Устройство для идентификации заряженных частиц по счету кластеров первичной ионизации

 

Использование: в физике высоких энергий, в ядерной физике, физике космических лучей. Сущность изобретения: устройство для идентификации заряженных частиц по счету кластеров первичной ионизации содержит герметичный корпус, в котором расположены чередующиеся слои сигнальных проволок и высоковольтных плоских электродов из проводящего материала. Сигнальные проволоки расположены перпендикулярно плоскости входного окна и соединены с амплитудно-цифровым преобразователем. Давление газа в объеме устройства установлено таким, что среднее расстояние между кластерами больше, чем нечувствительная зона вдоль проволоки около стримера. 1 ил.

Изобретение относится к физике высоких энергий и может быть использовано в ядерной физике и физике космических лучей для идентификации частиц по ионизационным потерям и переходному излучению.

Известно устройство для идентификации частиц ( π, К, p) по измерению числа кластеров (кластером называют сгусток вторичных электронов на треке частицы, образованный одним первичным электроном) первичной ионизации в области релятивистского подъема ионизационных потерь путем визуального счета кластеров в стримерной камере [1] Однако такой подход не нашел распространения из-за трудоемкости визуальной обработки информации.

Устройство с электронным счетом кластеров, состоящее из дрейфового объема и пропорциональной камеры. При прохождении заряженной частицы перпендикулярно плоскости пропорциональной камеры в газе образуются кластеры ионизации, которые дрейфуют к сигнальной проволоке. Поскольку газовая смесь в камере подбирается для работы в пропорциональном режиме, то амплитуда импульса от кластера пропорциональна числу электронов в кластере. Сигналы с проволоки поступают на пороговое устройство (формирователь), после которого сформированный сигнал подается на пересчетное устройство, сосчитывающее число импульсов, т.е. кластеров.

Однако такое устройство имеет следующие недостатки.

Поскольку траектория частицы перпендикулярна сигнальной проволоке (т.е. ионизационный трек частицы высаживается практически в одной точке на проволоке), газовое усиление должно быть сравнительно малым (менее 10⁴), чтобы насыщение усиления (из-за возникновения пространственного заряда, связанного с малой скоростью положительных ионов, экранирующих потенциал проволоки) не уменьшало эффективности счета кластеров. При малом газовом усилении требуются низкопороговые формирователи с малым уровнем шума и высоким быстродействием (около 100 МГц).

Пересчетное устройство для счета кластеров должно иметь быстродействие не менее 100 МГц, создание таких устройств является сложной задачей.

Для идентификации частиц в области релятивистского подъема ионизации необходимо измерение числа кластеров в газе на длине около 300 см. Даже при дрейфовом зазоре 1 см в этом случае необходимо создание столь сложной электроники, что такой метод нашел применение только для регистрации переходного излучения, где число таких камер обычно лежит в области 10.

При типичной длительности сигнала с проволоки около 100 нс временной интервал между кластерами должен быть не менее 100 нс. Тогда при среднем числе ионов на 1 см газа около 30, время дрейфа должно быть не менее 3 мкс, что и является "мертвым" временем такого детектора. Малое быстродействие такого устройства сильно ограничивает сферу его применения.

При наличии нескольких независимых газовых зазоров (несколько пропорциональных камер) для выработки сигнала триггера на заданное число кластеров (заданный сорт частицы) требуется сложная электронная схема, что практически исключает такую возможность.

Цель изобретения повышение быстродействия, упрощение устройства и возможность выработки триггера на определенный сорт частицы.

Устройство для идентификации заряженных частиц представляет собой герметичный корпус, толщина стенок которого достаточна для того, чтобы выдержать пониженное давление. В корпусе расположены чередующиеся слои сигнальных проволок и высоковольтных плоскостей из проводящего материала. В отличие от известных в предлагаемом устройстве сигнальные проволоки расположены перпендикулярно плоскости входного окна и соединены с амплитудно-цифровым преобразователем, а давление в газе установлено таким, что среднее расстояние между кластерами больше, чем нечувствительная зона вдоль проволоки около стримера.

Кроме того, создается режим работы (с помощью подбора газовой смеси), когда амплитуда сигнала от кластера не зависит от числа электронов в кластере ограниченный стримерный режим.

Идентификация частиц осуществляется по однозначной связи между числом кластеров первичной ионизации и массой заряженной частицы при известном импульсе частицы (который измеряется по углу поворота частицы в магнитном поле).

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Устройство содержит корпус 1, входное окно 2, сигнальные проволоки 3 и высоковольтные электроды 4. Сигнальные проволоки 3 соединены с амплитудно-цифровым преобразователем 5.

Устройство работает следующим образом.

При прохождении частицы через объем камеры возникают кластеры первичной ионизации. Поскольку траектория частицы направлена приблизительно параллельно сигнальной проволоке, то кластеры подходят к проволоке почти одновременно независимо от длины трека частицы. Состав газа подобран таким образом, чтобы амплитуда импульса с проволоки не зависела от числа электронов в кластере так называемый самогасящийся стримерный режим, а давление газа в камере понижено до величины, кода расстояния между кластерами больше, чем нечувствительная зона на проволоке около стримера ( ±1 мм), чтобы не возникали перекрывающиеся разряды от соседних кластеров. Поскольку амплитуда импульса от кластера не зависит от числа электронов в кластере (полная ширина на полувысоте амплитудного распределения порядка 10%), то амплитуда сигнала с проволоки будет пропорциональна числу кластеров.

Так как в данном случае траектория частицы параллельна проволоке, то не происходит насыщения усиления при увеличении длины регистрируемого трека частицы.

П р и м е р. Смесью Ar + 50% CO₂ заполнен объем при давлении 0,2 атм (среднее число ионов 30 1/см, а необходимо не более 6 1/см³). В газовом объеме находятся чередующиеся слои сигнальных проволок диаметром 50 мкм, натянутых с шагом 1 см между высоковольтными электродами из алюминиевых фольг, находящихся на расстоянии 5 мм от сигнальных проволок. Сигнальные проволоки натянуты перпендикулярно плоскости входного окна и соединены с амплитудно-цифровым преобразователем.

При расстоянии между сигнальными проволоками 10 мм максимальное дрейфовое расстояние равно 5 мм. При скорости дрейфа 5 см/мкс это соответствует времени дрейфа 100 нс и не зависит от длины регистрируемого трека. Поскольку амплитуда сигнала с проволоки пропорциональна числу кластеров, то для выработки триггера на определенное число кластеров можно использовать дифференциальный или интегральный дискриминатор.

Быстродействие предлагаемого устройства определяется частотой срабатывания одной проволоки в самогасящемся режиме около 10³ срабатываний в секунду. Уже при площади детектора 1 м число сигнальных проволок равно 100 х 100 10⁴, т.е. допустимая загрузка детектора равна 10³ х 10⁴ 10⁷ частиц/с.

Таким образом, техническим результатом изобретения является устройство, на выходе которого амплитуда сигнала однозначно связана с числом кластеров первичной ионизации, выделенных заряженной частицей, прошедшей через газовый объем устройства, что позволяет идентифицировать заряженные частицы по ионизационным потерям.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО СЧЕТУ КЛАСТЕРОВ ПЕРВИЧНОЙ ИОНИЗАЦИИ, содержащее герметичный корпус с входным окном, в котором расположены чередующиеся слои сигнальных проволок и высоковольтных электродов, отличающееся тем, что объем устройства заполнен газовой смесью, в которой амплитуда сигнала с проволоки не зависит от числа электронов в кластере, сигнальные проволоки и высоковольтные электроды расположены перпендикулярно плоскости входного окна и соединены с амплитудно-цифровым преобразователем, а давление газа установлено таким, что среднее расстояние между кластерами больше, чем нечувствительная зона вдоль проволоки около стримера.

РИСУНКИ

Рисунок 1