КООРДИНАТНЫЙ ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ ДЕТЕКТОР
COORDINATE GAS-FILLED DETECTOR

Изобретение относится к координатным газонаполненным детекторам излучения и может быть использовано в области экспериментальной физики [1, 2, 3, 4], для работ в высокоинтенсивных потоках заряженных частиц, а также в геологии [5, 6, 7], археологии [8, 9] и для радиографического контроля масштабных строительных сооружений [10, 11]. Используя угловое распределение космических мюонов, возможно проводить томографические исследования крупномасштабных объектов мюонными детекторами с высоким угловым разрешением [12, 13, 14, 15].
В настоящее время широко применяются координатные газонаполненные мюонные детекторы на основе металлических дрейфовых трубок диаметром 3 см или более, работающие при давлении газового наполнения в несколько атмосфер [16]. Основным недостатком таких детекторов является ограничение их трековой эффективности при повышении множественности частиц, что определяется большим размером чувствительной области детектирующих элементов детектора (равной произведению диаметра трубки на длину) и большим временем сбора электронов ионизации. Объемный заряд от медленных положительных ионов искажает электрическое поле, существенно ухудшая параметры детектора. Уменьшение чувствительной площади и времени сбора электронов путем уменьшения диаметра металлических трубок большой длины ограничивается плохой однородностью их по длине и ухудшением точности диаметров.
Координатные детекторы на основе тонкостенных дрейфовых трубок (строу) широко применяются в экспериментах на ускорителях [1, 2, 3, 4]. Детекторы состоят из ряда плоскостей, содержащих строу диаметром обычно от 4 мм до 10 мм и длиной до ~400 см [1, 3, 4]. Высокие точность диаметров и цилиндричность строу, не зависящие от их длины, определяют однородность детектирующих элементов, что существенно для многоканальных детекторов. Строу работают при давлении газовой смеси, близкой к одной атмосфере, однако показана возможность работоспособности строу при давлении до 5 атмосфер [17]. Типичная средняя величина пространственного разрешения (σ) по радиусу строу около 170 микрон, а при давлении 3-4 атмосферы может быть улучшена до 40 микрон [18, 19, 20]. При повышении давления газа наблюдается увеличение диаметра и длины, изменяющие прямолинейность и анод-катодное расстояние по длине строу, что требует учета этого при создании детекторов. Использование для мюонных детекторов строу требуемой длины и диаметром от 4 до 15 мм в сравнении с металлическими дрейфовыми трубками позволяет в разы уменьшить как чувствительную площадь детектирующих элементов, так и время сбора электронов ионизации.
2
0
Наиболее близким к предлагаемому устройству является двухслойный детектор спектрометра COMPASS [3, 4] с длиной строу 360 см, диаметром 6 мм и 10 мм, принятый за прототип. Строу каждого слоя склеены между собой узким продольным клеевым швом с сохранением их цилиндричности (20 микрон) и прямолинейности (около 100 микрон). Камеры продуваются газовой смесью при давлении наполнения, близком к 1 атмосфере. Общие для двух слоев герметичные газораспределяющие коллекторы расположены с двух концов строу и содержат в своем объеме выходные части строу с элементами фиксации анодов, а также части плат считывания или согласовки. Особенностью детектора являются большая чувствительная площадь (~9 м) и радиационная толщина меньшей 0.15%Х (без учета газа). Детекторы обладает хорошим быстродействием, определяемым максимальным времени сбора электронов ионизации (~110 нсек), и пространственным разрешением около 190 микрон. Недостатками прототипа являются сложность обеспечения хорошей герметизации газовых коллекторов, наличие в их внутреннем объеме материалов не всегда с высокой химической чистотой, а также чувствительность пленочной стенки строу к влажности, что может приводить к изменению их длины, приводящей к нарушению соосности анодов с катодами. Для предотвращения этого внешние поверхности строу-слоев закрыты металлизированной пленкой, зазор между которой и строу продувается сухим газом. Прототип не обладает полной герметизацией, что приводит к потерям рабочей газовой смеси; изменения линейных размеров строу из-за суточных изменений температуры и влажности окружающей среды не обеспечивают регистрации частиц с максимально возможным координатным и угловым разрешением детектором большой площади.
Техническая задача решается созданием кооординатного газонаполненного детектора, включающего тонкостенные дрейфовые трубки - строу, которые объединены в модули, представляющие собой жесткие планарные структуры одного слоя строу, при этом два модуля с однородной по площади толщиной, равной диаметру строу, объединены со сдвигом между собой на радиус строу в единый конструктивный узел с распределительными трубчатыми газовыми коллекторами, элементами высоковольтного питания строу и элементами передачи регистрируемых сигналов на внешнюю электронику считывания. Все составляющие узлы модуля выполнены с возможностью продува строу газом с наполнением от одной до 4-х атмосфер, газовые коллекторы, установленные на концах строу, соединены с внутренним объемом каждой строу через отверстия в их стенках и в концевых втулках капиллярными трубками, размещенными ортогонально к плоскости модуля. Каждый слой модуля имеет 2 газовых коллектора на его внешней стороне для входа и выхода газа, а металлические трубчатые газовые коллекторы являются элементами его рамы. При этом газовые коллекторы не содержат внутреннего вещества, а платы считывания и согласовки соединяются с анодами, минуя герметичные газовые объемы.
На рисунке 1 представлена блок-схема установки газового коллектора на строу модуля предложенного детектора. Модули содержат строу одного диаметра, который может быть от 4 мм до 15 мм при длине строу до 4 метров, и равное в каждом слое число каналов регистрации (кратное восьми). На концах строу 1 установлены трубчатые газораспределительные газовые коллекторы 2, соединенные с внутренним объемом каждой строу через отверстия в их стенках и в концевых втулках 3, размещенными ортогонально к плоскости модуля капиллярными трубками 4. В качестве анода 5 используется золоченая вольфрамовая проволока диаметром 30 мкм, установленная по центру строу при натяжении 70 грамм и закрепленная в элементах ее фиксации 6. Строу модуля позиционированы с точностью около 50 мкм в плотный слой толщиной, равной их диаметру, и залиты компаундом 7. Общий вид детектора, содержащего два идентичных модуля, схематично показан на фиг.2. Каждый модуль имеет по два газовых коллектора 2 на его внешней стороне, обеспечивающие вход и выход газа. С одного конца строу каждого модуля параллельно их плоскости устанавливаются многослойные платы считывания 8, обеспечивающие подачу высоковольтного напряжения на аноды и передачу с них сигналов на входы усилителей регистрирующей электроники. На втором конце строу на узкой плате согласовки устанавливаются согласующие RC-цепочки (не видимые на рис.2). Соединения внутренних объемов строу с газовыми трубчатыми коллекторами и выступающие из строу части внутренних втулок 3 с элементами фиксирования 6 герметизируются компаундом. Трубчатые металлические коллекторы, а также платы считывания и согласовки вместе с металлическими поддерживающими их основаниями после объединения модулей являются ортогональными к направлению строу элементами общей рамы детектора. В качестве параллельных к направлению строу элементов рамы используются углепластиковые или алюминиевые тонкостенные профили 9, установленные вдоль крайних строу с каждой стороны модуля. Толщина чувствительной площади детектора равна двум диаметрам строу с точностью +0,3 мм. На внешних поверхностях модулей наклеена тонкая металлизированная пленка 10, служащая для защиты от влажности окружающей среды и используемая в качестве электромагнитного экрана детектора. С каждой стороны модуля на высоту превышения газовыми коллекторами внешней его поверхности установлены (угле/стекло) пластиковые поддерживающие ленты 11 с шагом, определяемым в зависимости от длины строу. Рама детектора имеет установочные отверстия для его объединения с аналогичными детекторами в единую детектирующую систему. Детектор работает следующим образом. Строу продуваются рабочей газовой смесью при фиксированном давлении от одной до 4 атмосфер. Газ входит/выходит в/из строу через капилярные трубки, обладающие одинаковым газовым сопротивлением, в толстостенные трубчатые коллекторы, являющие торцевыми частями рам детектора. При прохождении частиц через два модуля регистрируются их координаты в пространстве путем измерения в сработавших строу времени дрейфа ближайших к анодам электронов ионизации. Аноды строу каждого модуля с одного конца соединены с платами считывания и со второго - с платами согласовки, являющими торцевыми частями рамы. Высоковольтное анодное напряжение подается через платы считывания. Заряженные частицы, пересекающие два объединенных в единую камеру модуля, ионизируют газ в строу, образуя электроны, двигающие к аноду и образующие сигнал. Сигналы с анодов передаются по платам на установленные на них многоканальные разъемы и далее на регистрирующую электронику и используются для определения координат траекторий частиц в плоскости модулей. При повышении давления число электронов и величина сигнала увеличиваются кратным образом, повышая вероятность и точность регистрации событий. Линейные размеры тонкостенных пленочных трубок и модулей в целом при повышении давления газового наполнения не изменяются, сохраняя соосность анод-катодов, что исключает ошибки в определении пространственных координат событий. Величина максимального времени дрейфа электронов (от катода к аноду) при нормальном давлении около 20 нсек на один миллиметр длины радиуса строу, что определяет быстродействие детектора в зависимости от выбранного их радиуса. С повышением давления скорость дрейфа уменьшается и для строу диаметром 10 мм при давлении 3 атмосферы время сбора увеличивается до ~200 нсек. Радиационная толщина модуля менее одного процента.
Технический результат: большие планарные детекторы со строу диаметром от 4 мм до 10 мм и с металлическими трубчатыми газовыми коллекторами, являющими также элементами рам детектора, обладают возможностью работы в диапазоне давления их газового наполнения до 4 атмосфер без изменений линейных размеров строу. Коллекторы не содержат внутреннего вещества, обладают высокой химической чистотой и герметичностью. Подача анодного напряжения и считывание сигналов, а также согласовка анодов осуществляется соответствующими платами, полностью расположенными вне газовых объемов вблизи фиксации анодов в концевых элементах строу, что уменьшает размеры линий передачи сигналов и, следовательно, паразитные индуктивности и емкости. Детектор обладают малой массой и близким к 1 отношением полной площади к чувствительной. Перекрытие больших площадей детектирования идентичными детекторами не требует массивных поддерживающих структур. Отсутствие зависимости линейных размеров строу от климатических параметров окружающей среды и от давления газового наполнения обеспечивает стабильность характеристик детектора при высокой однородности по площади. Повышение давления способствует повышению пространственного разрешения при регистрации заряженных частиц и увеличению вероятности регистрации рентгеновского излучения.
Источники информации
[1] Y.Arai et al., Nucl. Instr. And Meth. A381 (1996) 355-365.
[2] ATLAS collaboration. ATLAS Inner Detector Technical Design Report, v.1, CERN/LHCC/97-16, 1997.
[3] V.N.Bytchkov, M.Faessler, R.Geyer et al., Particles and Nuclei, Letters, 2002, №2 |111|, p.p.64-73.
[4] V.N.Bytchkov, N.Dedek, W.Dunnweber et al., Nucl. Instr. And Meth. A556 (2006) 66-79.
[5] K.Nagamme et al, Nucl. Inst. Meth. A, 356 (1995), 585.
[6] N.K.M.Tanaka et al, Nucl. Inst. Meth. A, 555 (2005), 164-172.
[7] N.K.M.Tanaka and Iz.Yokoyama, Proc. Jpn. Acad., Ser. B, 84 (2008).
[8] M.Basset et al, Nucl. Inst. Meth. A567 (2006), 298-301.
[9] M.Menichelli et al, Nucl. Inst. Meth. A572 (2007), 262-265.
[10] W.B.Gilboy et al, Nucl. Inst. Meth. B, 263 (2007), 317-319.
[11] P.M.Jenneson, Nucl. Inst. Meth. A, 525 (2004), 346-351.
[12] K.Borozdin et al, Nature, Vol.422, p.277 519, Mar. 2003.
[13] S.Pesente et al., NIM A604 (2009), 738-746.
[14] A.A.Борисов и др., ИФВЭ 2011-7 ОЭФ.
[15] Anghel, V. et al, Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS/MIC), 2010 IEEE
[16] The CERN Large Hadron Collider: Accelerator and Experiments, CERN, Geneva, 2009, V1, p.172.
[17] V.I.Davkov et al., Instr. Exper. Tech., 51, №6, 2008 pp.787-791.
[18] В.В.Мялковский и др. Патент на изобретение. №2339053, 2008.
[19] S.N.Bazylev et al., Nucl. Instr. And Meth. A 632 (2011) 75-80.
[20] V.I.Davkov et al., Nucl. Instrum. Meth. A634:5-7, 2011.