ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 108-112
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 539.1.075
УПРАВЛЯЕМЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ ДЛЯ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ ТИПА HAMAMATSU R11410-20, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЭМИССИОННОМ ДЕТЕКТОРЕ РЭД 100
© 2014 г. Д. Ю. Акимов*, **, А. И. Болоздыня*, Ю. В. Ефременко*, ***, Т. Д. Крахмалова*, В. А. Каплин*, А. В. Кумпан*, Ю. А. Меликян*, Е. М. Онищенко*, В. В. Сосновцев*, А. В. Шакиров*
* Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 ** Институт теоретической и экспериментальной физики, им. А.И. Алиханова НИЦ "Курчатовский институт"
Россия, 117218, Москва, ул. Большая Черемушкинская, 25 *** University of Tennessee 1331 Circle ParkDrive, 37996Knoxville, Tennessee, USA E-mail: shalexey91@mail.ru Поступила в редакцию 30.12.2013 г.
Разработана схема управления работой фотоэлектронного умножителя (ф.э.у.) Hamamatsu R11410-20, предназначенного для использования в жидкоксеноновом эмиссионном детекторе РЭД 100. Для предотвращения деградации фотокатода из-за мощных засветок, связанных с сигналами от высокоэнергичных космических мюонов, схема формирует импульс напряжения, подаваемый на фотокатод ф.э.у., который "запирает" межэлектродный промежуток между фотокатодом и первым дино-дом. Тем самым предотвращается прохождение электронного тока через этот промежуток на определенное время, достаточное для полного собирания электронов ионизации в детекторе РЭД 100 после пересечения его чувствительного объема космическим мюоном. Параметры схемы подобраны так, что время релаксации ф.э.у. после окончания действия запирающего импульса, определяемое переходными процессами в делителе, составляет ~200 мкс при полном сопротивлении делителя 20 МОм, что является приемлемым для предполагаемого использования детектора РЭД 100 в эксперименте по поиску когерентного рассеяния нейтрино на ядрах ксенона.
DOI: 10.7868/S0032816214050012
ВВЕДЕНИЕ
Эмиссионный детектор на жидком ксеноне РЭД 100 создается усилиями коллаборации РЭД (Российские эмиссионные детекторы) для обнаружения и исследования эффекта когерентного рассеяния нейтрино на тяжелых ядрах [1]. Принцип регистрации частиц в двухфазных эмиссионных детекторах, использующих благородные газы в качестве рабочих сред, иллюстрирует рис. 1. Электроны ионизации, образованные при взаимодействии регистрируемых частиц с жидкой фазой рабочей среды детектора, вытягиваются электрическим полем в газовую фазу, где, дрейфуя в достаточно сильном электрическом поле, вызывают свечение газа — электролюминесценцию [2]. Последняя примечательна тем, что дает огромный световой сигнал, пропорциональный числу электронов ионизации (~ 1000 фотонов на каждый электрон ионизации). С помощью такого детектора можно регистрировать единичные электроны, образованные в массивной (десятки и сотни килограммов) рабочей среде детектора [3].
В настоящее время эмиссионные детекторы широко используются в экспериментах по поиску массивных слабоионизирующих частиц темной материи [4—6].
При работе эмиссионного детектора РЭД 100, содержащего жидкий ксенон массой ~200 кг и экспонируемого в наземной лаборатории, может возникнуть проблема старения фотокатодов ф.э.у. в результате засветки от длинных и интенсивных сигналов от космических частиц высоких энергий.
Действительно, если толщина рабочего вещества детектора составляет 40 см, плотность жидкого ксенона 3 г/см3, то при пересечении космическим мюоном всей толщины рабочего вещества в последнем выделяется энергия 240 МэВ, которая создает порядка 107 электронов ионизации вдоль трека мюона. С учетом геометрической и квантовой эффективностей фотоумножителей, коэффициента усиления ф.э.у. Наташки Я11410-20 и интенсивности электролюминесцентного сигнала плотность приведенного к аноду заряда на фото-
Рис. 1. Принцип работы эмиссионного детектора РЭД 100. Сц — сцинтилляционная вспышка в месте первичного взаимодействия частицы Х с плотным рабочим веществом детектора (жидким ксеноном); Эл — электролюминесцентная вспышка в газообразном Хе, рожденная электронами ионизации, эмитированными из жидкого ксенона и дрейфующими через газовую фазу под действием электрического поля Е; ф.э.у.1 и ф.э.у.2 — матрицы из фотоэлектронных умножителей (каждая состоит из 19-ти фотоэлектронных умножителей типа Иашаша18и Ш1410-20), регистрирующие электролюминесцентный и сцин-тилляционный сигналы соответственно.
катоде может достигать 10 Кл/см2 в год. В работах [7, 8] было показано, что характеристики бище-лочных фотокатодов заметно ухудшаются, начиная с плотностей заряда, приведенного к аноду, ~1 Кл/см2, что авторы этих работ связывают с действием на фотокатод обратного тока ионов остаточного газа. Согласно указанным оценкам плотности приведенного к аноду заряда на фотокатоде ф.э.у. Иашаша1ви Ш1410-20 в эксперименте РЭД 100, заметное изменение характеристик
фотокатодов из-за влияния вспышек электролюминесценции от мюонов можно ожидать менее чем через год работы в условиях эксперимента РЭД 100, что является неприемлемым. Данную проблему предлагается решить путем импульсного "выключения" ф.э.у. на время собирания электронов ионизации с трека мюона в жидком ксеноне, составляющее ~200 мкс.
СХЕМА УПРАВЛЯЕМОГО ДЕЛИТЕЛЯ
Для работы фотоэлектронного умножителя требуется делитель напряжения, который распределяет подаваемое на ф.э.у. напряжение между динодами и фотокатодом. Схема резистивного делителя ф.э.у. Иашаша1ви Ш1410-20 представлена на рис. 2. В используемой схеме высокое напряжение подается на анод ф.э.у. Для "выключения" ф.э.у. разработана электронная схема-ключ (рис. 3), обеспечивающая подачу на фотокатод импульса напряжения амплитудой ~300 В и длительностью ~200 мкс, запирающего промежуток "фотокатод-1-й динод" ф.э.у. на указанное время.
В этой схеме управляющий импульсный сигнал положительной полярности амплитудой 5 В подается на оптрон 6Ш36, выходной сигнал которого после усиления биполярными транзисторами ВС547 и ВС557 управляет полевым транзистором 1КРи9310, пропускающим в активном режиме опорное напряжение на выход. На выходе схемы образуется импульс положительной полярности, равный по длительности управляющему сигналу, а по амплитуде — опорному напряжению. Схема позволяет поддерживать на фотокатоде потенциал "земли" для обеспечения рабочего режима ф.э.у. Иашаша1ви Ю1410-20, а в момент пересечения космическим мюоном чувствительного объема детектора — формировать импульс напряжения длительностью 200 мкс, который запирает промежуток "фотокатод—1-й динод, тем самым "выключая" ф.э.у.
Сигнал
Рис. 2. Схема резистивного делителя ф.э.у. Иашаша18и Ш1410-20. ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 5 2014
110
АКИМОВ и др.
BZX12V1
220
5 к
6N136
2.2 22 к
300
-X
100 н
12 к
BC547
BC557
=р100 н
Упр. сигнал
3 к
+U опорное
IRFU9310
на фотокатод
2 к
Л
Вых. сигнал
Рис. 3. Принципиальная схема электронного ключа для "выключения" ф.э.у.
ИСПЫТАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ДЕЛИТЕЛЯ
Работа предложенной схемы была исследована с использованием моделирующего фоновую засветку светодиода, облучавшего фотокатод, и многоканального генератора импульсов Tektronix AFG3252, подававшего импульсные сигналы на драйвер светодиода и управляющую схему с частотой 100 Гц. С помощью цифрового осциллографа Tektronix DPO 3054 исследовались сигналы с анода ф.э.у. и с управляющей схемы.
На рис. 4 представлена зависимость относительной амплитуды сигнала фоновой засветки с ф.э.у. от амплитуды запирающего импульса. Видно, что подбором амплитуды последнего можно существенно уменьшить амплитуду импульса засветки, регистрируемого ф.э.у. В силу наличия емкостной связи между фотокатодом и динодами
Амплитуда, отн. ед. 10°
10
10
10
50 100 150 200 250 300 Амплитуда запирающего имульса, В
Рис. 4. Зависимость относительной амплитуды сигнала с анода ф.э.у. от амплитуды запирающего импульса.
существует заметный интервал времени после окончания "запирающего" импульса, в течение которого амплитуда сигнала с ф.э.у. восстанавливается до прежнего значения. Длительность этого времени релаксации определяется переходными процессами в делителе и должна зависеть от сопротивления делителя напряжения ф.э.у.
На рис. 5 представлены зависимости амплитуды выходного сигнала ф.э.у. от времени задержки между окончанием "запирающего" сигнала и сигналом со светодиода для различных сопротивлений делителя ф.э.у. Согласно рисунку, при наличии емкости С (1 нФ) между 1-м динодом ф.э.у. и "землей" (см. рис. 2) выброс на зависимостях амплитуды сигнала ф.э.у. от времени уменьшается с 50 до 10%. Видно также, что изменение сопротивления делителя ф.э.у. с 1.85 до 20 МОм приводит к увеличению времени релаксации ф.э.у. с ~25 до ~200 мкс.
Так как одна из матриц с ф.э.у. в детекторе РЭД 100 должна быть расположена в жидком ксеноне (см. рис. 1), величины сопротивлений в делителях должны быть подобраны таким образом, чтобы на них не происходило кипения жидкого ксенона. На рис. 6 представлена фотография делителя с полным сопротивлением 20 МОм. Отсутствие кипения на его сопротивлениях в жидком азоте было подтверждено визуальным способом при напряжении до 2 кВ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана схема управления работой ф.э.у. Hamamatsu R11410-20 для детектора РЭД 100. Показано, что:
— подаваемого на фотокатод ф.э.у. импульса достаточно для "запирания" промежутка "фото-катод-1-й динод" с целью эффективного подав-
8
6
3
5
Амплитуда, отн. ед. 1.6 1.4 1.2
1.0 0.8 0.6
0.4
0.2
0 50 100 150 200
Время задержки, мкс
Рис. 5. Зависимости амплитуды выходного сигнала ф.э.у. от времени задержки между окончанием запирающего сигнала и сигналом со светодиода для различных конфигураций делителя ф.э.у.
вания в эксперименте по обнаружению когерентного рассеяния нейтрино на ядрах ксенона.
Разработан и изготовлен делитель для ф.э.у. в эксперименте РЭД 100 с полным сопротивлением 20 МОм. Показано отсутствие кипения жидкого азота на его сопротивлениях при напряжении до 2 кВ.
Работа выполнена при поддержке государственного контракта НИЯУ МИФИ и Министерства образования РФ № 11.G34.31.0049 от 19 октября 2011 г. в рамках гранта прави
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.