научная статья по теме МЕТОД ПРЯМОГО ВРЕМЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНОЙ КООРДИНАТЫ В ТОНКОСТЕННЫХ ДРЕЙФОВЫХ ТРУБКАХ Физика

Текст научной статьи на тему «МЕТОД ПРЯМОГО ВРЕМЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНОЙ КООРДИНАТЫ В ТОНКОСТЕННЫХ ДРЕЙФОВЫХ ТРУБКАХ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 47-52

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

УДК 539.1.074.822.3

МЕТОД ПРЯМОГО ВРЕМЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНОЙ КООРДИНАТЫ В ТОНКОСТЕННЫХ ДРЕЙФОВЫХ ТРУБКАХ © 2014 г. С. Е. Васильев, А. М. Маканькин, В. В. Мялковский, В. Д. Пешехонов

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 09.12.2013 г.

Рассмотрено несколько способов измерения продольных координат в дрейфовых трубках. Показано, что определение продольных координат методом прямых временных измерений позволяет обеспечить продольное разрешение, в несколько раз лучшее, чем методом деления заряда, и может быть применено к трубкам большой длины. Реализация описываемого метода дает возможность разработать координатные детекторы на основе дрейфовых трубок с двумерным считыванием и достаточным быстродействием, которые не будут чрезмерно сложными.

DOI: 10.7868/S0032816214040247

1. ВВЕДЕНИЕ

Тонкостенные дрейфовые трубки (т.д.т. или строу-трубки) используются для определения с достаточно высокой точностью координаты ближайшей к аноду точки траекторий заряженных частиц, пересекающих т.д.т. В планарных детекторах обычно для получения другой координаты используются дополнительные, наклоненные на определенный угол детектирующие плоскости с т.д.т. Однако в ряде случаев желательно иметь возможность двухкоординатного считывания для каждой регистрирующей плоскости. Цилиндрический детектор, например, с установленными в его детектирующих слоях наклоненными на определенный угол трубками не может быть компактным по толщине, что часто требуется условиями эксперимента.

Для определения продольной координаты используется хорошо известный метод деления заряда (Charge-Division Technique), заключающийся в сравнении регистрируемых зарядов на обоих концах трубок. Однако разрешение этого метода для частиц с минимальными ионизационными потерями (Minimum Ionizing Particles (MIP)) не достаточно высокое.

Возможно считывание продольной координаты методом следящего порога (Constant-Fraction Timing (CFT)).

В работе [1] показана принципиальная возможность определения продольной координаты путем измерения разности времен прихода сигналов на оба конца дрейфовой трубки — так называемый метод прямого временного измерения (Direct Timing Method (DTM)).

Была проведена серия измерений, показавших хорошие возможности этого метода [2], но из-за технической ошибки не был учтен коэффициент 2.5. Кроме того, для определения разницы времен прихода сигналов на усилители в работе был использован искусственный подход — для совмещения обоих сигналов во времени использовалась кабельная задержка, что возможно только при стендовых испытаниях.

В последующей, проведенной нами работе [3] были выполнены измерения, в которых исключены и возможность повторения технической ошибки, и использование кабельных задержек для определения разницы времен прихода сигналов с обоих концов анода трубки.

В данной статье кратко описаны основные полученные нами результаты, а также рассмотрено несколько различных вариаций их получения.

2. ПРИНЦИП МЕТОДА ЭТЫ

Изучалось продольное считывание для т.д.т. диаметром 9.53 мм и длиной 2 м, продуваемой газовой смесью Аг/С02 (80/20) при давлении 1 или 3 бар. Анодом т.д.т. служила проволока диаметром 30 мкм и сопротивлением 70 Ом/м, волновое сопротивление составляло 360 Ом. Тонкостенную дрейфовую трубку облучали у-квантами с энергией 5.9 кэВ от источника 55Бе или электронами с энергией 3.55 МэВ от источника 106Яи. Регистрировались сигналы с обоих концов анода двумя идентичными усилителями на основе микросхем Ы8Э-2 с усилением 35 мВ/мкА, временем нарастания фронта ~4 нс и входным сопротивлением

о К

сТ

О

60

40

20

о 1 Д 2 □ 3

(а)

25

50

75

100 0

L, см

25

50

75

100

Рис. 1. Изменение пространственного разрешения по длине т.д.т. вдоль одной ее половины при давлении газовой смеси 1 бар и газовом усилении ~8 • 104: а — при регистрации у-квантов с энергией 5.9 кэВ для трех вариантов значений уровней Tb и Tt — 0.2 и 0.7 (1), 0.05 и 0.8 (2), 0.1 и 0.6 (3) соответственно; б — при регистрации электронов с энергией 3.55 МэВ для уровней Ть = 0.2 и Tt = 0.7.

0

120 Ом. Усилители были разработаны и применялись ранее для определения радиальных координат методом измерения времени дрейфа электронов ионизации [4]. Сигналы, распространяясь по аноду (время прохождения сигналом расстояния 1 м составляет 3.49 нс (V = 3.49 нс/м)), поступали на усилители и, далее, в два канала устройства ВЁ54, аналого-цифровой преобразователь (а.ц.п.) которого оцифровывал их с частотой 2 или 5 ГГц [5]. Информация об амплитуде и форме импульсов передавалась далее в компьютер.

Если точка образования лавины (соответствующая положению коллимированного источника вдоль т.д.т.) смещена от центра анода длиной Ь на величину ЪЬ, то расстояния, проходимые сигналами до концов анода, будут равны Ь/2 ± ЪЬ. Следовательно, с учетом разницы времен прихода сигналов продольная координата точки образования лавины относительно центра т.д.т. будет определяться выражением Ъ) = ±2ЪЬ^, знак этой величины указывает направление смещения от центра.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТОДОМ БТМ

3.1. Измерения с кабельной задержкой

При измерении продольной координаты в дрейфовых трубках методом деления заряда пространственное разрешение при регистрации у-квантов от источника 55Бе существенно лучше, чем при регистрации М1Р [6]. Метод БТМ обеспечивает более близкие значения разрешения для обоих случаев.

Измерение разницы времен Ъ) прихода сигналов проводилось следующим образом. Определялась пара коррелированных сигналов с облучаемой т.д.т., и первый импульс сдвигался калиброванной кабельной задержкой до совпадения со вторым с точностью не хуже ±300 пс. Для обоих импульсов выполнялась линейная аппроксима-

ция их передних фронтов во временных интервалах между заданными нижним Ть и верхним уровнями от амплитуды импульса до пересечения с временной осью, определяемой устройством в единицах каналов а.ц.п. Величина Ъ) (обеспечивающая временное совпадение импульсов) определялась как сумма величин кабельной задержки и задержки между импульсами по результатам аппроксимации их передних фронтов. Полученные в виде гистограмм зависимости Ъ) как функции величины сдвига источника от середины анода на фиксированное расстояние ЪЬ использовались для определения средней величины Ъ) и а распределений, определяющих продольное разрешение в позициях ЪЬ.

Лучшая точность метода была получена при хорошем согласовании усилителей с т.д.т., что осуществлялось установкой последовательных резисторов сопротивлением 240 Ом на входы усилителей. В процессе измерений уровни Ть и оптимизировались индивидуально для каждой позиции источника. Заметим, что расстоянию 1 см вдоль анода соответствует разница во времени задержки между импульсами Ъ) = 69.8 пс. На рис. 1а приведены зависимости от расстояния пространственного разрешения а, полученные при регистрации у-квантов от источника 55Бе при трех вариантах значений уровней Ть и 7): 0.2 и 0.7, 0.05 и 0.8, 0.1 и 0.6 соответственно. Видна зависимость продольного разрешения от уровней аппроксимации переднего фронта. Однако можно ожидать, что при оптимальном подборе уровней Ть и

средние значения продольного разрешения при удалении точки образования лавины от центра трубки к ее концу будут изменяться от ~70 до ~130 пс. Близкие значения (рис. 1б) были получены при регистрации высокоэнергетических электронов от источника 106Яи для значений уровней Ть = 0.2 и = 0.7. Рис. 1 взят из работы [2], по оси ординат для продольного разрешения указан ко-

т Ть^

1 ш1]

Рис. 2. Схематичное представление используемого алгоритма измерения 5t без использования кабельных задержек.

эффициент 0.4, определяемый отношением каналов а.ц.п. 500 или 200 пс (коэффициент 2.5).

3.2. Измерения без кабельных задержек

Измерения разницы времен Ы прихода коррелированных сигналов без использования кабельных задержек проводились по алгоритму, схематично представленному на рис. 2. Коррелированные импульсы отбирались путем введения порога ТшЬ на поступающие анодные сигналы, а при использовании источника 106Яи — также и по наличию триггерных сигналов со сцинтилляционного счетчика, поступающих в канал ОЯ84.

После определения максимальных значений амплитуд этих пар импульсов в программно-заданном временном окне длительностью ^ и нормирования запаздывающего сигнала на величину переднего импульса осуществлялась линейная аппроксимация фронтов импульсов по точкам между верхним Т и нижним Ть уровнями, заданными в единицах максимальной величины импульсов. Далее определялись времена прихода каждого импульса (/1 и 12) по точкам пересечения аппроксимирующих прямых с временной осью в единицах тактового генератора (бинах), равных 200 или 500 пс при частоте 5 или 2 ГГц соответственно. После этого значения разницы временной задержки импульсов (/1 — t2) представлялись в виде гистограмм для вычисления среднего значения спектра в единицах бинов N и а распределения.

Сравнение параметров сигналов, полученных при регистрации как у-квантов, так и электронов при различном согласовании т.д.т., показало необходимость полного их согласования, однако при этом фронт сигналов на уровнях 0.1—0.9 изменялся до ~15 нс.

Регистрируемые на разных концах трубки сигналы проходят по аноду разный путь, что вызывает различное изменение наклона их передних фронтов. При удалении источника от центра трубки на 10—15 см изменения незначительны, но с увеличением расстояния они существенно возрастают. Возможные изменения формы импульсов из-за суперпозиции их с отраженными сигналами

а, пс 300

250

200

150

100

0

25

50

75

100

Ь, см

Рис. 3. Продольное разрешение т.д.т. (в единицах времени) в зависимости от положения источника 106Яи относительно центра трубки: 1 — при фиксированных параметрах обработки данных; 2 — с учетом корректировки ДNi для каждой позиции источника. Давление

газовой смеси 1 бар, газовое усиление 8 • 104.

п

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