. Так как ак
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.