ДРЕЙФОВАЯ КАМЕРА ДЛЯ РАБОТЫ В ВАКУУМЕ
DRIFT CHAMBER FOR OPERATION IN VACUUM

Область техники
Изобретение относится к ионизационным многопроволочным координатным детекторам и может быть использовано в экспериментальной ядерной физике для регистрации ядерного излучения, в частности, для точного определения координат проходящих через камеру заряженных частиц, в вакуумной среде с малыми энергетическими потерями или при атмосферном давлении. Его можно использовать также в других отраслях науки, где требуется определение координат ионизирующего излучения, проходящего через камеру.
За последние несколько десятков лет в экспериментальной ядерной физике широкое распространение получили проволочные дрейфовые камеры, основанные на принципе измерения времени прихода первых электронов на анод, появляющихся при прохождении через них заряженных частиц, и умноженных в сильном радиальном электрическом поле вблизи анода в виде тонкой проволоки. В частности, такие электроны образуются и в камерах, состоящих из тонкостенных дрейфовых трубок из металла или металлизированного изнутри изоляционного материала, имеющих в центре тонкую анодную проволоку под высоким потенциалом. Для получения точных координат частиц, проходящих через трубки, необходимо хорошее соответствие реальных механических параметров камеры ее расчетным геометрическим характеристикам - точность расположения концов трубок в камере, их прямолинейность, постоянство диаметра трубок по всей длине, точность расположения анода по оси трубок и др., а также высокое временное разрешение используемой электроники.
Уровень техники
Известны и широко применяются в экспериментах дрейфовые камеры на основе тонкостенных трубок из металлизированного изнутри изоляционного материала и анодной проволоки, расположенной по их оси, с длиной трубок до 4000 мм, и содержащие координатные плоскости в количестве 2÷4 (X, Y, U, V), см. например [1-5].
Аналоги таких камер [6] и [7], близкие к данному изобретению, имеют в два ряда или более плотно расположенные друг к другу трубки для создания геометрической герметичности камеры и разрешения лево-правой неопределенности, возникающей при прохождении заряженной частицы в трубке справа или слева от анодной проволоки. В камере [6] трубки расположены двумя кругами между двух металлических дисков с отверстиями и склеены между собой, а камера из работы [7] представляет прямоугольную конструкцию, имеющую на сторонах отверстия для трубок. Но такая схема построения камер при их работе в вакууме, где требуется высокая вакуумная плотность каждой трубки, существенно усложняет проблему их герметизации и к тому же не позволяет оттягивать каждую трубку индивидуально для увеличения их прямолинейности. Это их недостаток.
Наиболее близким к предлагаемой дрейфовой камере (прототип) является дрейфовая камера для работы в вакуумном объеме, описанная в работе [8], включающая конструкцию с узлами, расположенными на противоположных сторонах камеры и имеющими парные соосные сквозные цилиндрические отверстия. В них, с возможностью их соосного перемещения относительно друг друга, параллельно расположены по плоскости тонкостенные металлизированные изнутри, дрейфовые трубки из гибкого изоляционного материала, служащие в качестве катода, с анодной проволокой вдоль их оси, имеющие на обоих концах металлические наконечники с изоляционными вставками внутри, герметично закрепленные с одной стороны в концах трубок, а с другой - в парных отверстиях на камере и служащие для центрирования анодных проволок, их изоляции от катодов, герметизации трубок, находящихся снаружи в вакууме, а внутри при высоком давлении, подачи рабочего газа вовнутрь трубок, а также, нулевого потенциала, высоковольтного напряжения и вывода электрических сигналов.
Недостатком указанного устройства является то, что наконечники, вставляемые в концы трубок, используются без учета их разброса по диаметру, и тем самым они не позволяют максимально точно расположить в камере концы трубок, следовательно, и сами трубки. Это замечание справедливо и для расположения проволок, проходящих по центру этих трубок. К тому же, трубки в устройстве расположены в два ряда, вплотную друг к другу, что усложняет их герметизацию. Кроме того, эта конструкция имеет сложную систему для одновременного оттягивания всех трубок с целью улучшения их линейности с передачей механического движения в вакуум, а одновременное оттягивание всех трубок, из-за очевидного разброса начального натяжения, может привести к перетягиванию некоторых трубок больше допустимой, или часть трубок будет иметь недостаточное натяжение. К тому же, при необходимости измерения в эксперименте двух или более координат частиц, в устройстве невозможно разместить вторую или более координату. Для этого потребуется изготовление двух или больше практически независимых камер, что усложнит устройство и, одновременно, из-за большого расстояния между координатными плоскостями существенно увеличит параллакс, что непосредственно влияет на точность восстановления координат частиц в камере. Отметим также, что при замене трубки, вышедшей из строя в камере, будет необходимо высверливание вклеенных наконечников с трубками и вклеивание новых, что в уже собранной камере не просто осуществить.
Раскрытие изобретения
Изобретение решает задачу увеличения точности восстановления координат проходящих в камере частиц путем упрощения конструкции и увеличения ее жесткости, уменьшения мертвой зоны камеры и, одновременно, дает возможность расположить в одной камере две, три, четыре и более координатные плоскости, что уменьшает параллакс; а также позволяет упростить смену трубки, вышедшей из строя.
Техническая задача в предлагаемой камере решается выполнением конструктивного узла камеры в виде цельного кольца, а парные отверстия расположены в квазишахматном порядке на его боковой поверхности, параллельно его диаметру. Дрейфовые трубки, имеющие на обоих концах наконечники с вставками, своими концами снаружи герметично закреплены в дополнительных втулках, которые, со своей стороны, вакуумно-плотно установлены в парных отверстиях с возможностью перемещения и имеют внутренний диаметр, равный максимальному диаметру используемых трубок dмакс.=dср.+Δd, с учетом их разброса - dтp.=dcp.±Δd, где Δd - величина разброса диаметра трубок, кроме того, наконечники с вставками выполнены с наружным поперечным сечением в виде выпуклого правильного n-стороннего многоугольника, число сторон которого выводится из условия:
Δl=dмакс.(π-2nSin(π/n))=2Δd,
где Δl - разность между длиной описанной окружности и периметром многоугольника, dмакс. - максимальный диаметр используемых трубок, n - число сторон многоугольника, a Δd - величина разброса диаметра трубок; с диаметром описанной окружности, равным d=dмакс.-2h-ε, где h - толщина стенок трубок, ε - величина допуска на точность; сами наконечники, с одного конца герметично закрепленные в трубках, а с другого конца свободные, вершины многоугольника всегда опираются на внутреннюю поверхность трубок, центруя их, и через них на внутреннюю поверхность втулок; при этом внутри каждой трубки, в пределах длины втулок, введены самоцентрующие изоляторы с отверстием в центре для анодной проволоки, также имеющие в поперечном сечении форму и размеры выпуклого правильного многоугольника и также удовлетворяющие условиям
Δl=dмакс.(π-2nSin(π/n))=2Δd,
где Δl - разность между длиной описанной окружности и периметром многоугольника, n - число сторон многоугольника, a Δd - величина разброса диаметра трубок.
Кроме того, все отверстия в кольце имеют два диаметра - внутренний, равный посадочному размеру втулок, и внешний, с большим диаметром, с вакуумным уплотнением, установленным в нем; при этом втулки, расположенные в отверстиях со стороны ввода трубок в камеру, имеют поясок для упора в это уплотнение, а на другом конце втулки имеют гладкую поверхность, с возможностью перемещения в отверстиях посредством оттягивания за конец, например, пружиной или гайкой, для каждой трубки отдельно. При этом посадочные размеры каждого отверстия, со стороны ввода трубок в камеру, больше на величину 0,05÷0,2 мм по сравнению с его парным отверстием и на такую же величину отличаются и посадочные размеры втулок на концах каждой трубки; все наконечники с вставкой с наружной стороны снабжены буртиком, которые упираются во внешний торец втулки; а при большой длине трубок самоцентрующие изоляторы установлены также вдоль их оси, через каждые 700÷1000 мм, с поддержками с внешней стороны трубок в этих местах.
В цельное кольцо дополнительно введены сдвинутые по его оси вторая, третья, четвертая и более координатные плоскости с соответствующими парными отверстиями и дрейфовыми трубками, также расположенными в квазишахматном порядке под углом к горизонту (или друг к другу) в пределах 0÷180°.
Отличительными признаками изобретения являются:
- цельное кольцо, как основа камеры, которая в виду его жесткости, позволяет существенно упростить ее конструкцию. К тому же, при работе камеры в вакууме, атмосферное давление не искажает ее форму, в отличие от других форм камеры. Следовательно, меньше будут механические искажения как от атмосферного давления, так и от натяжения трубок, что существенно повлияет на точность расположения трубок;
- квазишахматное расположение отверстий для трубок позволяет сделать камеру непрозрачной для налетающих частиц, практически не увеличивая их количество, и, тем самым, не увеличивая количество вещества по пучку. Такое расположение позволяет устранить щели, возникающие при раздельном расположении трубок, через которые частицы проходят не зарегистрированными. При известном максимальном угле падения частиц на плоскость камеры, который обычно определяется условиями эксперимента, можно последовательно сдвинуть трубки в камере в сторону ее центра с небольшим шагом, определяющимся этим углом (обычно не превышающим 5 градусов), и, таким образом, перекрыть все щели. Поскольку такое расположение трубок незначительно отличается от шахматного, его можно назвать квазишахматным;
- дрейфовые трубки имеют на обоих концах наконечники с сечением правильного многоугольника и снаружи своими концами герметично закреплены в дополнительных втулках, которые со своей стороны вакуумно-плотно установлены в парных отверстиях, с возможностью перемещения в них, каждой трубки отдельно, что позволяет оттягивать их индивидуально и тем самым выправлять их;
- внутренний диаметр втулок равен максимальному диаметру используемых трубок dмакс.=dcp.+Δd, с учетом их разброса - dтр.=dcp.±Δd, где Δd - величина разброса диаметра трубок;
- наконечники с вставками выполнены с наружным поперечным сечением в виде выпуклого правильного n-стороннего многоугольника, число сторон которого выводится из условия:
Δl=dмакс.(π-2nSin(π/n))=2Δd,
где Δl - разность между длиной описанной окружности и периметром многоугольника, dмакс. - максимальный диаметр используемых трубок, n - число сторон многоугольника, a Δd - величина разброса диаметра трубок;
- наконечники с сечением многоугольника, с одного конца герметично закрепленные в трубках, а с другого конца свободные, вершины многоугольника всегда опираются на внутреннюю поверхность трубок, центруя их, и через них на внутреннюю поверхность втулок; при этом разность между максимальным диаметром трубок и периметром многоугольника позволяет наконечнику проникать в трубку и центровать ее относительно втулки в пределах ±Δd, тогда как наконечник круглой формы, при малом диаметре трубки, не сможет проникнуть в трубку или, имея меньший, чем у трубки диаметр, не сможет ее центровать;
- Самоцентрующие изоляторы с отверстием в центре для проволоки, также имеющие в поперечном сечении форму и размеры выпуклого правильного многоугольника и также удовлетворяющие условиям
Δl=dмакс.(π-2nSin(π/n))=2Δd,
где Δl - разность между длиной описанной окружности и периметром многоугольника, n - число сторон многоугольника, a Δd - величина разброса диаметра трубок, позволяют центрировать анодную проволоку относительно трубок в местах их установки;
- наличие в отверстиях двух диаметров - внутреннего, равного посадочному размеру втулок, и внешнего, с большим диаметром, с вакуумным уплотнением, установленным в нем, позволяет устанавливать втулки в камере строго и, одновременно, их вакуумно уплотнить с возможностью перемещения;
- наличие пояска на втулках, расположенных в отверстиях со стороны ввода трубок в камеру для упора в это уплотнение, не позволяет вакууму втянуть трубки в вакуумный объем; а на другом конце втулки, имеющие гладкую поверхность, с возможностью перемещения, удерживаются в отверстиях посредством оттягивания за конец, например, пружиной или гайкой, для каждой трубки отдельно, для выправления трубок и, одновременно для удержания трубок на месте;
- увеличение посадочных размеров каждого отверстия со стороны ввода трубок в камеру на величину 0,05÷0,2 мм по сравнению с его парным отверстием и на такую же величину и посадочных размеров втулок на концах каждой трубки позволяет упростить установку трубок с втулками на рабочем месте без ухудшения точности посадки.
Совокупность всех перечисленных выше признаков позволяет увеличить точность восстановления координат проходящих в камере частиц путем упрощения конструкции и увеличения ее жесткости, строгой установки трубок при помощи дополнительных втулок, а также наконечников и изоляторов с сечением многогранника. Одновременно при этом существенно уменьшается мертвая зона камеры и сокращается расход трубок, появляется возможность расположить в одной камере в условиях вакуума три, четыре и более координатные плоскости.
Перечень фигур
Фиг.1. Чертеж двухкоординатной дрейфовой камеры в виде цельного кольца с трубками и квазишахматно расположенными отверстиями.
Фиг.2. Чертеж трубок в сборе с наконечниками со вставкой и втулками.
Схема двухкоординатной дрейфовой камеры в виде цельного кольца приведена
на фиг.1 приложения 1, где:
(1) - камера в виде кольца;
(2) - парные отверстия;
(3) - трубки.
На фиг.1 представлена кольцевая камера. Цельное кольцо (1) является конструктивной основой камеры. На ее противоположных сторонах, параллельно его диаметру, располагаются парные соосные сквозные отверстия (2), расположенные квазишахматно, для дрейфовых трубок (3).
Схема устройства трубок с наконечниками со вставками и втулками приведена на фиг.2 приложения 2, где:
(4а) - наконечники с буртиком;
(46) - вставки;
(5а) - втулка со стороны ввода трубок;
(5б)- гладкая втулка;
(6) - самоцентрующие изоляторы;
(7) - анодная проволока;
(8) - вакуумное уплотнение;
(9) - поясок на втулке со стороны ввода трубок;
(10) - пружина с держателем.
На фиг.2 представлена полностью собранная дрейфовая трубка в камере. Здесь показан наконечник (4а) с вставкой, втулка (5а) со стороны ввода трубок в камеру, гладкая втулка (5б) с противоположной стороны, самоцентрующие изоляторы (6) с анодной проволокой (7), проходящей через них, вакуумное уплотнение (8), расположенное в отверстиях (2), поясок (9) на втулке (5а) и пружина со стойкой для оттягивания трубок.
Осуществление изобретения
Устройство для случая двухкординатной камеры может быть осуществлено следующим образом: цельное алюминиевое кольцо (1) {см. приложение 1, Фиг.1} с фланцами с двух сторон для присоединения к вакуумной системе изготавливается из поковки и обрабатывается по габаритам. Затем на координатно-расточном станке рассверливаются парные отверстия (2), на противоположных сторонах его боковой поверхности, параллельно его диаметру; для двухкоординатной камеры рассверливаются такие же отверстия, но сдвинутые по оси кольца и под прямым углом к первому набору отверстий. Трубки (3) {см. также приложение 2, фиг.2} концами герметично вклеиваются во втулки (5а и 5б), устанавливаются в них изоляторы (6) с анодной проволокой (7) пределах втулок и, одновременно, с двух сторон вклеиваются наконечники с сечением многогранника и буртиком (4а) {буртики, упираясь в торцы втулок (5а и 5б), не дают наконечникам проникнуть дальше} со вставками (4б). Собранные таким образом трубки вставляются в камеру со стороны вводных отверстий в пары отверстий (2) на камере, уплотняются вакуумными уплотнителями (8) и упираются пояском (9), находящимися на втулке со стороны ввода, в вакуумные уплотнители (8). Затем на другом конце трубки для выпрямления оттягиваются с помощью пружины со стойкой (10) или гайки, резьбу для которой возможно нарезать на изоляционной вставке. Величина натяжения трубок измеряется при этом с помощью динамометра. После этого с противоположной стороны трубок оттягиваются и анодные проволоки на нужную величину и фиксируются пайкой или климпированием.
После завершения сборки, испытания камеры на утечку, электрического тестирования к трубкам подводится газ, подводится через медную шину заземление, высоковольтное напряжение и устанавливается управляющая электроника. Тем самым камера подготовлена для регистрации заряженных частиц.
Заряженные частицы, проходящие через любую трубку, создают пары ионов, которые начинают двигаться к соответствующим электродам. Электроны, направляющиеся к аноду, попадая в сильное электрическое поле вблизи него, умножаются и дают импульс. Запустив в момент прохождения частицы триггер, с помощью управляющей электроники можно измерить время дрейфа электронов и, следовательно, при известной скорости дрейфа можно определить точное место прохождения частицы в трубке. Для того чтобы получить высокую точность в измерении координаты частицы, требуется высокое временное разрешение используемой электроники, но при этом чем ближе реальные механические параметры камеры к ее геометрическим характеристикам - в первую очередь - жесткость конструкции, точное расположение концов трубок относительно конструкции, их прямолинейность, точность расположения анода по оси трубок.
Литература
1. W.W.Ash et al. Nuclear Instruments and Methods, A261 (1987) 399-419.
2. M.Alvarez et al. Nuclear Instruments and Methods, A255 (1987) 486-492.
3. J.Adler et al. Nuclear Instruments and Methods, A276 (1989) 42-52.
4. K.Maeshima et al. Nuclear Instruments and Methods, A307 (1991) 52-62.
5. J.L.Popp. Nuclear Instruments and Methods, A472 (2001) 354-358.
6. P.Baringer et al. Nuclear Instruments and Methods, A254 (1987) 542-548.
7. K.Lang et al. Nuclear Instruments and Methods, A522 (2004) 274-293.
8. С.Kendziora et al. A Straw Drift Chamber for Operation in Vacuum Tank, Preprint FERMILAB - Pub-02/241-Е.