УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПРОВОЛОК В ГАЗОВЫХ ПРОВОЛОЧНЫХ КАМЕРАХ
DEVICE FOR MEASURING THE LOCATION OF WIRES IN GAS WIRE CHAMBERS

Область техники
Изобретение относится к технике газовых многопроволочных координатных камер, и может быть использовано для точного измерения в камерах местоположения (координат) анодных или потенциальных проволок.
В экспериментальной ядерной физике, в частности в физике высоких энергий, широко применяются трековые многопроволочные детекторы. Для получения высокого пространственного разрешения, при регистрации координат проходящих через них заряженных частиц, требуется хорошее соответствие реальных механических параметров камер с их расчетными характеристиками. Конфигурация электрического поля в камере, во многом зависящая от этих параметров, также должна быть близка к расчетной. Это необходимо для получения однородности коэффициента газового усиления, скорости дрейфа электронов и др. по всей чувствительной области камеры. Поэтому всегда добиваются высокой точности изготовления механических частей камер, прямолинейности анодных и потенциальных проволок и постоянного шага между ними, так как сама координата прошедшей через камеру заряженной частицы строго привязана к местоположению ближайшей анодной проволоки. Оно, со своей стороны, определяется в координатной системе, связанной с несущей конструкцией камеры. Поэтому контроль положения проволок в многопроволочных камерах является важной задачей.
В настоящей работе предлагается устройство для измерения местоположения проволок в таких камерах, где анодные или потенциальные проволоки находятся в полупрозрачных или прозрачных средах и в этом случае задачу измерения их координат можно значительно упростить.
Уровень техники
Известно несколько аналогов [1, 2, 3], близких к предлагаемому здесь устройству. В аналоге [1] используется осветитель и детектор света для определения над подложкой микросхемы самой высокой точки соединительных проволочных петель, которые не натянуты и не прямолинейны. Поэтому аналог [1] не пригоден для определения местоположения натянутых проволок в случае многопроволочных камер.
В аналогах [2, 3] описано устройство для определения координат проволок в дрейфовой камере. В нем проволоки облучаются рентгеновскими лучами, получаемыми в рентгеновской трубке. Эти лучи коллимируют и последовательно направляют на проволоки. Возникающие на них электроны затем регистрируют детектором, перемещаемым вдоль ряда проволок на другой его стороне, с возможностью фиксации координат перемещения. Определение местоположения проволок происходит после построения распределения электронов. Это требует применения сложной рентгеновской аппаратуры с высоковольтным питанием, коллимации пучка, радиационной защиты от излучения, а также достаточно длинной экспозиции при облучении проволок и последующей обработки данных, что удлиняет процесс измерения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству для измерения местоположения проволок в газовых многопроволочных дрейфовых камерах является устройство [4] (прототип), основанное на облучении проволок в камере пучком электронов от радиоактивного источника и регистрации рассеянного пучка с помощью детектора, расположенного на другой стороне ряда проволок. При этом радиоактивный источник и детектор имеют возможность синхронного перемещения с регистрацией координат в плоскости, перпендикулярной к плоскости проволок. Когда пучок электронов пересекает проволоку, их рассеяние достигает максимума и при регистрации в распределении электронов возникает минимум.
Недостатком этого устройства является то, что здесь также требуются устройства коллимирования пучка электронов и радиационной защиты, детектор электронов должен быть жестко связан с источником и синхронно перемещаться вместе с ним, но на другой стороне многопроволочной камеры, что, в случае ее больших линейных размеров, создает достаточно большие сложности. Кроме того, сигналы, получаемые с детектора, необходимо усиливать и подвергать обработке с использованием специальной аппаратуры, чтобы затем по центрам тяжести полученных распределений определить координаты проволок.
Следует отметить, что как аналоги [2, 3], так и прототип [4], применимы в случаях, когда визуальное наблюдение проволок в камере невозможно, например, когда дрейфовые трубки не прозрачны. Если же проволоки находятся в полупрозрачной или прозрачной среде, задача существенно упрощается, так как возможно применение источника видимого света вместо источника электронов.
Раскрытие изобретения
Изобретение решает задачу регистрации местоположения проволок в газовых проволочных камерах.
В этом случае задача решается путем применения для освещения проволок вместо излучателя электронов источника света, а вместо детектора электронов прибора, регистрирующего изображение проволок.
Предлагается устройство для измерения местоположения проволок в прозрачной или полупрозрачной среде в газовых многопроволочных камерах, включающее источник излучения, детектор изображения проволок, выполненный с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной проволочной плоскости, связанный с управляющей и обрабатывающей аппаратурой, при этом излучателем служит источник света, в качестве детектора используется прибор, выполненный в виде цифрового микроскопа с электронным окуляром, установленного на оптической скамье, который непосредственно регистрирует изображения проволок в проходящем или отраженном свете и осуществляет запись, в том числе и автоматически, координат проволок в системе координат, связанной с несущей конструкцией камеры.
Для регистрации изображения проволок в проходящем свете, источник света и детектор расположены на противоположных сторонах от проволочной плоскости, при этом источник света выполнен протяженным, в виде светодиодной матрицы или многоточечного источника и охватывает светом все проволоки.
Для регистрации изображения проволок в отраженном свете, источник света и детектор расположены на одной стороне от проволочной плоскости, жестко связаны между собой и установлены на общем основании.
Отличительными признаками изобретения, при регистрации положения проволок в прозрачной или полупрозрачной среде в многопроволочных камерах, являются:
Использование в качестве излучателя источника света.
Использование в качестве детектора прибора, непосредственно регистрирующего координаты изображения проволок в проходящем или отраженном свете, выполненного в виде микроскопа с электронным окуляром, установленного на оптической скамье, и также выполненного с возможностью автоматического считывания координат при его перемещении по скамье.
Для случая регистрации изображения проволок в проходящем свете, источник света и детектор расположены на противоположных сторонах от проволочной плоскости, а источник света выполнен протяженным в виде светодиодной матрицы или многоточечного источника и охватывает светом все проволоки.
При измерении изображения проволок в отраженном свете от проволочной плоскости, источник света и детектор расположены на одной стороне от проволочной плоскости, на общем основании и жестко связаны между собой.
Следует отметить, что измерение в отраженном свете становится особенно полезно, когда проволочная плоскость недоступна для освещения с другой стороны плоскости проволок.
Совокупность всех существенных признаков позволяет измерять местоположение проволок в прозрачной или полупрозрачной среде в газовых многопроволочных камерах, непосредственно отсчитывая их координаты на оптической скамье с помощью микроскопа с электронным окуляром, и, кроме того, существенно упрощает устройство.
Осуществление изобретения
Перечень фигур:
Фиг. 1. (Приложение 1) Схема установки для измерений местоположения проволок в проходящем свете.
Фиг. 2. (Приложение 1) Схема установки для измерений местоположения проволок в отраженном свете.
Фиг. 3. (Приложение 2) Схема установки для измерений в отраженном свете с использованием призмы.
Фиг. 4. (Приложение 2) Компьютерная фотография анодной проволоки в отраженном свете.
На фиг. 1 (приложение 1) представлена схема установки для измерений в проходящем свете, где:
1 - анодная проволока,
2 - дрейфовая трубка,
3 - протяженный источник света,
4 - микроскоп на оптической скамье.
5 - электронный окуляр,
6 - оптическая скамья,
7 - управляющий компьютер.
На фиг. 2 (приложение 1) представлена схема установки для измерений в отраженном свете, где:
1 - анодная проволока,
2 - дрейфовая трубка,
3 - источник света,
4 - микроскоп,
5 - электронный окуляр,
6 - оптическая скамья,
7 - управляющий компьютер,
8 - основание с источником света и микроскопом, установленное на оптической скамье,
°
α - угол между оптическими осями микроскопа и осветителя.
На фиг. 3 (приложение 2) представлена схема установки для измерений в отраженном свете с использованием призмы, где:
1 - анодная проволока,
2 - дрейфовая трубка,
3 - источник света,
4 - микроскоп,
5 - электронный окуляр,
6 - оптическая скамья,
7 - управляющий компьютер,
8 - основание с источником света и микроскопом, установленное на оптической скамье,
9 - призма для изменения хода лучей источника света,
°
α - угол между оптической осью микроскопа и ходом лучей источника света.
На фиг. 4 (приложение 2) показано изображение анодной проволоки в микроскопе в отраженном свете в полупрозрачной дрейфовой трубке.
Ниже описывается один из возможных способов осуществления изобретения в проходящем свете, например, в дрейфовых камерах, состоящих из расположенных в квазишахматном порядке тонкостенных полупрозрачных майларовых трубок (строу) диаметром 9,80, мм служащих в качестве катода, покрытых изнутри тонкими слоями меди и золота, с анодной проволокой диаметром 30 микрон в центре. Отметим, что в больших дрейфовых камерах количество дрейфовых трубок исчисляется сотнями и более, а длина трубок и анодных проволок в них метрами [5].
На несущей конструкции камеры обычно наносятся точные реперы, которые служат с одной стороны для привязки камеры к экспериментальной установке, а с другой стороны, для привязки к ним координат проволок внутри камеры.
Схема работы устройства в проходящем свете показана на Фиг. 1, (Приложение 1). Здесь проволоки (1) и трубки (2) перпендикулярны плоскости Фиг. 1. Для измерений в качестве источника света используется узкая и длинная светодиодная матрица (3). Изображения проволок фиксируются микроскопом (4) с электронным окуляром (5), установленным на оптической скамье (6). Светодиодная матрица (3) и микроскоп (4) расположены на противоположных сторонах от проволочной плоскости. Микроскоп с электронным окуляром имеет возможность точного механического перемещения вдоль показанной на Фиг. 1 пунктирными линиями оптической скамьи (6) в направлении, показанном стрелками. Скамья позволяет проводить высокоточные измерения перемещения микроскопа благодаря, в том числе, дифракционной решетке с маской, и дает возможность как ручной, так и автоматической записи координат с помощью управляющего компьютера (7). Изображение всех проволок от электронного окуляра и отсчеты координат при перемещении микроскопа последовательно вводятся в управляющий компьютер (7).
Устройство работает следующим образом:
Вначале осуществляется привязка координат оптической скамьи к реперам камеры, например, при помощи микроскопа. При этом рельсы скамьи располагают строго параллельно плоскости проволок. Затем микроскоп фокусируют на первую проволоку первого ряда трубок и проходят этот ряд с измерением и записью координат проволок, затем переходят к измерениям на второй ряд.
При управлении устройства вручную, в момент прохождения краев изображения каждой отдельной проволоки через перекрестие микроскопа, нужно считывать соответствующую координату. Для автоматического считывания координаты проволоки, в момент ее прохождения через перекрестие микроскопа, необходимо использовать программу распознавания образов. Чтобы увеличить точность измерений, желательно записывать координаты обоих краев проволоки. Для определения прямолинейности отдельных проволок измерения следует проводить не менее чем в двух разделенных плоскостях, например, на концах проволок. По полученным координатам можно определить как межпроволочные расстояния, так и прямолинейность проволок. Применение микроскопа МБС-10 с установленным в нем электронным окуляром показало, что возможна фиксация координат проволок с точностью 3-5 микрон для анодной проволоки диаметром 30 микрон.
При работе в отраженном свете, см. Фиг. 2 (Приложение 1), на оптической скамье (6) перемещается установленное на ней основание (8) с источником света (3) и микроскопом (4). До начала измерений необходимо отъюстировать микроскоп и осветитель для получения на экране четкого изображения проволоки. При работе с микроскопом МБС-10, ввиду его больших габаритов, не всегда можно расположить источник света под нужным углом. В этом случае нами была использована малогабаритная призма (9), для изменения хода лучей источника света, как это показано на Фиг. 3 (Приложение 2). Остальные действия практически идентичны предыдущему случаю. Образец изображения анодной проволоки в отраженном свете показан на Фиг. 4 (Приложение 2).
Оба описанных выше случая применимы и для измерения местоположения потенциальных проволок в других многопроволочных камерах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Xiao Hui Cheng, Wing Hong Leuing, US Patent 7145162 B2, 31.10.2003.
2. T. Akesson et al., Nuclear Instruments and Methods, A 463 (2001) 129-141.
3. T. Akesson et al., Nuclear Instruments and Methods, A 507 (2003) 622-635.
4. S.H. Oh et al., Nuclear Instruments and Methods, A 325 (1993) 142-146.
5. Proposal CERN, 11.06.05. CERN-SPSC-2005-013, Retrieved 2009-09-28.