WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

для калориметра с толщиной абсорбера 3 мм – (%) = (12.9 ± 0.6) / A (0.8 ± 0.5), (2) A для калориметра с толщиной абсорбера 1.5 мм – (%) = (10.1± 0.5)/ A (0.0 ± 1.5). (3) A Рис. 11. Зависимость средней амплитуды сигнала калориметра от энергии электронов при давлении газа C F р=1.8 атм. ( – толщина абсорбера 1.5 мм, – толщина 3 абсорбера 3 мм).

Зависимость средней амплитуды сигнала от энергии электронов для этих структур представлена на рис. 11. Полная толщина газа в случае структуры 1.5 мм свинца + 5 мм C F в 2 раза больше, чем для структуры 3 мм свинца + 3 5 мм, что и отражено в величине амплитуд сигналов с калориметров.

Зависимости энергетического разрешения калориметров с разными толщинами абсорберов от давления газа C F представлены на рис. 12. Видно, что энер3 гетическое разрешение слабо зависит от давления, начиная с 0.9 атм. Для данных калориметров был также измерен энергетический эквивалент шума и он составил 180 МэВ/атм. для 3 мм абсорбера, 150 МэВ/атм. для 1.5 мм абсорбера.

В заключение необходимо отметить следующее:

1. Энергетическое разрешение газовых калориметров сравнимо с энергетическим разрешением жидкоаргоновых.

2. Энергетическое разрешение калориметра, начиная с давления газа близкого к атмосферному, слабо зависит от давления.

3. Отношение сигнал/шум зависит от давления газа и собственной ёмкости башен калориметра. Показано, что можно достичь энергетического эквивалента шума с 1 башни 150 МэВ/атм.

Отсюда можно сделать важный практический вывод, что во многих случаях возможна замена жидкоаргоновых калориметров на более простые и дешёвые газовые, которые имеют все преимущества жидкоаргоновых калориметров, за исключением, возможно, отношения сигнал/шум.

Рис. 12. Зависимость энергетического разрешения калориметра от давления газа C F при энергии электронов Е= 25.6 ГэВ ( – толщина абсор3 бера 1.5 мм, – толщина абсорбера 3 мм).

В третьей главе рассматриваются особенности работы цилиндрических и плоскопараллельных счётчиков, наполненных C F, в ионизационном режиме и в 3 режиме несамостоятельного газового разряда, представлены результаты изучения свойств газового разряда в зависимости от напряжённости электрического поля в газовом промежутке, приведены зависимости амплитудного разрешения от типа ионизации, рассмотрена возможность измерения чистоты C F методом 3 измерения тока в цилиндрическом счётчике, работающем в ионизационной моде.

Относительно большая плотность 8.410-3 г/см3 и высокая скорость дрейфа электронов делают C F привлекательным не только для использования в калори3 метрии, но и в других газовых детекторах, в том числе и с газовым усилением.

Так, например, для минимально ионизирующей частицы на одном сантиметре пути при атмосферном давлении в C F образуется около 400 электрон-ионных 3 пар. Указанные выше свойства могут позволить создать высокоэффективные, быстрые детекторы с толщиной в «субмиллиметровом» диапазоне.

Свойства C F были подробно изучены применительно к его использова3 нию в высоковольтных разрядниках-обострителях. В этих работах приведены данные по коэффициенту Таундсена и коэффициенту захвата электронов. Отмечается, что сечение захвата электронов простирается от 1 до 5 эВ и коэффициент прилипания (нормированный на плотность газа) /N зависит от плотности газа и температуры. Как видно из рис. 13, при низких значениях приведённой напряжённости электрического поля до E/N2010-17 Всм2 коэффициент прилипания электронов незначителен и резко возрастает с ростом E/N. На том же рисунке изображён коэффициент Таундсена. Видно, что лавинное размножение начинается с E/N12010-17 Всм2 и величины коэффициента прилипания и коэффициента Таундсена сравниваются при E/N30010-17 Всм2. Сильная зависимость коэффициента прилипания от давления в области E/N4010-17 Всм2 делает неочевидным применение C F в качестве активной среды газовых детекторов.

3 Поэтому нами были проведены дополнительные измерения и расчёты, подтвердившие перспективность использования C F в детекторах частиц. Были изу3 чены 2 типа детекторов, наполненных C F : с плоским однородным внутренним 3 электрическим полем (случай плоскопараллельного счётчика), резко неоднородным радиальным полем (случай цилиндрического счётчика).

Рис. 13. Зависимость коэффициента Таундсена и прилипания от приведённой напряжённости электрического поля.

Используя зависимости коэффициента Таундсена и прилипания от приведённой напряжённости электрического поля, представленные на рис.13, была оценена вероятность выживания 1 электрона при дрейфе через плоскопараллельный счётчик с толщиной газового промежутка в 1 мм, заполненного газом C F 3 в зависимости от напряжённости электрического поля в промежутке (рис. 14).

Как следует из этого рисунка, можно выделить три области:

1. Область А – в этой области коэффициент прилипания и коэффициент Таундсена близки к нулю. В этой области реализуется режим ионизационной камеры с полным сбором заряда.

2. Область Б – область, в которой коэффициент прилипания доминирует.

Область начинается, когда электроны приобретают энергию свыше 1 эВ, и простирается до 5 эВ. Условно можно назвать эту область «мёртвой».

3. Область В – область, где происходит процесс лавинного размножения электронов.

Рис. 14. Вероятность выживания одного электрона при прохождении 1 мм газа C F.

3 Опираясь на эти расчёты, можно выбрать область работы калориметра, наполненного газом C F. Очевидно, что для достижения наилучшего энергетиче3 ского разрешения необходимо работать в области А – области с полным сбором ионизационного заряда.

На рис. 15 приведена зависимость средней амплитуды сигнала с 9 башен калориметра от напряжения, показывающая, что в ионизационной моде возможен полный сбор электронов. Работать в области газового усиления невыгодно из-за сильных флуктуаций газового усиления в плоскопараллельной камере, ухудшающих энергетическое разрешение калориметра, хотя при этом отношение сигнал/ шум будет лучше. Кроме того, в случае работы в режиме газового усиления существенно возрастают требования к точности изготовления системы электродов калориметра, и необходимо использование высокостабильного высоковольтного источника.

Рис. 15. Зависимость средней амплитуды сигнала с 9 башен калориметра от напряжения при давления газа C F р=3 атм. при энергии электронов Е=25.6 ГэВ.

3 Работа в области Б невозможна, стабильная работа в области лавинного усиления (В) для плоскопараллельного счётчика при давлении газа чуть выше атмосферного оказалась также невозможна из-за самостоятельных пробоев.

В случае цилиндрического счётчика зависимости коэффициента Таундсена и коэффициента прилипания представлены на рис. 16.

Рис. 16. Зависимость коэффициентов Таундсена и прилипания от радиуса в цилиндрическом счётчике.

Если счётчик работает в ионизационном режиме, то зависимости коэффициентов Таундсена и прилипания от радиуса в цилиндрическом счётчике как показано на рис. 17.

Рис. 17. Зависимость коэффициентов Таундсена и прилипания от радиуса в цилиндриче- ском счётчике при напряжении 1 кВ. Диаметр катода – 3 см, анода – 100 мкм.

Как можно видеть из рис. 17, коэффициенты Таундсена и прилипания равны нулю в широком диапазоне от 200 мкм и до 1,5 см. Резкое возрастание коэффициента прилипания начинается на 3 радиусах анодной проволоки, в то время как лавинное усиление при таком напряжении на счётчике не начинается. Исходя из этого, можно сделать вывод, что в случае работы цилиндрического счётчика в ионизационной моде происходит неполное собирание электронов (величина зависит от приложенного напряжения и геометрических параметров счётчика).

На рис. 18а изображена зависимость доли дошедших до анода электронов от точки попадания частицы с точечной ионизацией. Возрастание доли электронов на расстояниях меньших 200 мкм объясняется уменьшением длины пути электронов, образованных в результате взаимодействия регистрируемой частицы в области с сильным прилипанием. На рис. 18б представлена доля дошедших до анода электронов в зависимости от расстояния трека до анода. Для протяжённой ионизации коэффициент усиления почти постоянен, начиная от анода и до половины радиуса катода, а дальше начинает заметно влиять уменьшение длины трека.

Рис. 18. Зависимость доли дошедших до анода электронов в цилиндрическом счётчике с диаметром катода 3 см и диаметром анода 100 мкм: а) от радиуса образования электрона при регистрации рентгеновского фотона (точечная ионизация);

б) от расстояния между анодом и треком ионизирующей частицы (протяжённая ионизация).

Экспериментальное наблюдение вышеперечисленных зависимостей в ионизационной моде представляет сложную задачу, но её можно упростить, если работать в моде лавинного усиления.

Нами была исследована работа четырёх цилиндрических счётчиков с диаметром катода 10 мм и диаметрами аноднов 11, 20, 50, 100 мкм. Отрицательное высокое напряжение подавалось на катод. Сигнал с анода подавался на вход низкошумящего предусилителя, выполненного на основе интегральной схемы EL2074 с усилением G 20, полосой пропускания 75 МГц и уровнем шума, приведённым ко входу, 2.2 нВГц. Для измерений формы сигналов и амплитудных спектров со счётчиков использовался цифровой осциллограф TDS724 с шириной полосы 500 МГц. Изучался отклик счётчиков на ионизацию рентгеновскими фотонами от радиоактивного источника Fe55 и от -источника Sr90. Источник Feобеспечивал точечную ионизацию газа счётчика. Sr90 находился в магнитном монохроматоре, с помощью которого вырезались электроны с энергией около 2 МэВ, и обеспечивал ионизацию, аналогичную минимально ионизирующим частицам. Все тесты проводились с C F с чистотой 99.99 и 99%.

3 На рис. 19а приведены счётные характеристики счётчиков с анодными проволоками разного диаметра. Была также измерена эффективность регистрации заряженной частицы для счётчика с диаметром анода 20 мкм. Она составила 10%.

На рис. 19б представлены зарядовые характеристики для проволок с разными диаметрами. Надо отметить достаточно большую величину заряда лавины, которая находится в диапазоне от 0.3 до 10 пК. Для сравнения: в смеси Ar+50%CO переход в СГС-режим начинается при заряде около 2 пК.

Рис. 19. Счётные (а) и зарядовые (б) характеристики счётчика от приложенного напряже ния для анодной проволоки с диаметрами: а) – 11мкм, – 20 мкм, – 50 мкм, – 100 мкм; б) + – 11 мкм, – 20 мкм, – 50 мкм, – 100 мкм.

На рис. 20 приведены сигналы (наблюдаемые на осциллографе с нагрузкой 50 Ом на входе без усиления) со счётчика с диаметром анодной проволоки 11 мкм от Fe55 (точечная ионизация) и от Sr90 (протяжённая ионизация). Характерной особенностью сигналов для всех диаметров проволок является то, что длительность сигнала по основанию составила 2–3 нс как для Fe55, так и для Sr90, причём амплитуда сигнала больше для Sr90. Было измерено также относительное амплитудное разрешение счётчика для разных диаметров анода от Fe55 и от Sr(после магнитного монохроматора). Разрешение для всех проволок составило 50% для Fe55 и 30% для Sr90.

Рис. 20. Сигналы от счётчика, наполненного С F, с анодной проволокой диаметром 3 11 мкм при напряжении 4.5 кВ на в ходе осциллографа с нагрузкой 50 Ом:

а) Fe55 (точечная ионизации); б) Sr90 (протяжённая ионизация).

В четвёртой главе рассматривается параметрическая модель развития электромагнитного ливня в газовом ионизационном калориметре. Сравниваются параметры модели в случае развития ливня в разных газообразных средах, проводится сравнение экспериментальных результатов для газового калориметра с результатами моделирования, полученными с использованием пакета Geant и с помощью параметрической модели.

Свойства газового калориметра изучались как на тестовых пучках (см.

главу 2), так и с помощью моделирования. В процессе изучения калориметра с помощью моделирования преследуются различные цели – изучение его свойств, физический анализ, быстрая оценка характеристик. При физическом анализе требуется большое количество смоделированных событий. Необходимое время генерации таких событий увеличивается с ростом энергии, поглощённой в калориметре, и количеством событий. Поэтому генерация большого количества событий с использованием пакетов GEANT или EGS4 занимает слишком много времени. Используя параметрическую модель развития ливня, можно существенно сократить время вычислений без ущерба для точности.

Целью данной работы являлась параметризация развития электромагнитного ливня в газовых калориметрах и сравнение характеристик калориметра, напол- ненного различными газами: Ar, Xe, C F, а также жидким аргоном. Развитие 3 электромагнитного ливня в калориметре моделировалось с помощью пакета GEANT и затем параметризовалось с использованием известных соотношений.

Результаты параметризации развития ливня в двух структурах газового калориметра, описанных в главе № 2 диссертации, сравнивались с расчётами, проведёнными с помощью пакета GEANT и экспериментальными данными.

Параметризация основана на том, что развитие отдельного ливня в продольном направлении можно аппроксимировать гамма-распределением:

(4) где индекс i показывает, что рассматривается отдельный ливень.

Чтобы смоделировать продольный профиль ливня, кроме средних величин T (глубина максимума ливня) и (параметр формы ливня) нужно знать флуктуации и корреляции этих величин. Используется тот факт, что логарифмы величин этих параметров имеют нормальное распределение.

Зависимость среднеквадратичного отклонения от величины y=E/E, где Е – c энергия падающей частицы, Е – критическая энергия:

с - (5) = a1 + a2 ln y ( ) а корреляция между lnT и ln даётся следующим выражением:

(lnT,ln ) = b1 + b2 ln y (6) где a, a, b, b – константы, зависящие от вещества.

1 2 1 Рис. 21. Интегральное (а) и дифференциальное (б) распределения энергии ливня для калориметра с толщиной абсорбера 1.5 мм ( – GEANT, • – параметризация, газ – C F, давление 1.5 атм.).

3 На рис. 21 приведено интегральное и дифференциальное распределения энергии ливня для калориметра с толщиной абсорбера 1.5 мм. Из рис. 21 видно, что параметрическая модель хорошо согласуется с расчётами по программе GEANT до глубины 12 Х, где происходит основное выделение энергии ливня.

После 12 Х наблюдается разница в поведении, обусловленная недостаточной точностью учёта энергии мягких электронов ливня. Подобные распределения были получены не только для калориметров, наполненных C F, но и для газов 3 Ar и Xe.

Поперечное развитие ливня в гетерогенном калориметре можно параметризовать следующим образом:

Pages:     | 1 || 3 |






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