Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные типы детекторов газового усиления и режимы их работы. Принципы работы резистивной плоской камеры
1.1 Детекторы газового усиления
1.1.1 Счетчик Гейгера и дрейфовая камера
1.1.2 Плоскопараллсльные камеры и искровой счётчик ... 13
1.1.3 Счетчик Пестова 16
1.1.4 Рсзистнвпые плоские камеры 19
1.2 Основные положения теории газового разряда при плоскопараллслыюй конфигурации детектора 21
1.2.1 Возникновение электронной лавины при газовом разряде 21
1.2.2 Развитие стримера в однородном электрическом поле.23
1.2.2.1 Механизм формирования анодно-направленного стри м ера 25
1.2.2.2 Механизм формирования катодно-направленного стримера 26
1.2.3 Замечания 27
1.3. Принципы работы резистивной плоской камеры 28
1.3.1 Конструкция детектора 28
1.3.2 Основные режимы работы и их характеристики 30
1.3.3 Влияние первичной ионизации и размера газового зазора 33
1.3.4 Соотношение для полного и индуцированного зарядов 41
1.3.5 Зависимость амплитуды индуцированного тока от положения движущегося заряда относительно стрнпа 43
1.3.6 Состав рабочих газов 44
1.3.7 Воздействие различных факторов 47
1.3.7.1 Материал электродов 47
1.3.7.2 Влияние температуры и давления 49
1.3.7.3 Влияние проводимости высоковольтного слоя... 50
Глава 2. Исследование механизма лавинно-стримерного перехода в 2мм резистивной плоской камере 52
2.1 Использование лазера для исследования свойств разряда. 52
2.1.1 Экспериментальная установка 53
2.1.2 Методические измерения 55
2.1.3 Результаты изучения картины стримерного разряда ... 57
2.2 Свойства разряда, вызванного прохождением заряженной частицы 61
2.2.1 Конструкция детектора и схема установки 62
2.2.2 Методика измерений... 64
2.2.3 Экспериментальные результаты 68
2.2.4 Выводы 72
Глава 3. Исследование характеристик резистивной плоской камеры с 2мм газовым зазором 73
3.1 Требования, предъявляемые в эксперименте ATLAS 73
3.2 Схема экспериментальной установки 74
3.3 Исследование влияния газовой добавки SF6 78
3.3.1 Ширина плато для рабочих напряжений п величина индуцированного заряда 78
3.3.2 Зависимость множественности срабатывания стрипов от концентра пин SFe 84
3.3.3 Вы воды 89
3.4 Исследование конструктивных особенностей резистивнои плоской камеры 90
3.4.1 Влияние проводимости токопроводящего слоя 90
3.4.2 Влияние электромагнитных экранов 93
3.4.3 Исследование множественности срабатывания стрипов97
3.4.4 Влияние конфигурации электродов 100
3.4.5 Выводы 103
Глава 4. Разработка многозазорной резистивнои плоской камеры для времяпролетных измерений 104
4.1 Требования, предъявляемые в эксперименте ALICE 104
4.2 Схема экспериментальной установки 106
4.3 Разработка миогозазорной резистішноп плоской камеры с высоким временным разрешением 108
4.3.1 Описание прототипа детектора 109
4.3.2 Исследование прототипа детектора ПО
4.3.3 Тестирование полномасштабного образца 117
4.3.4 Вы воды 128
Глава 5. Создание времяпролетной системы для эксперимента HARP на основе многозазорной резистивной плоской Камеры 129
5.1 Разработка резистивных плоских счётчиков 129
5.1.1 Конструкция прототипа счётчика 131
5.1.2 Сравнение 2x0.6мм и 2х(2х0.3)мм счётчиков 132
5.1.3 ІІсслеловаїїис влиянии площади палов на временное разрешение , 136
5.1.4 Съём сигналов при помощи стрипов 141
5.1.5 Суммирование сигналов от нескольких падов 143
5.1.6 Оптимизации накамерной электроники 145
5.1.9 Выводы 149
5.2 Врсмяиролётная система в эксперименте HARP 150
5.2.1 Основные требования 150
5.2.2 Конструкция счётчика 150
5.2.2.1 Сборка электродов 152
5.2.2.2 Коробка счётчика 153
5.2.2.3 Считывающая электроника 154
5.2.3 Изготовление счётчиков 155
5.2.3.1 Подготовка и изготовление сборки электродов 155
5.2.3.2 Упаковка и тестирование счётчика 156
5.2.4 Эксплуатация детектора 156
5.2.4.1 Эксплуатационные параметры 156
5.2.4.2 Характеристики 157
5.2.5 Выводы 159
Список литературы
- Плоскопараллсльные камеры и искровой счётчик
- Соотношение для полного и индуцированного зарядов
- Результаты изучения картины стримерного разряда
- Исследование влияния газовой добавки SF6
Введение к работе
Актуальность проблемы
Развитие исследований в области физики высоких энергий требует создания новых, более совершенных и крупномасштабных установок как для коллайдер-ных экспериментов, так и для экспериментов с фиксированной мишенью. Яркими примерами этого являются проекты экспериментов ATLAS, CMS, ALICE, LHCb на создаваемом в ЦЕРНе (Швейцария) протонном коллайдере с энергией 8 ТэВ. Одной из важных составляющих таких проектов является наличие детекторов с хорошим временным разрешением, позволяющим создавать с их помощью системы триггера первого уровня и системы идентификации частиц по времени пролёта. У таких детекторов должны быть следующие свойства:
перекрытие больших площадей (до 10000 м2);
работа в сильных магнитных полях;
работа при больших загрузках (<10 -10 Гц/см );
временное разрешение для триггерных целей <1-2 нсек;
временное разрешение для измерения времени пролёта <100 псек;
достаточно хорошее (<1 см) координатное разрешение.
Таким образом, постановка экспериментов нового поколения потребовала разработки новых подходов и технологий для создания детектора с высоким временным разрешением. Таким детектором могла бы стать резистивная плоская камера (РПК). При обеспечении устойчивости её работы в лавинном режиме, РПК была бы идеальным временным детектором для нового поколения экспериментов в силу простоты и дешевизны конструкции. Актуальность вышеперечисленных аргументов определила тематику исследований, проведённых в данной диссертационной работе.
Цель диссертационной работы:
Исследование процесса развития разряда в РПК с целью оптимизации режима её работы.
Исследование временных свойств РПК при работе в насыщенном лавинном режиме с целью их использования во времяпролётных системах при больших загрузках.
j-«C НАЦИОНАЛЬНАЯ I
I вЫВЛМПКА 1
1 * $Ч$3{$ \
3. Разработка и создание времяпролётных систем на основе РПК для идентификации частиц в экспериментах ALICE и HARP.
Автор защищает:
Результаты экспериментального изучения пространственно-временных характеристик развития разряда и механизма возникновения (примерного разряда в РПК.
Результаты экспериментального изучения влияния электроотрицательной добавки к газовой смеси на основе тетрафторэтана на множественность срабатывания электродов, ширину рабочего плато напряжений и вероятность возникновения стримерного разряда в РПК.
Результаты экспериментального изучения межэлектродных наводок в РПК, возникающих при регистрации частицы, в том числе результаты изучения множественности срабатывания электродов в зависимости от конструкции системы съёма сигналов.
Разработку и исследование характеристик многозазорных РПК с временным разрешением 50-60 пс для эксперимента ALICE.
Разработку и исследование характеристик тонкого 4-зазорного резистивного плоского счётчика (РПС) с временным разрешением 70-80 пс, в том числе исследование зависимости временного разрешения от конфигурации электрода для съёма сигнала.
Разработку и создание многоканальной времяпролетной системы на основе тонких РПС для эксперимента HARP.
Научная новизна и практическая ценность
Впервые изучен механизм развития разряда в РПК с помощью одновременной регистрации оптической и электронной информации.
Впервые проведено детальное изучение влияние добавки SF6 к рабочей газовой смеси на характеристики РПК.
Впервые получена количественная картина распределения межэлектродных наводок в зависимости от конфигурации системы съёма сигналов.
Впервые разработан газовый детектор на основе РПК с временным разрешением около 60 пс.
Впервые разработана, создана и успешно работает в реальном эксперименте многоканальная времяпролётная система на основе впервые предложенной конфигурации тонкого РПС. Детально исследованы характеристики такого счётчика, в том числе:
зависимость временного разрешения от числа газовых зазоров; зависимость временного разрешения от площади и конфигурации электрода для съёма сигнала.
Апробация работы и публикации
Результаты работы докладывались на 5-й и 6-й Международных конференциях «Resistive Plate Chambers and Related Detectors» (Бари, Италия, 28-29 окт. 1999 г.; Коимбра, Португалия, 26-27 нояб. 2001 г.), а также на МП Международной конференции «Instrumentation for Colliding Beam Physics» (Новосибирск, Россия; 28 февр.- 6 марта 2002 г.).
В основу диссертации легли публикации 2000-2002 гг. в журналах «Nuclear Instruments and Methods in Physics Research» [1-4], препринтах ИФВЭ [5-9] и в материалах международной конференции [10].
Структура диссертации
Диссертация изложена на 170 страницах, состоит из введения, пяти глав и заключения. Каждая глава заканчивается кратким резюме. Основные выводы диссертации приведены в заключении. Диссертация содержит 82 рисунка, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 101 наименования.
Представленная работа была выполнена в лаборатории нейтринных взаимодействий Отдела нейтринной физики Института физики высоких энергий (ИФВЭ) на ускорителе У-70 в ИФВЭ, а также в World Laboratory (Lausanne, Switzerland) на ускорителе PS в ЦЕРН (CERN). Часть работы выполнена при поддержке гранта РФФИ № 98-02-17153.
Плоскопараллсльные камеры и искровой счётчик
От проволочных детекторов существенно отличаются газовые детекторы с плоской геометрией электродов (плоские камеры). Такие детекторы обычно имеют два электрода - анод и катод. Электроды могут быть металлическими или из материала с низкой проводимостью, Рост лавины в плоских камерах и в проволочных детекторах имеет существенные различия. В проволочном детекторе (рис. 1.1.1) первичные кластеры ионизации движутся под действием радиального поля и последовательно достигают области размножения вблизи анодной проволочки. Поэтому при использовании электроники с широкой полосой пропускания сигнал проволочного детектора выглядит как серия импульсов, соответствующих отдельным лавинам, соответствующих первичным кластерам. В противоположность этому, в плоских камерах все кластеры начальной ионизации находятся в одинаковом поле, напряжённость которого достаточно велика, чтобы сразу начался процесс размножения электронов. Поэтому соответствующие лавины растут одновременно, пока не достигнут максимальных размеров, определяемых расстоянием от первичного кластера до анодной плоскости. Сигнал детектора это одиночный импульс, который индуцируется одновременно всеми лавинами.
При временных измерениях большим преимуществом плоскопараллельных детекторов является однородность электрического поля внутри газового зазора. В этом случае временной сигнал начинает формироваться одновременно изо всех кластеров первичной ионизации, вне зависимости от их пространственного положения. При этом время прохождения частицей газового зазора равного нескольким миллиметрам накладывает нижний предел на временное разрешение, равный порядка Юпс для релятивистской частицы. Схема ППК: 1- кварцевое волокно; 2- катод сделанный напылением металла (например хрома) на подложку; 3- высоковольтный вывод, сделан через отверстие в подложке; 4-анод, сделан также как и катод; 5- подложка - керамические пластины; 6- низковольтный вывод; HV-обозначение высоковольтного источника.
На рис. 1.1.2 изображена схема плоскопараллельной камеры (ППК)13,14,15,3 . На рисунке она изображена с двумя металлизированными электродами. ППК - это газовый детектор с одним газовым зазором, работающий в лавинном режиме. Он состоит из двух параллельных электродов, изготовленных из металла или металлизированных керамических или пластиковых пластин. Электроды могут устанавливаться на расстоянии от 0.5 до 2мм друг от друга, с точностью 5-10мкм. Такая точность обеспечивается применением фиксирующих прокладок из кварцевого волокна. Внутренние поверхности электродов тщательно полируются, а кромки специально обрабатываются. Это делается для того, чтобы электрическое поле в зазоре было в большой степени однородно. Параллельность электродов обычно выдерживается с точностью в Юмкм. Площадь электродов находится в пределах от 10x10мм2 до 100x100мм2. Большое электрическое поле (2-бкВ/мм) между электродами вызывает быстрый рост лавинного разряда из кластеров первичной ионизации, после прохождения частицы. Движение электронов приводит к появлению индуцированного на электроды «быстрого» сигнала" со временем нарастания менее 1нс. В зависимости от газового наполнения, ППК может работать с газовым усилением 103-104 при очень низкой вероятности искрового пробоя15 14 15.
Большим достоинством ППК является высокая загрузочная способность1 до 107Гц/см:. Благодаря этому свойству ППК широко исследовались для использования в мюонных калориметрах. Однако, развитие ППК, в первую очередь, было связано с желанием использовать этот детектор для измерения времени пролёта", где требовалось временное разрешение детектора около ЮОпс. Первоначально исследовались ППК с 1.5мм газовым зазором. Газовое наполнение осуществлялось смесями, состоящими из углекислого газа (С02), изобутана (/-С4Н0) и аргона (Аг) в различных пропорциях. Однако эффективность регистрации таким детектором была около 90% в той области напряжений питания, где мала вероятность искрового пробоя ( 10 ). Такая низкая эффективность была обусловлена экспоненциальной формой получаемого зарядового спектра. Временное разрешение детектора было -ЗООпс. Ситуация заметно улучшилась, когда стали исследовать ППК, состоящие из двух газовых зазоров по 0.6мм (т.е. детектор состоящий нз двух одно зазорных ППК соединённых параллельно и расположенных одна за другой), и в качестве рабочего газа стали использовать смеси, где основной компонентой был фреон. Использование фреонов привело к изменению формы спектра сигналов - спектр стал обладать максимумом значительно отстоящим от нуля, поэтому эффективность регистрации достигла величины -100%. Применение более узкого зазора было направлено па улучшение временного разрешения детектора, которое достигло 200пс.
Существует ряд модификаций ППК, у которых один из электродов изготовлен из стекла16 с небольшим объёмным сопротивлением или в зазор между металлизированными электродами установлен стеклянный «плавающий» электрод1718 (т.е. непосредственно на него не подается напряжение от источника) так, чтобы получилось два одинаковых газовых зазора. При этом применяется стекло с низким объёмным сопротивлением 10ш-10мОмсм. Появление стеклянного электрода приводит к нулевой вероятности появления искры. Поэтому имеется возможность значительно увеличить газовое усиление в детекторе, увеличивая напряжение питания. Такие камеры называют резистивными. Применение резистивного электрода приводит к ограничению загрузочной способности детектора, это связано с длительным временем ухода зарядов, образованных при разряде, с поверхности электрода, который имеет большое сопротивление (а также некоторую ёмкость). Исследования 3 показали, что для резистивной ППК с величиной газового зазора 0.3мм можно достичь временного разрешения около ШОпс. Последние модификации близки по своим принципам к резистивной плоской камере (РПК).
Следует отметить, что плоские камеры с металлическими электродами могут работать в искровом режиме. В этом случае их называют искровыми счётчиками. Стандартный искровой счетчик имеет малую площадь порядка 1см , т.к. с увеличением площади электродов энергия искрового разряда становится достаточно большой, чтобы вызывать разрушение электродов. Максимальная скорость счёта ограничена по причине значительного мёртвого времени 1мс, необходимого для удаления ионов из газового зазора. Счётчик Псстова лишен этих недостатков, т.к. разряд в нём локализован и ограничен16.
Соотношение для полного и индуцированного зарядов
Основные характеристики электрического разряда в газовом зазоре РПК, работающей в пропорциональном режиме, такие как газовое усиление и величина токового сигнала, могут быть получены исходя из Таунсендовекой теории52. Вычисление газового усиления в РПК может быть упрощено, если набор ионизационных кластеров рассматривать как равномерно распределённую ионизацию по всей глубине зазора. При таком подходе могут быть вычислены средние значения величин, но не их флуктуации.
Первичная ионизация может быть записана в виде / -end , где е — заряд электрона, п - среднее число электронов первичной ионизации на единицу длины , d - размер газового зазора. По прошествии промежутка времени t после появления первичной ионизации, возникшие лавины смещаются в анодном направлении на расстояние Ах = v/, где v - скорость дрейфа электронов. Поэтому вес лавины, возникшие на расстоянии от анода х vt , имеют одинаковое газовое усиление е" , где а - первый коэффициент Таунсенда, а все другие лавины останавливаются на анодной плоскости.
Это отношение индуцированного на электродах заряда к полному заряду, возникающему в детекторе. В реальной РПК, оно уменьшается, из-за толщины резистивных электродов, которая сравнима с величиной газового зазора, что приводит к заметному увеличению расстояния между элементами для съёма сигнала (стрип или пад) и объемным зарядом в газе. Если рассматривать газовый зазор и резистивные пластины как последовательно соединённые конденсаторы, то можно получить дополнительный снижающий фактор ґі 2AY Н , где ft толщина резистивных пластин, с - относительная { Ed) диэлектрическая проницаемость материала. Тогда получается окончательное соотношение ъ=—4/Г азл2) У 2atf(I + —) а! которое может быть получено и другими способами53. Если взять параметры реальной РПК - /і=2мм, /-=2мм, е=5, а для насыщенной лавины считать что а /=20, тогда qlQ = 1/56 = 0.02. Более аккуратные вычисления53 и экспериментальные измерения97 дают, что индуцированный заряд в 10-20 раз меньше полного. Эти цифры используют при оценке загрузочных свойств РПК.
Для минимизации множественности срабатывания, большое значение имеет соотношение между амплитудами сигналов наводимых на соседние электроды. Как будет показано в следующей главе, при определённом подборе расположения сигнальных электродов можно получать на смежных электродах наведенные сигналы противоположных полярностей. Индуцированный движущимся зарядом Q на электрод ток / определяется следующим берётся в той точке, где находится заряд. Оно имеет размерность обратную длине и вычисляется при следующих условиях - к электроду, для которого ищется индуцированный ток, прикладывается потенциал в Ш, а все остальные заземляются. Взвешенное поле используется только для вычисления индуцированного тока и не имеет отношения к полям, реально существующим в детекторе. В работах [54,55] была развита упрощённая теория для сигналов, индуцированных движущимся зарядом применительно к РПК. Авторы этих работ получили выражения для индуцированного на стрип тока. Однако эти выражения довольно громоздкие и требуют вычислений численными методами. Было показано, что диэлектрическая проницаемость электродов оказывает малое влияние на индуцированный сигнал. И поэтому для вычислений с большой точностью можно использовать модель плоского конденсатора, где стрипы представляют собой подобласти одного (бесконечного) электрода. Для тока проходящего через анодный стрип шириной w:
Коэффициент усиления в благородных газах превосходит этот же коэффициент для органических молекул при одинаковом прикладываемом напряжении. Поэтому для работы в стримерном режиме используют газовые смеси на основе аргона с процентным содержанием 50 -70%5859ъо. Этот газ переходит в основное состояние, испуская фотоны с минимальной энергией П.бэВ, превосходящей работу выхода из катода (для большинства веществ работа выхода 10эВ), что приводит к эффективному выбиванию фотоэлектронов из катода, которые инициируют новые лавины. Разряд не захватывает весь газовый бьем камеры по причине высокого сопротивления электродов и из-за присутствия в газовой смеси других компонентов -нзобутана и фреона. Традиционная газовая смесь, использованная во многих экспериментах61 616364, имеет следующие пропорции: примерно 2/3 аргон, около 1/3 изобутан, и несколько процентов фреона CBrFj (промышленное обозначение R13B1).
Многоатомные молекулы ведут себя другим способом, чем атомы благородных газов, особенно если они состоят более чем из четырех атомов. Большое количество возбужденных состояний, не приводящих к радиационным переходам (вращательные и колебательные), позволяют поглощать фотоны в широкой области энергий. Например, изобутан (/-СіНю) хорошо поглощает фотоны13 из области от 8 до 20эВ, которая перекрывает область энергий фотонов, излучаемых аргоном. Это общее свойство многих углеводородов, спиртов и фреонов. Эти молекулы снижают свою энергию при столкновениях и посредством диссоциации на радикалы. Даже небольшие добавки многоатомных газов в смеси на основе благородных газов приводят к эффективному подавлению вторичной эмиссии фотоэлектронов и усилению в лавине до 106 прежде, чем появится вторичный разряд.
Молекулы многих газов, кроме благородных, обладают некоторым сродством к электрону. Это означает, что во время развития разряда образуются отрицательные ионы, дрейфовые скорости которых также как у положительных, примерно на три порядка меньше чем у электронов. Поэтому присутствие в газе электроотрицательных примесей с большим сечением прилипания электронов приводит к замедлению развития разряда и уменьшению величины «быстрого сигнала». Сечения прилипания для разных электроотрицательных газов могут отличаться на порядки . При лавинном разряде можно ввести понятие температуры электронов, т.к. движение под действием внешнего поля носит характер дрейфа . Тогда вероятность образования отрицательных ионов можно рассматривать относительно величины этой температуры.
Одним из самых больших сечений прилипания тепловых электронов обладает шести фтористая сера (SFe). При температуре электронов ЗООК коэффициент прилипания ка достигает65 6fi 67 10"7CMV. Здесь ка определён как свёртка произведения сечения прилипання н скорости электрона с распределением электронов по энергиям2. Соединение SF6 впервые было использовано в работе [72] для подавления развития стримера в РПК. В последующих работах были детально изучены характеристики РПК для газовых смесей содержащих добавку этого газа.
Предполагается, что скорости электронов подчиняются распределению Максвелла. концентрация и температура электронов в лавине малы. Поэтому ка примерно постоянен (как это следует из [66]) и рост лавины подчиняется обычному экспоненциальному закону. Только нужно учесть, что коэффициент ионизации будет меньше. Если усиление в лавине начинает нарастать быстрее (т.е. начинается переход лавина - стример), концентрация и температура электронов в её головке быстро увеличиваются. Увеличение электронной температуры приводит к увеличению коэффициента прилипания, и как следствие замедлению роста лавины. Поэтому стримера не возникает. Конечно, область действия такого механизма ограничена, т.к. при температурах больших 500К снова начинается снижение вероятности образования отрицательных ионов. Т.е. наличие SVb добавки в газовую смесь не исключает стример вообще, а только расширяет некоторую область напряжений, где стрнмерных сигналов не наблюдается.
Результаты изучения картины стримерного разряда
Информацию о характере протекающего разряда можно получить из рассмотрения спектра его излучения. Для стримерного разряда, число регистрируемых ФЭУ-87 фотоэлектронов в зависимости от заряда сигнала РПК хорошо аппроксимируется линейной зависимостью. Эта зависимость представлена на рис.2.1.4, когда между фотокатодом ФЭУ-87 и анодом РПК нет светофильтров.
Два характерные изображения стримерного разряда в РПК с АгДС Ню/СРзВг = 54/36/10 газовой смесью. Стрелка с надписью "лазер" указывает на место попадания лазерного импульса Б РПК. Характерное для РПК поведение зарядов в «одноэлектронном» режиме и пропорциональность светового излучения заряду указывают на достоверность выводов, которые можно сделать при помощи этого метода.
Типичные пространственные распределения стримерного разряда, полученные при помощи оптического преобразователя, представлены на рис.2.1.6. Из этих рисунков следует, что стримерный разряд представляет собой серию пробоев в РПК, ближайшие из которых отстоят в плоскости камеры друг от друга па расстоянии порядка величины газового зазора. Диаметр пятен на картинках составляет около 2мм. На рис.2.1.7 построена зависимость числа этих пятен от полного регистрируемого электрического заряда. Здесь видна линейная зависимость для средних величин зарядов и числа пятен.
Зависимость числа световых пятен (Nspot), зарегистрированных при разряде, от величины индуцированного заряда (Q, пКл). Можно сделать вывод (рис.2.1.5, 2.1.6, 2.1.7), что вторичные стримерные импульсы вызваны механизмом вторичной эмиссии фотоэлектронов с катода. Пусть первичный разряд излучает в среднем д: фотонов, которые способны выбить из катода фотоэлектроны и тем самым создать новые разряды в окрестности первичного. На самом деле возникает меньшее число вторичных лавин - ki, число которых описывается неким распределением. Каждый из вторичных разрядов снова образует х фотонов, так что с некоторой вероятностью образуется kz=f{kx x) третичных разрядов. Существенный момент состоит в том, что среди множества значений kt есть число ноль. И поэтому развитие процесса может прекратиться на любой стадии. В работе [79] показано, что если это неизвестное распределение есть распределение Пуассона, то, например, при х=1.\ вероятность остановки 80%. В реальной РГЖ такой процесс вообще не может развиваться до бесконечности, из-за снижения электрического поля в области разряда, состоящей из множества вторичных пробоев (рис.2.1.6).
Пространственное разрешение и загрузочная способность детектора, работающего с газовой смесью на основе аргона Аг/(-С4Ню/СРзВг, вероятно, определяется именно этим механизмом. Координатное разрешение РПК составляет, по порядку величины, 1см. При заряде стримера около 10СМ50пКл в среднем образуются 2-3 разряда, что приводит к снижению в 2-3 раза допустимой загрузки камеры па единицу площади по сравнению со случаем отсутствия вторичных стримеров.
Вероятность появления стримерного сигнала существенно меньше в газовых смесях на основе фреонов по сравнению со смесями на основе аргон-изобутана. Однако стример демонстрирует в этих случаях одинаковое поведение: после лавинного сигнала - с задержкой в десятки наносекунд -следует стримерный импульс, заряд которого может превышать на порядок заряд лавины. Для исследования перехода лавина - стример в условиях реального эксперимента, были проделаны измерения на пучке заряженных частиц, для газовых смесей на основе тетрафторэтапа.
Для работы на пучке частиц была сделана РПК, схема которой изображена на рис.2.2.1. Она имела размеры активной области 60x60мм2. Величина газового зазора составляла 2.1мм. Анод был стеклянный, толщиною 2мм, с объёмным сопротивление 10"Ом См. Внешняя поверхность анодного стекла была покрыта прозрачным проводящим слоем оксида хрома. Катод сделан из бакелита, толщиною 1.6мм и объёмным сопротивлением 1012Ом-см. На внешней поверхности катода был расположен пад, который через сопротивление в 1кОм соединялся с землёй. Рамка камеры была изготовлена из поливинил-хлорида, в одной из сторон которой было окно из майлара, чтобы наблюдать разряд через боковую поверхность.
Конструкция РПК: glass electrode - стеклянный анод; semitransparent HV layer -прозрачное проводящее напыление для подачи на анод напряжения; maylar window -прозрачное боковое окно в рамке РПК для наблюдения разряда сбоку; output -обозначение места съёма сигнала; РММА - рамка РПК; bakelite electrode - катод РПК, изготовленный из пластика; graphite layer - проводящий слой катода; support -поддерживающая пластина.
Для исследования развития разряда применялась установка изображённая на рис.2.2.2. Триггсрный сигнал вырабатывался тремя сцинтилляционными счетчиками SI, S2 и S3, включенными в схему совпадения, и вето-счётчиком, включённым в антисовпадение с SI, S2 и S3. Площадь, перекрываемая SI, S2 и S3, составляла 1.0x5.0см2. Величина триггерной области в вертикальном направлении была равна 5см. Величина триггерной области в горизонтальном направлении определялась шириной счетчиков S1 и S2 (1см), поэтому точность измерения в этом направлении составляла ± 5мм. S1 и S2 были разнесены на расстояние 7м. Диаметр отверстия в вето-счётчике составлял 25мм.
Исследование влияния газовой добавки SF6
С практической точки зрения очень важно иметь широкую область высокого напряжения, где мала вероятность появления стримера, а заряд лавины максимален, т.е. лавина насыщена. Если, например, на плато эффективности имеется такая область шириной в 1кВ, то можно выбрать рабочую точку, отстоящую на 0.5кВ от колена эффективности. Тогда, если рабочее напряжение составляет около ЮкВ, то возможны вариации электрического поля в камере ±5%.
Для получения такого плато использовалась добавка газа SFb к смесям на основе фреона C:H:Fj (TFE). Некоторое обоснование такому применению SF6 дано в п. 1.3.6, Процентное содержание изобутама (IB) было фиксировано на величине 3%, а концентрация SF6 варьировалась в пределах от 0% до 5%. Добавление SF6 приводит к кардинальным изменениям зарядовых распределений в области напряжений выше VW, где Vinee определено как величина напряжения, при котором величина эффективности достигает 98%. Этот эффект проиллюстрирован на рис.3.3.1, где показаны зарядовые распределения при величине высокого напряжения, превышающего Vt«re на 1кВ, для различных концентраций SF6. Для бинарной смеси (TFE/IB=97/3) наблюдается зарядовое распределение с разделенными друг от друга лавинной и стримернон частями. При увеличении концентрации SF6 форма распределения начинает трансформироваться. На рисунке ясно видна тенденция к слиянию стримерной и лавинной частей. При этом уменьшается заряд стримерного разряда, а зарядовое распределение лавин расширяется.
Средняя величина зарядов как функция AV для TFE/IB/SFS смесей с 3% изобутана и различными концентрациями SFe. {AV определяется как разность между прикладываемым напряжением и напряжением Мша, при котором эффективность регистрации достигает 98%) Черные и белые кружки показывают лавинный и полный заряды соответственно для TFE/lB=97/3 газовой смеси.
Для сравнения величин зарядов на рисунке также приселено поведение среднего лавинного заряда для бинарной смеси, где средние заряды больше, что приводит к большему времени восстановления, Если для бинарной смеси рассматривать поведение среднего заряда лавин в области выше VlR e, то оно сохраняется таким же, как и ниже колена. Выше Vi(1„ для смесей, содержащих SF&, полный заряд qUli в некотором промежутке напряжений ведёт себя так же, как и лавинный заряд для бинарной смеси, а затем начинает быстро нарастать, но без заметного скачка, как это наблюдается при отсутствии SF . С увеличением концентрации этой добавки вплоть до 2% qu i дольше сохраняет «лавинную» зависимость от ЛУ. Поведение q!„i в зависимости от AV практически не меняется при увеличении концентрации SF6 от 2% до 5%, т.е. расширять далее таким способом бесстримерпое плато не имеет смысла.
Распределение зарядов сигналов при AV=1KB ДЛЯ TFE/IB/SF6 смесей с 2% SFe и различными концентрациями изобутана. На рис.3.3.2 хорошо видно универсальное поведение средних зарядов в лавинной области (ниже колена). Это означает, что при достаточно низких напряжённостях поля в газовом зазоре добавки SF6 не оказывают существенного влияния на эффективный коэффициент Таунсснда по сравнению со случаем использования TFE/IB газовой смеси.
Интересно выяснить влияние, которое оказывает добавка нзобутана на рабочие характеристики РПК, если, например, во фреоновой смеси есть 2% SFe. На рис.3.3.3 показаны зарядовые распределения для двух смесей - TFE/IB/SF6 = 93/5/2 и 98/0/2, при AV=\\zQ, При отсутствии нзобутана зарядовое распределение выглядит гладким, с максимумом, расположенным очень близко от нуля. Добавление 5% нзобутана приводит к заметному удалению максимума распределения от нуля, но в хвостовой части распределения появляется небольшой провал. Из таблицы видно, что для фреон-нзобутаиовой смеси при смешении на 1 kV от Vi„er отношение полного заряда к лавинному резко возрастает: от —1 при AV рапном пулю до -30 при AV=IKH. Если сравнивать полные заряды, то при смещении 4V=1KB наименьший (5.5 пКл) будет в газовой смеси TFE/IB/SF6=92/3/5. Это значение только в -1.5 раза больше среднего лавинного заряда при том же AV для газа TFE/IB = 97/3, что указывает на высокую эффективность подавления стримерного разряда. Поэтому состав газа в пропорциях 92/3/5 является наиболее оптимальным для высокоэффективной работы РПК в условиях больших фоновых загрузок. Очевидно, что с увеличением концентрации SFe начинает увеличиваться и Vw,, что есть следствие большой электроотрицательности этой добавки. Это приводит к снижению эффективного коэффициента ионизации Таунсенда ц(Е) = (а(Е)-(}(Е)), где Р(Е)- коэффициент прилипания.
