СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТИЦ ДЕТЕКТОРАМИ НА ОСНОВЕ ДРЕЙФОВЫХ ТРУБОК
METHOD OF DETECTING PARTICLES USING DRIFT TUBE-BASED DETECTORS

Изобретение относится к области экспериментальной физики и может быть использовано в установках физики элементарных частиц и в исследованиях, проводимых ядерно-физическими методами в потоках заряженных частиц или рентгеновского излучения, например, для радиографического исследования структуры объектов.
Детекторы на основе дрейфовых трубок широко применяются в экспериментальных установках на ускорителях для прецизионного измерения радиальных координат пересекающих их заряженных частиц.
Однако для измерения импульса двигающихся в магнитном поле заряженных частиц, помимо прецизионного знания их пространственных координат в направлении отклонения их полем (радиальных координат), необходимо знание второй координаты частиц, определяющей угол наклона треков, которое может выполняться с меньшей точностью. Очевидно, что использование двух координатных детекторов упрощает процедуру отбора событий для реконструкции треков и важность этого существенно возрастает с увеличением множественности проходящих через установку частиц. В газонаполненных дрейфовых камерах высокоточная координата в ортогональном к анодам направлении определяется измерением времени дрейфа электронов ионизации от пересекающих камеры заряженных частиц по калибровочной зависимости время-координата.
Примером использования координатных детекторов на основе дрейфовых трубок может являться установка ATLAS LHC, содержащая в своем составе металлические дрейфовые трубки диаметром 3 см и тонкостенные дрейфовые трубки диаметром 4 мм [1]. Координатные детекторы на основе тонкостенных дрейфовых трубок работают в спектрометре установки COMPASS [2] и других, создаются детекторы для новых экспериментальных установок.
Дрейфовые трубки содержат проволочные аноды диаметром обычно 20-50 мкм, установленные по центру трубок, а катодом служат или металлические трубки, или внутреннее проводящее покрытие пленочных стенок трубок. Детекторы используются для определения радиальной координаты ближайшей к аноду точки пересечения трубки заряженной частицей измерением времени дрейфа электронов ионизации от этой точки до проволочного анода трубки. Радиальная координата определяется величиной промежутка времени между моментом прохождения частицы и моментом ее регистрации по сигналу с усилителя. При этом необходимо точное знание момента прохождения частицы через установку, что требует использования дополнительных детекторов.
Известны способы измерения дрейфовыми трубками продольной координаты точки образования лавины методом деления зарядов [3, 4] или методом прямого временного измерения [5] при считывании сигналов с двух концов анода.
В первом случае необходимо использование в качестве анодов высоко резистивной проволоки, что приводит к низкой величине отношения сигнал/шум и, следовательно, к невысокому продольному разрешению. При регистрации частиц с минимальными ионизационными потерями способ обеспечивает низкое продольное разрешение (σ не лучше 6 см для трубок длиной 1.5 метра), быстро ухудшающееся с увеличением длины трубок, что ограничивает практическое его применение. Способ требует использование регистрирующей электроники с низким быстродействием и не позволяет определять радиальную координату. Во втором способе продольная координатная информация определяется измерением временных промежутков между сигналами с двух концов анода, и пространственное разрешение (σ) может быть около 2 см для трубок длиной 2 метра [6]. Используется быстрая регистрирующая электроника, аналогичная применяемой для определении радиальных координат.
Наиболее близким к предлагаемому способу является широко распространенный способ определения радиальных координат измерением времени дрейфа электронов ионизации, принятый за прототип [7]. Детекторы содержат два слоя трубок диаметром 9.53 в центральных областях слоев и 6.0 мм в периферийных со сдвигом слоев между собой на величину радиуса трубок, т.е. на величину их дрейфового промежутка. Сдвиг между трубками слоев центральной области составляет 4.76 мм и периферийной области - 3.0 мм. Это устраняет лево-правую неопределенность в нахождении позиции точки траектории проходящей частицы относительно анода в коррелированных по пересечению частицей трубках. Для определения радиальных координат измерением времени дрейфа электронов ионизации к одному концу анода каждой трубки подключены быстрые токовые усилители, регистрирующие заряды от подошедших к аноду электронов ионизации, вызвавших образование электронной лавины. Далее измеряется временной промежуток между сигналами "старт" от внешнего детектора, задающего время пролета частицы, и "стоп" от подключенных к анодам к одному их концу усилителей, определяющих момент возникновения электронной лавины на аноде. Основными недостатками являются отсутствие возможности считывания двух координат одновременно, необходимость получения информации о времени пролета регистрируемой частицы с высокой точностью, а также ошибка в определении времени прихода сигналов от регистрируемой лавины из-за задержки прохождения волны по аноду. Задержка при прохождении сигнала одного метра длины анода составляет 3.49 нс, что соответствует дополнительной ошибке в измерении временных промежутков, равной 175 мкм на один метр длины. Отсутствие знания второй координаты существенно усложняется отбор событий при реконструкции треков частиц особенно при высокой множественности регистрируемых частиц.
1
2
1
2
Решение задачи одновременного определения радиальной и продольной координаты заряженной частицы осуществляется способом, включающим измерение координат, при котором вначале регистрируют время появления сигналов t и t с двух концов дрейфовых трубок длиной L по их переднему фронту, и величину промежутка времени Δt=t-t используют для определения продольной координаты точки образования лавины в них из выражения ΔL=±V·Δt/2, где V - скорость распространения волны по аноду, a ΔL - расстояние точки образования лавины от центра анода, и одновременно определяют радиальные координаты частицы в двух коррелированных по ее прохождению дрейфовых трубках измерением временных промежутков между сигналами с них по калибровочной зависимости время дрейфа - координата.
1
2
Знание продольной координаты с точностью в несколько сантиметров позволяет уточнять значение величины t или t за счет вычета времени прохождения волны по соответствующей длине анода и определять точное значение τ времени подхода электронов ионизации к аноду независимо от его длины.
1
2
1
2
R
1
2
1
1
R
1
R
1
2
Каждая проходящая регистрируемая частица пересекает справа (или слева) дрейфовую трубку на расстоянии r от его анода в одном слое детектора и слева (или справа) соответствующую трубку на расстоянии r от анода в другом слое, причем r+r=R, где R - радиус трубок. Суммарное время дрейфа ближайших электронов ионизации к анодам этих коррелированных трубок является постоянной величиной τ, определяемой величиной радиуса трубок, а также газовой смесью и величиной анодного напряжения. Все эти величины для работающего детектора являются фиксированными. Разность времен τ и τ соответствующих трубок одного и второго слоев известна как величина Δτ. Из выражения τ+(Δτ+τ)=τ следует, что величина τ=(τ-Δτ)/2. Знание величин τ и τ позволяет определять радиальные координаты обычным образом по калибровочной зависимости время-координата. Регистрация сигналов с двух концов коррелированных трубок детектора позволяет устранять лево-правую неопределенность и определять нулевой момент времени при измерении времени дрейфа электронов ионизации, при этом используется быстрая электроника регистрации. Равенство значений временных промежутков Δt с коррелированных трубок является показателем принадлежности этих сигналов одной регистрируемой частице.
Более подробно решение задачи иллюстрируется рисунками 1 и 2. Пересекающая дрейфовую трубку 1 длиной L первого слоя детектора (рисунок 1), заряженная частица 2 отстоит от середины анода 3 трубки на расстояние 4, равное величине ΔL. Приходящие к установленным на концах трубки усилителям 5 и 6 импульсы проходят по аноду путь L/2-ΔL и L/2+ΔL, соответственно. Разность пройденного пути величиной 2ΔL определяется измерением разности времени прихода этих сигналов Δt, а знак определяет направление смещения измеряемой координаты лавины вдоль анода от его центра. Эта же частица пересекает трубку 9 второго слоя детектора. Подобные измерения могут проводится и по информации с усилителей 7 и 8, что повышает точность определения продольной координаты трека частицы.
Приведенные на рисунке 2 дрейфовые трубки 2 и 5 следует рассматривать как трубки 1 и 9 рисунка 1, соответственно.
1
2
1
2
1
2
8
6
6
6
R
6
R
6
8
Проходящая регистрируемая частица 1 (рисунок 2) пересекает справа дрейфовую трубку 2 на расстоянии r (3) от ее анода (4) в одном слое детектора и слева трубку 5 на расстоянии r (6) от ее анода в другом слое, причем r+r=R, где R - радиус трубок. Эти сигналы проходят равное расстояние по анодам их дрейфовых трубок, но задержаны на различное время, определяемое величинами r и r. Измеряемая разность времен между сигналами с усилителей 6 и 8 рисунка 1, полученными с соответствующих трубок 2 и 5 слоев рисунка 2, известна как величина Δτ=t-t. Из выражения t+(Δτ+t)=τ следует, что величина t=(τ-Δτ)/2. Знание величин t и t позволяет определять радиальные координаты обычным образом по калибровочной зависимости время-координата.
[1]. G. Aad et al., JINST, 3:S08003, 2008.
[2] P. Abbon et al., Nucl. Instr. and Meth.in Phys. Res., A577 (2007). P.455-518.
[3]. С.Bino et al., Nucl. Istr. & Meth. A 271, 1988, 417.
[4]. A. Sokolov et al., Nucl. Istr. & Meth. A 574, 2007, 50.
[5]. R.A. Boie et al., IEEE Trans. Nucl, Sci. NS-28 (1988)471.
[6]. А.М. Makankin, V.V. Myalkovskiy, V.D. Peshekhonov et al., arXiv: 1301.6018v1 [physics.ins-det]
[7]. V.N. Bychkov et al., Nucl. bistr. and Meth. in Phys. Res. V.556, (2006), 66-79.