ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 5, с. 24-28
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074
МЕТОДЫ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ СОБЫТИИ В ДВУХФАЗНЫХ
АРГОНОВЫХ КАМЕРАХ © 2013 г. Б. М. Овчинников, В. В. Парусов
Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а E-mail: ovchin@inr.ru Поступила в редакцию 09.07.2012 г. После доработки 11.02.2013 г.
Для детектирования событий в газовой фазе двухфазной аргоновой камеры предлагается использовать проволочные многоканальные газовые электронные умножители в сочетании с анодами-остриями. Для устранения обратных связей по фотонам, эмитируемым возбужденными молекулами аргона в процессах развития лавин при детектировании событий в газе — аргоне, в него добавляли водород в количестве 10% объемных. При использовании проволочных многоканальных газовых электронных умножителей с зазором 1 мм при детектировании а-частиц в среде Аг + 10% Н2 (1 ата) получен максимальный коэффициент размножения электронов, равный ~300. При использовании для детектирования а-частиц анода-острия максимальный коэффициент размножения составил ~2.5 • 105 и при детектировании Р-частиц (63№) — 3 • 106. Расчетами и экспериментально показано, что добавление в жидкий аргон 100 млн-1 Н2 не влияет на синглетную компоненту сцинтилляцион-ного сигнала жидкого аргона и несущественно (на 20%) уменьшает эффективность эмиссии по сравнению с чистым Аг.
БОТ: 10.7868/80032816213050078
1. ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] дан краткий обзор двухфазных аргоновых камер, создаваемых для поиска массивных слабо взаимодействующих частиц темной материи Вселенной, и впервые предложено использовать для этой цели камеру с массой аргона до 1000 т с полным подавлением фона 39Аг.
Для детектирования сцинтилляционного излучения от событий в жидком аргоне предложено растворять в жидком аргоне фоточувствительную добавку тетраметилгермания (0.15 млн-1). В результате каждое событие в объеме камеры будет представлять из себя практически точечный ионизационный бамп, окруженный облаком фотоэлектронов со средним диаметром около 10 см. Дрейфовым электрическим полем напряженностью ~1 кВ/см электроны бампа и фотоэлектроны транспортируются из жидкого Аг в газовую фазу, находящуюся под давлением ~1 ата, где детектируется пространственная структура каждого события с высоким коэффициентом размножения электронов.
Для эффективного подавления фона 39Аг в работе [1] предложено сравнивать для каждого события отношение ионизационного сигнала к синглетной компоненте сцинтилляционного сигнала. В связи с этим в настоящей работе детектировалась только синглетная составляющая сцин-тилляционного сигнала жидкого аргона.
Хорошо известно, что в чистом Аг не удастся получить коэффициент размножения электронов больше ~10 [2]. Для получения более высокого коэффициента размножения необходимо добавлять в газообразный аргон молекулярную гасящую добавку. Известно, что хорошей гасящей добавкой к аргону является метан. Однако в случае двухфазной Аг-камеры с детектированием сцин-тилляционного излучения использование метана недопустимо, поскольку метан хорошо растворяется в жидком Аг и гасит сцинтилляционные сигналы жидкого аргона.
В данной работе в качестве гасящей добавки в газовой фазе использовался водород, слабо растворяющийся в жидком Аг. При содержании в газовой фазе 10% водорода, в жидком аргоне будет растворено только 100 млн-1 Н2. Вероятность гасящих столкновений
Аг* + Н2 ^ 2Аг + Н2 (1)
в газообразном аргоне достаточно большая за счет большой концентрации водорода (10%), хотя сечение этого процесса в газе составляет всего 4.2 А2 [3]. Нами экспериментально показано, что добавка в газообразный аргон 10% водорода позволяет получить стабильно высокое размножение электронов. Также показано, что содержание в жидком Аг 100 млн-1 Н2 не влияет на синглетную составляющую сцинтилляционного сигнала, имеющую время жизни ~7 нс, и несущественно (на 20%)
а, р-
Рис. 1. Камера с проволочным м.г.э.у. ¥д — напряжение делителя, Уа — анодное напряжение.
уменьшает эффективность эмиссии электронов по сравнению с чистым аргоном.
Для сравнения, величина сечения процесса
Лт2* + Хе ^ 2Лг + Хе (2)
в газе составляет 140 А2 [3], а добавка в жидкий Лт 100 млн-1 Хе позволяет подавить только долгожи-вущие триплетные состояния Лт* , имеющие время жизни 1.5 мкс, и практически не влияет на син-глетные состояния с временем жизни ~7 нс [4]. Из соотношения сечений для добавок Хе и Н2 очевидно, что добавка в жидкий Лт 100 млн-1 Н2 не может повлиять на синглетную компоненту сцинтилля-ционного сигнала. Это утверждение было нами подтверждено в данной работе экспериментально.
В работе [5] была сделана попытка использования в аргоновой двухфазной камере в качестве гасящей добавки водород, однако вследствие недостаточно чистого в камере аргона ее авторы не обнаружили при добавке водорода улучшения работы камеры. Хотя при этом они не обнаружили и эффекта существенного уменьшения эмиссии электронов из жидкого аргона в газовую фазу.
2. КАМЕРА С МНОГОКАНАЛЬНЫМ
ГАЗОВЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ УМНОЖИТЕЛЕМ
На рис. 1 представлена проволочная камера с
многоканальным газовым электронным умножителем (м.г.э.у.) с зазором 1 мм, электроды которой на-
мотаны проводом из бериллиевой бронзы 00.1 мм
[6]. На рис. 2 представлена зависимость коэффи-
циентов размножения электронов в м.г.э.у. от разности потенциалов между обкладками м.г.э.у. с газовой смесью Лт + 10% Н2 (1 ата) при детектировании а- и Р-частиц. Газовая смесь была очищена
от кислорода адсорбентом №/8Ю2 до уровня ~10—9
Кус 103
102
101
10°
е- Лт + 10% Н2 1% 50%
Г/ а
1 1
0.5
1.0
1.5
дк
м.г.э.у.
2.0 кВ
Рис. 2. Зависимость коэффициентов размножения электронов от разности потенциалов между электродами м.г.э.у. при регистрации а- и Р-частиц (в процентах указано относительное количество стример -ных разрядов). Камера (рис. 1) заполнялась смесью Лт + 10% Н2 (1 ата).
экв. О2. Максимальный коэффициент размножения электронов при регистрации а-частиц ограничивался искровыми пробоями и составил величину кшах = ~зоо,
^шах ,,,,,
„ус = ~300, практически совпадающую с результатом, полученным при заполнении этой же камеры неоном [7]. При детектировании Р-частиц (63№) куШах = 9 • 102.
3. КАМЕРЫ С АНОДОМ-ОСТРИЕМ
На рис. 3 представлена камера с м.г.э.у. и анодом-острием [8]. В качестве острия использована стальная швейная игла с диаметром в средней части ~0.5 мм. Острие иглы располагалось в центре отверстия м.г.э.у., по высоте — на уровне плоскости, ограничивающей нижний электрод м.г.э.у. Камера заполнялась смесью Лт + 10% Н2 (1 ата).
На рис. 4 представлена зависимость коэффициента размножения электронов на острие от анодного напряжения ¥а. Разность потенциалов между электродами м.г.э.у. была небольшой, обеспечивающей только транспортировку электронов из дрейфового зазора камеры на острие без размножения в м.г.э.у. Максимальный коэффициент размножения на острие составил 2.5 • 105. Поскольку количество электронов ионизации, собираемых с а-трека, равно ~2 • 104, то полный максимальный заряд электронов в лавине на острие равнялся ~5 • 109е—, что существенно превосходит величины зарядов, полученных в детекторах Мюторайетп [9].
При заполнении камеры смесью № + + ~100 млн—1 (Н20 + 02 + К2) [2] и одновременном размножении электронов в м.г.э.у. и на острие получен максимальный коэффициент раз-
0
Рис. 3. Проволочный м.г.э.у. в сочетании с анодом-острием.
множения электронов 2 • 106 (рис. 5). Полный максимальный заряд электронов в лавине на острие составил для этой смеси величину около 2 • 1010е~, существенно превышающую предел Raetheг, равный 108.
Причинами, позволившими получить в выбранной геометрии анод-острие + катод-отверстие столь высокий коэффициент размножения электронов, являются следующие:
1) высокая напряженность электрического поля вблизи острия, быстро уменьшающаяся по закону Е ~ 1/г2, позволяет получить у поверхности острия высокий коэффициент размножения электронов и невысокое размножение вдали от острия, что в результате приводит в области больших напряжений к образованию, в основном, самогасящихся стримеров, не вызывающих пробоев [9];
2) положительные ионы из лавины на острие транспортируются электрическим полем, в основном, на стенки отверстия, в котором расположено острие, и в меньшем количестве навстречу электронам ионизации, собираемым на острие (рис. 6), что подавляет возможность развития стримеров на границе облака положительных ионов и лавины электронов [9, 10];
3) в используемой конструкции детектора исключаются пробои по изолятору между острием и стенками отверстия-катода, в котором расположено острие [7, 11].
Фронты сигналов, получаемых на острие, составляют <3 мкс, однако дифференцирование сигналов позволяет выделить начальные участки фронтов ~0.2-0.3 мкс. Крутизна фронтов сигналов на острие определяется геометрией системы острие - отверстие и разностью потенциалов между ними. Высокая напряженность электрического поля вблизи острия обеспечивает быстрое удаление от острия чехла положительных ионов, что в
Рис. 4. Зависимость коэффициента размножения электронов на острие от анодного напряжения при заполнении камеры (рис. 3) смесью Аг +10% Н2 (1 ата).
сочетании с небольшой величиной зазора между острием и стенками отверстия-катода (~0.4 мм) обеспечивает быстрое уменьшение величины сигнала, индуцированного на острие чехлом положительных ионов, т.е. обеспечивает большую крутизну фронта сигналов.
На рис. 7 представлена камера с анодом-острием, расположенным в катоде на расстоянии от м.г.э.у., равном 1.5 мм. Острие располагалось по
Кус 106
105
104
103
2
10
101
10° г
400 К, В
Рис. 5. Зависимость коэффициента размножения электронов одновременно в м.г.э.у. (Кус1 ~ 200) и на аноде-острие (Кус2 = 0-104) от анодного напряжения при заполнении камеры (рис. 3) смесью N + ~100 млн-1 (Н20 + 02 + N2) (1 ата) и детектировании а-частиц.
1 мм
© •••
uuuuuu© © © •• ©©©©
}—0
Электроды м.г.э.у.
-V
Рис. 6. Схема движения положительных ионов из лавин, развивающихся на острие, и электронов, собираемых на острие.
центру
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.