ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 5, с. 33-39
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.822.3
КООРДИНАТНАЯ МЮОННАЯ КАМЕРА НА ОСНОВЕ ТОНКОСТЕННЫХ ДРЕЙФОВЫХ ТРУБОК
© 2013 г. К. И. Давков, И. А. Жуков, В. В. Мялковский, В. Д. Пешехонов, Н. А. Русакович
Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория физики высоких энергий Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 E-mail: pvd@sunse.jinr.ru Поступила в редакцию 30.08.2012 г.
Описаны конструкция и технология изготовления модуля прототипа координатного детектора размером 2 х 0.5 м2 на основе дрейфовых строу-трубок длиной 2 м. Выбор конструкции и технологии предусматривает возможность создания на основе таких модулей детекторов большой площади. Приведены результаты тестирования модуля при давлении газа от 1 до 4 бар. Характерными особенностями модуля являются низкая радиационная толщина, хорошая радиационная стойкость, высокая эффективность регистрации заряженных частиц, а также возможность высокого гранулирования (строу-трубки малого диаметра) и сегментирования по длине трубок. Отмечается возможность оптимизации режима работы модуля в широком диапазоне давлений рабочего газа.
DOI: 10.7868/S0032816213040198
ВВЕДЕНИЕ
Газонаполненные детекторы широко применяются в экспериментах на ускорителях. Дрейфовые камеры c катодным считыванием, резистив-ные плоскопараллельные и тонкозазорные камеры, а также координатные детекторы на основе трубок большого диаметра успешно работают в составе мюонных детекторов установок SMC и ATLAS LHC и других [1-3].
Детекторы на основе дрейфовых трубок позволяют перекрывать большие площади детектирования, что вызывает интерес к применению их для радиографических и томографических исследований крупномасштабных объектов с помощью мюонных детекторов с высоким угловым разрешением [4, 5]. В качестве базовых элементов используются либо алюминиевые дрейфовые трубки, либо строу-трубки — тонкостенные тонкопленочные дрейфовые трубки.
Алюминиевые дрейфовые трубки способны работать в широком диапазоне давлений газового наполнения, но обладают большим временем сбора электронов ионизации и пониженной загрузочной способностью из-за искажающего электрическое поле объемного заряда медленно дрейфующих положительных ионов. Возможность повышения загрузочной способности координатных детекторов на основе алюминиевых трубок путем уменьшения их диаметра ограничена вероятным ухудшением собственных точностных параметров, таких как однородность диаметров и прямолинейность длинных трубок.
Хорошо известны [6, 7] однотипные координатные детекторы на основе тонкопленочных дрейфовых трубок (т.д.т.) диаметром от 4 до 15 мм с хорошей прямолинейностью и высокой однородностью внутреннего и внешнего диаметров вне зависимости от их длины. Детекторам на основе таких т.д.т. доступны более высокая гранулярность за счет уменьшения диаметра т.д.т. и возможности использования сегментированных анодов [8, 9]. Для т.д.т. характерна низкая радиационная толщина: отношение радиационных толщин А1-трубки с типичной толщиной стенки 0.4 мм и т.д.т. составляет >18, что допускает возможность некоторого увеличения радиационной толщины детекторов на основе т.д.т.
КОНСТРУКЦИЯ ПРОТОТИПА ДЕТЕКТОРА
При разработке прототипа координатного детектора рассматривалась возможность создания типовых модулей, удобных для объединения в детектирующие системы большой площади и способных работать при повышенном давлении их газового наполнения.
Разработанный однослойный прототип детектора представляет собой жесткую планарную структуру, содержащую N (число, кратное восьми) т.д.т., залитых эпоксидным компаундом. Толщина структуры равна 2(г + 0.1) мм, где г — радиус трубок. При такой конструкции сохраняется прямолинейность и постоянство диаметра т.д.т., а также постоянство зазора между стенками соседних
Рис. 1. Схема установки газового коллектора на плоскость модуля. 1 — стенки т.д.т.; 2 — А1-трубка диаметром 8 мм с толщиной стенки 0.4 мм; 3 — пластиковая концевая втулка; 4 — металлическая трубка; 5 — анод; 6 — фиксирующая анод втулка; 7 — заливка эпоксидным компаундом.
трубок. При изготовлении прототипа частично применяется разработанная ранее в ОИЯИ технология создания трекера спектрометра COMPASS [10, 11].
Прототип детектора содержит 48 трубок, идентичных трубкам трекера COMPASS. Трубки имеют внутренний диаметр 9.56 мм, длину 2 м и намотаны двумя полиимидными лентами, из которых внутренняя лента — проводящая и является катодом. Толщина стенок трубок ~60 мкм. По бокам
жесткой структуры параллельно т.д.т. наклеен тонкостенный А1-профиль, высота которого больше толщины структуры на величину диаметра d металлических трубок, используемых в качестве газовых коллекторов (рис. 1). После изготовления структуры в трубки устанавливают аноды из золоченой вольфрамовой проволоки 030 мкм с натяжением 70 г и с одним центральным по длине поддерживающим спейсером [11]. Аноды фиксируют в медных капиллярных трубках 3, установленных в концевые втулки 4 (рис. 2), после чего контролируется однородность сигналов каждой трубки при ее индивидуальном продуве газовой смесью и облучении источником 5^е.
После тестирования на одной поверхности структуры вблизи концов т.д.т. устанавливаются два трубочных газовых коллектора для входа и выхода рабочей газовой смеси, объединяемые с боковыми профилями в общую раму модуля и в дальнейшем заливаемые эпоксидным компаундом. На рис. 1 показана схема установки газового коллектора, соединенного с внутренним объемом каждой трубки через отверстия в их стенках и в их концевых втулках металлическими трубками, расположенными ортогонально к плоскости модуля. Поверхность структуры ламинируется металлизированной пленкой, используемой в качестве электромагнитного экрана и для защиты от повышенной влажности окружающей среды. На поверхности также установлены угле- или стек-
Рис. 2. Схематичное изображение двухслойного детектора. 1 — строу-трубки; 2 — залитые компаундом трубочные газораспределительные коллекторы; 3 — медные капиллярные трубки, установленные в концевые втулки 4; 5 — поддерживающие стрипы; 6 — тонкостенные профили; 7 — металлизированная пленка; 8 — платы считывания. Платы согласования устанавливаются у противоположных концов строу-трубок и не видны из-за их малой ширины. А, В — точки измерения.
КООРДИНАТНАЯ МЮОННАЯ КАМЕРА
35
8, МКМ
300
200 100 0'
♦ 1 •2
♦ •
(а)
♦ •
1
3 4 Р, бар
8, МКМ
400
300 200 100
(б)
0 200 400 600
Т, мин
Рис. 3. Прогиб 8 поверхности модуля в зависимости от давления газа: а — быстрое отклонение поверхности в точках А (1) и В (2) (см. рис. 2) при повышении давления до 4 бар; б — последующее медленное изменение и затем релаксация после сброса давления в точке А.
лопластиковые поддерживающие ленты высотой к с шагом, величина которого может меняться в зависимости от длины модуля (см. рис. 2). Прототип имеет три равноудаленных стеклопластико-вых стрипа толщиной 0.2 мм и высотой 8 мм на каждой поверхности модуля, так как не предполагалось объединение его в двухслойную камеру.
Платы считывания сигналов с анодов трубок и их согласования устанавливаются с двух концов т.д.т. в непосредственной близости к концевым втулкам, аноды гальванически соединяются с соответствующими шинами плат, после чего торцевые части трубок и втулок герметизируются компаундом. Таким образом, типовой модуль имеет два трубочных газовых коллектора на его внешней стороне, являющиеся также элементами его рамы. При этом газовые коллекторы не содержат способного к адгезии внутреннего вещества, а платы считывания и согласования соединены с анодами вне герметичного газового объема.
По противоположной газовым коллекторам поверхности типовые модули склеиваются в единый конструктивный узел с распределительными трубочными газовыми коллекторами, элементами высоковольтного питания т.д.т. и платами передачи регистрируемых сигналов на внешнюю электронику считывания. При склеивании модули сдвигаются друг относительно друга на величину радиуса трубок. Общая рама такого двухслойного детектора может иметь установочные отверстия для объединения с аналогичными модулями в единую детектирующую систему. На рис. 2 схематично показан общий вид и некоторые геометрические размеры двухслойного детектора, состоящего из двух модулей.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДУЛЯ
При повышении давления газа отдельной т.д.т. происходит удлинение ее пленочной стенки, что
приводит к изгибу строу-трубки с закрепленными концами [12]. Был измерен прогиб поверхности плоскости модуля в зависимости от давления газа в показанных на рис. 2 точках А и В, результаты измерения приведены на рис. 3. Точка А находится в центре ограниченной двумя поддерживающими лентами части плоскости, а точка В — вблизи поддержки. Видно, что при повышении давления газа толщина структуры быстро увеличивается. Величина быстрого отклонения поверхности в точке А при давлении 4 бар составляет 260 мкм. В течение следующих ~2.5 ч отклонение медленно возрастает до ~350 мкм, что составляет ~7% величины радиуса т.д.т. После сброса давления расширение плоскости быстро уменьшается до ~100 мкм в этой точке и восстанавливается полностью через ~2.5 ч. Аналогичные изменения в точке В при давлениях 4 и 3 бар показали меньшие соответственно в 1.6 и 1.8 раз отклонения.
Наблюдаемые отклонения приводят к незначительному нарушению цилиндричности трубок: например, допускаемая анод-катодная несоосность т.д.т. детектора переходного излучения и трекера одновременно установки АТЛАС составила 10% [13]. Величина максимального отклонения поверхности плоскости структуры может быть снижена уменьшением шага установки поддержек или увеличением толщины модуля.
Проверка герметичности прототипа показала наличие газовой течи ~2.4 мбар/ч при давлении 4 бар (<0.05 мбар/ч на трубку), причиной которой являлась недостаточная герметичность соединения медной капиллярной трубки с пластиковым покрытием элементов фиксации анодов. Дополнительная герметизация их торцов эпоксидом устранила эти течи.
Радиационная толщина типичных т.д.т. не превышает 0.05%Х0.
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.