WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Эффективность таких детекторов определяется множеством факторов, систематизированные данные пока не публиковались.

Искровые счетчики Пестова были изобретены в 1970-х годах и активно исследовались в рамках R&D для ALICE-TOF. Принцип их работы основан на возникновении искрового пробоя в перенапряженном газе, находящемся под высоким давлением (10 – 12 атм) в сильном однородном электрическом поле.

Для локализации разряда и подавления послеимпульсов электроды счетчиков Пестова изготавливаются из низко-резистивного стекла; в газовой смеси присутствует высокая концентрация квенчирующих добавок, абсорбирующих ультрафиолет во избежание фотоэффекта на катодах. Повышенное давление и высокое напряжение представляют собой основные технические трудности при эксплуатации больших систем на основе счетчиков Пестова. Временное разрешение счетчиков составляет около 30 пс, однако их временной спектр содержит заметную примесь задержанных сигналов («хвостов»), что крайне критично для условий ALICE.

Ограниченно-лавинный метод TOF был впервые изучен в рамках представленной работы и R&D для ALICE-TOF. Предпосылкой к его изучению стало соображение, что электронная лавина, развивающаяся в газе при напряженности электрического поля, не достаточной для возникновения искры, в принципе может обеспечивать хорошую привязку во времени, поскольку в плоской геометрии сигнал, наведенный на электродах, возникает сразу с началом движения электрического заряда в газе. Небольшая (по сравнению с искрой) величина разряда в этом случае должна приводить к улучшению счетных характеристик детектора, замедлять процесс старения, а также позволять обойти многие технологические проблемы, свойственные искровой методике.

С другой стороны, малая амплитуда сигнала требует разработки высокочувствительной и быстродействующей электроники, что невозможно без хорошего представления о форме импульса с камеры, которого к началу исследований не существовало. Работу, таким образом, следовало строить последовательно, сочетая изучение и моделирование лавинного сигнала с оптимизацией конструкции камеры и конструированием электронного канала. Отправной точкой для исследований предложенного метода стал простейший вариант камеры – ППК.

Тип детектора TOF Эффективность Характерное вре- Ориентировочная к MIP, % менное разрешение, стоимость массива пс 1 м2, k$ США Sci + PMT 100 50 – 80 200 (размер канала 5 5 см) Cчетчики Пестова 100 30 ППК 95 200 30 (размер канала 5 5 см) MRPC 99 50 80 (размер канала 3.5 2.5 см) Sci + SiPM — 30 – 80 — Табл. 1. Сравнение основных вариантов времяпролетных детекторов в контексте большой системы TOF. Стоимость включает измерительную электронику.

Сводное сравнение основных параметров систем TOF, основанных на разных вариантах времяпролетных детекторов, приведено в табл. 1.

В третьей главе описана конструкция и принцип работы ППК, произведено моделирование сигнала с камеры на основе элементарной теории электронной лавины, описан первый этап исследований образцов ППК на тестовой пучковой установке в ИТЭФ и его основные результаты, включая введение T– A-коррекции и использование электроотрицательных добавок в газовой смеси.

E -HV E Рис. 2. Схематическая конструкция и принцип работы ППК.

В простейшем варианте ППК представляет собой однозазорный газонаполненный детектор, работающий в ограниченно-лавинном режиме газового усиления при атмосферном давлении (см. рис. 2). Он состоит из двух проводящих электродов, удерживаемых на расстоянии 0.5 – 2 мм друг от друга.

Плоскостность и параллельность внутренних поверхностей электродов выдерживаются с точностью 5 – 10 мкм – тем аккуратнее, чем же зазор. Общая толщина камеры зависит от материала и дизайна и, как правило, составляет несколько миллиметров. Высокое электрическое поле (напряженностью 2 – 6 кВ/мм, выбираемое в зависимости от используемой газовой смеси и ширины зазора) способствует немедленному усилению начальной ионизации в любой точке рабочего объема камеры. Движение и рост электронной лавины мгновенно наводит быстрый (с временем роста ~ 1 нс) сигнал на электродах, за которым в течение нескольких микросекунд следует сигнал, вызванный дрейфом положительных ионов. В зависимости от выбранного газа можно достичь величины газового усиления 103 – 104, сохраняя при этом низкую вероятность пробоя.

P I M Если отвлечься от объемных зарядов внутри камеры, то развитие электронной лавины в однородном электрическом поле описывается уравнением d - xn(t) = n0 exp(vdrt), 0 t vdr где n0 – количество электронов в кластере первичной ионизации, – первый коэффициент Таунсенда, vdr – средняя скорость дрейфа электронов, d – ширина газового зазора, а x0 – расстояние от катода до места возникновения кластера.

Сигнал, наведенный между электродами в процессе развития лавины, определяется выражением qen0vdr I (t) = - exp(vdrt), d где qe – элементарный заряд. Компьютерное моделирование работы ППК учитывало флуктуации количества и размера пар первичной ионизации в газе, их расположения в объеме детектора, а также статистические флуктуации ионизующих столкновений на начальном этапе развития лавины, которые оказывают основное влияние на амплитуду сигнала и, следовательно, на время его регистрации. Время срабатывания ППК определялось, как момент, когда интегральный заряд от тока во внешней цепи превышает порог чувствительности формирователя (составлявший не менее 3 фКл, что обусловлено уровнем шумов на входе усилителя). В качестве рабочего газа предполагался чистый изобутан, напряженность поля равнялась 5 кВ/мм. На рис. 3 представлены характерные результаты моделирования работы камеры. Независимые расчеты соEntries 14.67 / Constant 238.Mean 2.Sigma 0.0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 а б Рис. 3. Результаты моделирования работы ППК: а – временное разрешение, б – зарядово-временное распределение сигналов.

шлись в том, что собственное временное разрешение ППК должно составлять около 100 – 250 пс. Эти данные вошли в инженерно-технический отчет (TDR) системы ALICE-TOF.

Пилотные образцы ППК имели металлические и металлизированные (Cr, Au, Cu) керамические электроды, кроме того была сконструирована камера с регулируемой извне (от 0.5 до 2 мм) шириной зазора. Размеры камер колебались от 20 20 до 50 50 мм. Многокомпонентные газовые смеси были основаны на CO2, i-C4H10, Ar, имели различные рабочие диапазоны напряженности электрического поля и различные абсорбции к собственному ультрафиолету.

Быстрое усиление сигнала с камеры осуществлялось в две стадии: посредством предусилителя и главного усилителя. Испытания ППК проводились на пучке 212 протонного синхротрона ИТЭФ, в качестве ионизующих частиц использовались пионы и протоны с импульсами в диапазоне 1.6 – 10 ГэВ/c, интенсивность пучков достигала 105 с-1, размер пучка в области камеры составлял несколько квадратных сантиметров.

Анализ двумерного распределения в координатах времени пролета T и заряда A выявил устойчивую нелинейную корреляцию между T и A, которая делает возможной автономную коррекцию результатов измерений. На рис. 4 показано одно из первых надежных наблюдений T–A-зависимости в ППК. При полной ширине распределения TOF порядка 1 нс введение T–A-коррекции улучшило результат примерно до 400 пс. Эта величина включала в себя разрешение измерительной электроники, которая на тот момент составляла 200 – 250 пс. Собственное разрешение камеры, таким образом, оказалось равным 280 – 320 пс, что согласуется с результатами моделирования. Впоследствии, T– d p 36 42 36 39 42 45 48 Рис. 4. T–A-распределение сигналов с ППК. Заметна возможность визуального разделения частиц с разной ионизационной способностью.

A-коррекция стала обязательным этапом анализа данных с разнообразных вариантов газонаполненных детекторов, работающих по принципу ППК.

В четвертой главе описаны конструкция и испытания двухзазорной ППК, рассказано о систематическом подборе оптимальных параметров камеры (ширина зазоров, материал электродов, состав газовой смеси, характеристики электронно-измерительного канала, рабочее напряжение и пр.), рассмотрены краевые и поверхностные эффекты, а также происхождение и вероятность сигналов с большой амплитудой.

0 200 400 600 800 ADC Рис. 5. Амплитудный спектр двухзазорной ППК (канал ADC = 0.25 фКл).

С целью улучшения характеристик ППК группой ИТЭФ была предложена симметричная двухзазорная конструкция камеры со съемом сигнала с центрального электрода. Согласно расчетам, амплитудный спектр двухзазорной ППК должен иметь отстоящий от нуля максимум, и с помощью подбора порога можно, таким образом, отсечь шумы камеры и электроники без значительной потери эффективности. Уже первые измерения подтвердили это заключение: рис. 5 показывает амплитудный спектр ППК, измеренный с использованием смеси аргона и изобутана с небольшой добавкой CF3Br.

Из принципа работы ППК следует, что чем же газовый зазор, тем лучше собственное временное разрешение камеры. С другой стороны, уменьшение газового зазора приводит к меньшей величине сигнала и, как следствие, к падению эффективности. Компенсация этого эффекта за счет увеличения напря женности поля ограничена условием сохранения низкой вероятности пробоя, которая становится существенной при d 20. В результате специальных испытаний, проведенных в ИТЭФ и ЦЕРН, ширина зазора 0.6 – 0.65 мм была признана лучшей, поскольку обеспечивала эффективность регистрации выше 90% при временном разрешении вблизи 200 пс во всем амплитудном диапазоне сигналов.

2 2 2 2 25% DME + 75% C H F2 50% DME + 50% C H F2 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.Рис. 6. Значения эффективности двухзазорной ППК с шириной зазора 0.6 мм, полученные на смеси DME и C2H2F4 в различных пропорциях.

Рабочая газовая смесь должна обладать максимальной пробивной напряженностью электрического поля в сочетании с высокой плотностью первичной ионизации. При этом основная компонента смеси должна иметь большое сечение поглощения резонансного ультрафиолета, необходимое для снижения вероятности образования стримеров. Было обнаружено, что использование диметилового эфира DME и негорючего газа C2H2F4 вместо i-C4H10, а позднее и вместо Ar, значительно увеличивало отношение сигнал-шум и эффективность регистрации MIP, которая достигла 95 – 98% в пределах высоковольтного плато шириной более 200 В (см. рис. 6). Кроме того, важным свойством газовой смеси является наличие и концентрация электроотрицательной компоненты, от которой зависят эффективность и работоспособность камеры. Первоначально в качестве такой добавки использовался фреон CF3Br, однако в соответствии с европейскими экологическими стандартами он был заменен на SF6. В дальнейшем пришлось отказаться и от использования DME, оказывавшего вредное влияние на материалы камеры и газовой системы. Окончательный выбор был остановлен на смеси 85% C2H2F4 + 5% i-C4H10 + 10% SF6 (процентное соотношение может незначительно изменяться), которая в дальнейшем тексте упоминается, как «стандартная».

Специально для работы с ППК был разработан электронный канал с передним фронтом на выходе усилителя около 2 нс и с общим усилением 12 В/пКл. Уровень шумов, приведенный ко входу усилителя, составил менее 5000 электронов и слабо (на уровне 80 электронов/пФ) зависил от емкости детектора. Полный вклад электроники во временное разрешение камеры был доведен примерно до 120 пс. Амплитуда заряда, собираемого с ППК при использовании «стандартной» газовой смеси, при этом составила в среднем 100 фКл, что привело к примерно двукратному выигрышу в отношении сигнал-шум.

При выборе материала для изготовления пластин ППК исследовались керамика, стекло, пластик и металл. Все типы электродов, за исключением пластиковых, дистанцировались друг от друга упорами из кварцевых волокон, упоры же пластиковых электродов были заложены в их конструкцию. Результаты измерений показали, что камеры с электродами из всех указанных мате10-10-10-10-10-10-5.

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.Рис. 7. Эффективность ППК и вероятность «больших» сигналов в зависимости от высокого напряжения для смеси 68% Ar + 30% i-C4H10 + 2% freon.

риалов обладают примерно одинаковыми характеристиками.

Основным недостатком ППК является возникновение редких событий с большими амплитудами, которые могут приводить к повреждению поверхности электродов и к выходу из строя измерительной электроники. Энерговыде460 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 ADC ADC а б 20.40 / Constant 1045.

Mean.1872E+Sigma 244.0 500 1000 в Рис. 8. Результаты пучковых испытаний двухзазорной ППК: а – распределение событий в плоскости T–A (канал ADC = 0.25 фКл, канал TDC = 50 пс);

б – временное разрешение ППК в зависимости от A (после вычитания временного разрешения стартовой системы); в – общее временное разрешение.

TDC TOF ление во всех случаях «больших» сигналов примерно одинаково и равняется энергии плоского конденсатора (каковым является ППК), заряженного до 100 нКл. Естественно предположить, что «большие» сигналы являются результатом искр, полностью разряжающих камеру. Основным виновником возникновения «больших» сигналов являются проводящие электроды, не обеспечивающие эффективного механизма гашения сильных разрядов. Результаты исследований «больших» сигналов для двухзазорной камеры с шириной каждого зазора в 1.5 мм приведены на рис. 7. Видно, что даже в области высокой эффективности вероятность «больших» сигналов составляет лишь около 10-4, что, тем не менее, представляет собой серьезную проблему в контексте многоканальной системы.

В результате R&D были подобраны оптимальные параметры камеры, обеспечивающие наилучшие эффективность и временное разрешение, а также работоспособность, адаптируемость под массовое производство и стоимость.

Окончательный размер ячейки составил 50 50 мм, ширина зазора – 0.6 мм.

Типичные результаты пучковых испытаний двухзазорной ППК приведены на рис. 8. Путем квадратичного вычитания джиттера электронного канала из полного разрешения детектора было получено, что неопределенность, связанная с собственным джиттером лавины, достигла уровня 100 – 150 пс. Эти данные согласуются с результатами компьютерной симуляции газового разряда в ППК. Таким образом, разработан простой и надежный детектор TOF с временным разрешением на уровне 200 пс и с более чем 90%-ной стабильной эффективностью регистрации MIP. Совокупность параметров и характеристик ППК позволила в 1998 году менеджменту эксперимента отдать предпочтение именно этим детекторам в сравнении с искровыми счетчиками Пестова и назначить их основной опцией для реализации проекта ALICE-TOF.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»