ПРЕЦИЗИОННАЯ ДРЕЙФОВАЯ ТРУБКА В ЛАВСАНОВОМ КОРПУСЕ

Дрейфовая трубка относится к детекторам заряженных частиц и может быть применена в физических экспериментах на ускорителях и коллайдерах, в экспериментах с космическим излучением, в мюонных томографах.
Известно устройство прецизионных дрейфовых трубок, которые обеспечивают высокое пространственное разрешение 100-150 мкм и широко используются в качестве детектирующих ячеек трековых детекторов заряженных частиц большой площади. [Прецизионная дрейфовая трубка. Патент на полезную модель №79004 от 05.08.2008 г.] Например, в детекторе АТЛАС успешно функционирует система из 1170 мюонных камер с суммарным количеством прецизионных дрейфовых трубок 354000. [ATLAS Muon Spectrometer. Technical Design Review. CERN/LHCC 97-22, 5 June 1997; G. Aad et al. The ATLAS experiment at the CERN Large Hadron Collider. Journal of Instrumentation (JINST), V3 (2008). (ЦЕРН, Женева, Швейцария)] В установке ФГБУ ГНЦ ИФВЭ «Мюонный томограф с площадью перекрытия 3×3 кв.м» используется 2304 прецизионных дрейфовых трубки. [А.А.Борисов и др. Установка «мюонный томограф» с площадью перекрытия 3×3 кв.м. Приборы и Техника Эксперимента, 2012, №2, с. 5-14.]
В традиционных дрейфовых трубках в качестве корпуса, выполняющего одновременно и функцию катода, используются тонкостенные трубы из металла. Так, в эксперименте D0 в Фермиевской национальной лаборатории (США) использовалась большая система трековых камер из дрейфовых трубок с корпусами из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм, а упомянутые выше дрейфовые трубки детектора АТЛАС собраны в корпусах из алюминиевой трубы диаметром 30 мм с толщиной стенки 0,4 мм. [C. Brown etc. “D0 Muon system with proportional drift tube chambers”. NIM A279 (1989) 331-338.]
-3
-2
Корпусом и катодом дрейфовой трубки является металлическая труба с внешним диаметром 30 мм. На концах трубы зафиксированы торцевые заглушки, служащие для герметизации внутреннего объема дрейфовой трубки, позиционирования и фиксации анодной проволоки, натянутой вдоль оси трубки. На анодную проволоку подается высокий потенциал, поэтому торцевые заглушки обеспечивают и электроизоляцию анодной проволок от корпуса трубки. Система пинов в торцевых заглушках передает высокое напряжение на проволоку и сигнал с нее. Имеющиеся отверстия служат для подачи рабочей газовой смеси внутрь трубки. Металлический корпус дрейфовой трубки обеспечивает надежную герметизацию, но создает препятствие на пути регистрируемых частиц. Количество вещества, выраженное в радиационных длинах (X/X0), равно 12,9·10 для алюминиевой трубки и 6,7·10 для трубки из нержавеющей стали. Наличие большого количества пассивного вещества на пути регистрируемых частиц является существенным недостатком дрейфовых трубок в металлическом корпусе, особенно этот недостаток проявляется на ускорителях типа У-70, когда энергия регистрируемых частиц сравнительно не велика.
Техническим результатом заявленной полезной модели является уменьшение количества пассивного вещества на пути регистрируемых частиц. Заявленный технический результат достигается за счет использования в качестве корпуса прецизионной дрейфовой трубки (вместо металлической трубы) тубуса, изготовленного методом ультразвуковой сварки из лавсановой пленки с двухсторонней металлизацией алюминием, который фиксируется на торцевых элементах с помощью клея, обеспечивая необходимую герметичность объема дрейфовой трубки и электрический контакт между корпусом торцевого элемента и внутренней поверхностью лавсанового тубуса.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг. 1 изображено конструктивное устройство дрейфовой трубки в корпусе - 1 из лавсана с двухсторонней металлизацией алюминием, где 2 - сигнальная проволока, 3 -заземляющий штырь, 4 - газовая перемычка, 5 - латунная пластина с точным отверстием, 6 - корпус торцевого элемента с точной поверхностью, 7 - медный капилляр для фиксации натянутой проволоки, 8 - кольцевые резиновые прокладки, 9 - фиксатор газоподводящей трубки, 10 - колпачок с сигнальным пином.
На фиг. 2 приведена фотография собранных трубок: 1 - в алюминиевом корпусе диаметром 30 мм, 2 - в лавсановом корпусе диаметром 30 мм и 3 - в лавсановом корпусе диаметром 15 мм.
Дрейфовая трубка представляет собой цилиндр с натянутой по оси тонкой проволокой. Корпус дрейфовой трубки (тубус) изготавливается методом ультразвуковой сварки из лавсановой пленки толщиной 125 мкм с двухсторонней металлизацией алюминием. Сварка выполняется на цилиндрической оправке, сварной шов продольный. Тубус фиксируется на торцевых элементах с помощью клея, обеспечивая необходимую герметичность объема дрейфовой трубки и электрический контакт между корпусом торцевого элемента и внутренней поверхностью лавсанового тубуса. По оси трубки натянута сигнальная проволока диаметром 50 мкм, изготовленная из вольфрам-рениевого сплава. Позиционирование проволоки осуществляется при помощи отверстий диаметром 60 мкм, пробитых лазерным лучом в латунных пластинках. Точность расположения проволоки относительно референсных поверхностей торцевых элементов составляет 10 мкм. Проволока фиксируется методом кримпирования в медной капиллярной трубке.
В процессе работы на проволоку подается положительный потенциал до 3,5 кВ, электроизоляция обеспечивается диэлектриком (НОРИЛ) в торцевом элементе. В торцевом элементе имеется отверстие для подачи в трубку рабочей смеси, пины для подключения электроники. Уплотнение центрального колпачка с сигнальным пином осуществляется при помощи кольцевых резиновых прокладок. Точная поверхность служит для позиционирования трубок при сборке их в камере.
Дрейфовая трубка лавсановом корпусе предлагаемой конструкции является самоподдерживающейся: она сохраняет форму и выдерживает натяжение проволоки без дополнительных растягивающих устройств и избыточного давления внутри.
-4
-4
В Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» Федеральном государственном бюджетном учреждении «Государственном научном центре Российской Федерации - Институте физики высоких энергий» (НИЦ «Курчатовский институт» ФГБУ ГНЦ ИФВЭ) разработана технология ультразвуковой сварки тубусов из лавсановой пленки толщиной 0,125 мм с двухсторонней металлизацией алюминием, на основе которых налажено массовое производство прецизионных дрейфовых трубок описанной конструкции диаметром 30 мм (изготовлено около 5000 шт. длиной от 0,8 до 2,5 м) и опробовано производство прецизионных дрейфовых трубок диаметром 15 мм (около 100 шт. длиной 0,6 м). Фотография трубок представлена на фиг.2. Проведенные долгосрочные испытания (2 года) подтверждают стабильную герметичность на заданном уровне (гелиевая течь не превышает 2×10 л·мбар/с для трубок длиной 2,5 м) и надежный электрический контакт между внутренней поверхностью лавсанового тубуса и корпусами торцевых элементов. Количество вещества корпуса трубки диаметром 30 мм составляет 13,6·10 радиационной длины, что почти на порядок меньше по сравнению с трубкой в алюминиевом корпусе такого же диаметра.