ДРЕЙФОВАЯ КАМЕРА ДЛЯ РАБОТЫ В ВАКУУМЕ
DRIFT CHAMBER FOR VACUUM APPLICATIONS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к газовым ионизационным многопроволочным координатным детекторам, в частности к дрейфовым камерам с тонкостенными дрейфовыми трубками (строу), предназначенным для работы в вакууме, и может быть использовано в экспериментальной ядерной физике для регистрации и определения координат заряженных частиц, проходящих через объем камеры. Такие камеры, как и все дрейфовые детекторы, основаны на принципе измерения времени прихода на анод электронов, возникающих в дрейфовой трубке от ионизации газа при прохождении через нее заряженных частиц, которые умножаются в сильном радиальном электрическом поле вблизи тонкой анодной проволоки, натянутой вдоль ее оси. Обычно дрейфовые камеры работают в проточном режиме газовой смеси при давлении в трубках 1-3 атм.
Более двух десятков лет назад в экспериментальной ядерной физике началось проектирование, изготовление и испытание образцов дрейфовых камер из тонкостенных трубок для работы в вакууме, см. [1-5, 7]. Такие камеры имеют важные достоинства. Расположение тонкостенных дрейфовых трубок в вакуумном объеме позволяет резко понизить количество вещества по пути регистрируемых частиц, уменьшить потери энергии и многократное рассеяние по сравнению с прохождением частиц в атмосфере и существенно улучшить точность восстановления их координат. Это особенно важно для исследований очень редких процессов.
Но в настоящее время, насколько известно, еще нет дрейфовых камер из тонкостенных трубок, реально действующих в экспериментальных установках на ускорителях, хотя существует уже около десятка проектов экспериментов с такими камерами. По-видимому, это связано с дополнительными конструкционными и технологическими сложностями, возникающими при работе дрейфовых трубок в вакууме.
Одна из них состоит в том, что разность между рабочим давлением газовой смеси в трубке и вакуумом может вызвать повреждение трубок. Возможны и другие причины выхода трубок из строя, связанные с дефектами в самих трубках или с их некачественной герметизацией. При этом газовая смесь начнет поступать в вакуумный объем и вся камера выйдет из строя. Для защиты камеры от проникновения газовой смеси необходимо быстро перекрыть ее доступ в поврежденную трубку. Потребность в такой защите возрастает при увеличении рабочего давления в трубках или при уменьшении толщины их стенок, если это требуется по условиям эксперимента.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны аналоги дрейфовых камер, работающие в вакууме на основе тонкостенных дрейфовых трубок. В одном таком аналоге - строу детекторе [2], не предусмотрено защитное устройство в случае выхода трубок из строя и это является его недостатком. Другой аналог [4] - дрейфовая строу камера для работы в вакууме имеет общую систему подачи газовой смеси ко всем дрейфовым трубкам, что не позволяет расположить между отдельными трубками и газовой системой какое-либо устройство, которое в случае их повреждения защитит вакуумный объем от проникновения газовой смеси. Здесь защиту можно предусмотреть или в целом для всей камеры, или для большой группы трубок, объединенных общим газовым обеспечением. Следовательно, выход из строя даже одной трубки потребует отключения всей камеры или значительной ее части.
Наиболее близкой к предлагаемой дрейфовой камере (прототип) является камера для работы в вакууме [6], включающая цельное кольцо с множеством парных соосных отверстий и тонкостенные дрейфовые трубки с анодными проволоками вдоль их оси, с обоих концов снабженные герметично закрепленными в них самоцентрирующимися наконечниками с изоляционными вставками внутри, вместе с трубками, вакуумно-плотно вставленными в дополнительные втулки, которые также вакуумно-плотно, но с возможностью перемещения установлены в отверстия камеры; эти наконечники служат также для подвода к трубкам газовой смеси, высокого напряжения на анод и вывода электрических сигналов;
Недостатком этой дрейфовой камеры является отсутствие защиты на случай выхода какой-либо трубки из строя и проникновения газовой смеси через нее в вакуумный объем камеры и экспериментальной установки в целом. Это потребует выключения откачивающих устройств, разгерметизации вакуумного объема и смену поврежденной трубки, что в условиях эксперимента сделать сложно и приведет к большой потере ускорительного времени.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение решает задачу защиты работающей в вакууме дрейфовой камеры от проникновения в нее газовой смеси, в случае выхода какой либо дрейфовой трубки из строя.
Поставленная задача решается тем, что в камере, состоящей из цельного кольца с множеством парных соосных отверстий и тонкостенных дрейфовых трубок с анодными проволоками вдоль их оси, с обоих концов снабженных герметично закрепленными в них самоцентрирующимися наконечниками с изоляционными вставками внутри, вместе с трубками, вакуумно-плотно вставленными в дополнительные втулки, которые также вакуумно-плотно, но с возможностью перемещения установлены в отверстия камеры, а наконечники служат также для подвода к трубкам газовой смеси, высокого напряжения на анод и вывода электрических сигналов, обеспечение газовой смесью каждой трубки осуществляется через энергонезависимые защитные клапаны, снабженные входными и выходными штуцерами и соединяющие трубки с газовой системой, имеющей для этого индивидуальные патрубки, а каждый клапан выполнен в виде вертикально расположенного полого цилиндра с конусным отверстием в нижней части, в центре которого находится (например, подвешена на пружине) образующая в нем зазор пробка, имеющая возможность вертикального перемещения; при этом все клапаны соединены с дрейфовыми трубками со стороны конусного отверстия. Кроме того, проходное сечение зазора, образованного пробкой в клапане, выбрано равным или до 15% большим проходного сечения газовых вводов и выводов в дрейфовой трубке, при этом вдоль цилиндрической части клапана, вблизи рабочего положения цилиндрической части пробки, нанесены две или более канавки, а коэффициент жесткости пружины выбирается в зависимости от рабочей разности давлений на входе и выходе дрейфовых трубок, из условия сохранения рабочего сечения зазора при нормальной работе трубок и полного ее перекрытия в случае повреждения какой либо трубки из-за резкого уменьшения давления в нижней части клапана.
Отличительными признаками изобретения являются:
- Энергонезависимые защитные клапаны со штуцерами, через которые каждая дрейфовая трубка с обеих сторон связана с газовой системой.
- Каждый клапан имеет входной и выходной штуцера на концах и выполнен в виде вертикально расположенного полого цилиндра с конусным отверстием в его нижней части, в центре которого находится (например, подвешена на пружине) образующая в нем зазор пробка, имеющая возможность вертикального перемещения; при этом все клапаны соединены с дрейфовыми трубками со стороны конусного отверстия.
- Проходное сечение зазора, образованного в клапане пробкой, приблизительно равно или до 15% больше проходного сечения газовых вводов и выводов в дрейфовой трубке.
- Пробка имеет верхнюю цилиндрическую и нижнюю коническую части.
- Вдоль цилиндрической части клапана вблизи рабочего положения цилиндрической части пробки нанесены две или более канавки.
- Коэффициент жесткости пружины в клапанах выбирается в зависимости от рабочей разности давлений на входе и выходе дрейфовых трубок из условия сохранения рабочего сечения зазора при нормальной работе и полного ее перекрытия в случае повреждения какой-либо трубки.
Совокупность всех этих признаков позволяет защитить вакуумный объем дрейфовой камеры от проникновения газовой смеси из поврежденной трубки и сохраняет работоспособность камеры.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Перечень фигур:
Фиг.1 (приложение 1): чертеж дрейфовой камеры в виде цельного кольца с трубками, системой подачи газовой смеси и защитными клапанами.
Фиг.2, 3 (приложение 1): чертежи, поясняющие принцип работы клапанов камеры.
Фиг.4 (приложение 2): чертеж защитного клапана.
На фиг.1 (приложение 1) представлена схема дрейфовой камеры, где: 1 - цельное кольцо, 2 - дрейфовые трубки.
На фиг.2 (приложение 1) представлена схема дрейфовых трубок в камере при защите каждой отдельной трубки. На фиг.3 (приложение 1) представлена схема дрейфовых трубок в камере при защите трубок попарно.
На фиг.2, 3 (приложение 1): 1 - цельное кольцо, 2 - дрейфовые трубки, установленные в соосных отверстиях кольца, 3 - наконечники трубок, 4 - система подачи газовой смеси (ввод), 5 - система подачи газовой смеси (отвод), 6 - патрубки, 7 - защитные клапаны.
На фиг.4 (приложение 2) приведена схема устройства защитного клапана.
Где: 8 - нижняя часть (основание), 9 - верхняя часть - полый цилиндр (крышка), 10 - конусное отверстие, 11 - поперечина для крепления пружины, 12 - пружина, 13 - пробка, имеющая коническую и цилиндрическую части, 14 - штуцеры для ввода и отвода газовой смеси, 15 - продольные канавки.
Ниже описывается один из возможных способов осуществления изобретения. Дрейфовая камера для работы в вакууме может быть изготовлена из цельного дюралюминиевого кольца (1) (приложение 1, фиг.1-3); с фланцами с двух сторон (на чертеже не показаны) для присоединения к вакуумной системе экспериментальной установки с дрейфовыми трубками (2) с наконечниками (3), установленными в отверстиях камеры.
Вдоль наконечников трубок (3) с двух сторон располагают дугообразные сверху подводящий (4), а снизу отводящий (5) каналы системы подачи газовой смеси в виде труб большого сечения с патрубками (6) и соединяют их через защитные клапаны (7) с трубками (2), как это показано на фиг.2, 3 (приложение 1).
На фиг.4 (приложение 2) показан чертеж самого клапана. Корпус клапана выполнен из дюралюминия и состоит из двух частей: нижней (8) и верхней (9), с входным и выходным штуцерами (14) на них, а части соединяются при помощи резьбы и герметизируются резиновым кольцом (16), герметиком или клеем. В нижней части (8) клапана находится конусное отверстие (10). Перед соединением этих частей внутри клапана размещается пробка (13).
В собранном виде клапан представляет собой полый цилиндр с верхним и нижним штуцерами и с конусным отверстием в нижней части. Внутри клапана висит на поперечине (11) пружина (12) с пробкой (15) на такой высоте, чтобы при проходе рабочей газовой смеси в любом направлении зазор, образованный между пробкой и корпусом клапана, имел сечение, примерно равное или на 10-15% больше проходных сечений наконечников трубок и штуцеров самого клапана, чему дополнительно содействуют продольные канавки (15), на внутренней цилиндрической части клапана, размеры и количество которых подбирается экспериментально. Они должны обеспечить стабильность проходного сечения клапана для обоих направлений протекания газа. Конусная часть пробки может быть изготовлена из металла, пластмассы или резины. Чистота поверхностей отверстия и пробки, а также их соответствие должны быть достаточны для обеспечения требуемой герметичности.
Необходимая величина коэффициента жесткости пружины выбирается экспериментально в зависимости от рабочей разности давлений на входе и выходе дрейфовых трубок из условия сохранения рабочего сечения зазора при нормальной работе трубок и полного ее перекрытия в случае потери герметичности какой-либо трубки.
Поскольку давление газовой смеси внутри трубки в разных экспериментах может меняться в широких пределах, например 1-3 атм, то в каждом отдельном случае необходимо подобрать соответствующую величину коэффициента жесткости пружины.
Возможен вариант соединения клапанов с дрейфовыми трубками, см. фиг.3 (приложение 1), в котором клапаны подсоединяются к каждой трубке только с одной стороны, а вторые концы трубок соединяются между собой так, что газовая смесь протекает последовательно через две трубки. В таком случае газовые каналы с клапанами будут находиться только у одного конца трубок и тем самым в два раза сократится количество необходимых клапанов, однако при аварии будут отключаться сразу две трубки.
Камера работает следующим образом. По окончании ее сборки осуществляется подача газа, подключение заземлений, высоковольтного напряжения, управляющей электроники. Тем самым камера готова к регистрации заряженных частиц.
При нормальном функционировании камеры разность давлений на концах трубок за счет циркуляции газовой смеси не превышает нескольких (до 10-20) мм водяного столба, поэтому клапаны открыты. Но при повреждении (потере герметичности) какой-либо трубки в нижней части клапана давление резко падает, возникает действующая на пробку сила, достаточная для растяжения пружины, перекрытия конусного отверстия пробкой и прекращения доступа газа в поврежденную трубку и, следовательно, и в вакуумную камеру. Отключение одной или нескольких трубок несущественно повлияет на общие параметры камеры по регистрации частиц. Следовательно, дрейфовая камера в целом останется работоспособной.
ЛИТЕРАТУРА
1. R.Cizeron et al., Nuclear Instruments and Methods, A307 (1991) 286-291.
2. Barbarito E. et al., Nuclear Instruments and Methods, A381 (1996) 39-48.
3. K. Nuenghoff et al., Nuclear Instruments and Methods, A477 (2002) 410-413.
4. С. Kendziora et al., Preprint FERMILAB - Pub-02/241-E.
5. S. Movchan, Nuclear Instruments and Methods, A604 (2009) 307-309.
6. Глонти Л.Н. и др., Патент РФ №2465620, 12.04.11.
7. Alexeev G.D. et al., XII Пизанская конференция по передовым детекторам.
8. 21-25 мая 2012 г., Nuclear Instruments and Methods, в печати.