Детекторы на стримерных трубках

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

 

 

РЕФЕРАТ ПО СОВРЕМЕННЫМ ФИЗИЧЕСКИМ ЭКСПЕРИМЕНТАМ

 

 

 

 

«Детекторы на стримерных трубках»

 

 

Студента 5 курса 2 группы 
кафедры Ядерной физики и электронии

Комбаев Владислав Евгеньевич

 

 

 

 

 

 

 

Минск, 2013

Оглавление

Введение 3

Стримерные трубки 4

Заключение 11

Список литературы 12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Детекторы, заполненные газовыми смесями, получили широкое применение в физике высоких энергий. Основными  представителями это нише является ионизационная камера, пропорциональные счетчики, счетчика Гейгера, стримерные трубки. Все они со временем были модернизированы и до сих пор являются неотъемлемой частью современного эксперимента. Позволили положить новые кирпичи в строительстве «дома» под названием физика высоких энергий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стримерные трубки

Стримерная трубка - это детектор, используемый для регистрации ионизации и треков частиц. Газовый детектор с одним анодом преимущественно используется для измерения ионизации, а имеющие множество анодных проволочек находят применение при измерение пространственных координат частиц.

Обычно в счетчиках  Гейгера рабочий газ соотносится  с гасящим в пропорции 90:10. Диаметр  анодных проволочек составляет 30 мкм, а анодное напряжение около кэВ. Если доля гасящего газа значительно  возрастет, боковое распространение  заряда вдоль анодной проволочки может быть полностью подавлено. Как и в пропорциональном счетчике, мы вновь получим локализованный разряд с тем преимуществом, что  сигнал будет большим (газовое усиление ≥ при достаточно высоких анодных напряжениях). Тогда сигнал можно обрабатывать без дополнительного предусиления. Стримерные трубки (трубки Йароччи), а также разработанные Д.М. Хазинсом, работают на «толстых» анодных проволочках в пределах 50 и 100 мкм. Можно использовать газовые смеси с ≤60% аргона и ≥40% изобутана. Стримерные трубки также хорошо работают на чистом изобутане. ПРи таком режиме работы переход из пропорциональной моды к стримерной происходит, минуя режим разряда Гейгера. На рис.1 показаны амплитудные спектры маленьких пропорциональных сигналов, создаваемых электронами от источника .

Рисунок 1 - Амплитудные спектры сигналов в стримерной трубке. С увеличением анодного напряжения четко виден переход от пропорционального режима к стримерному.

 

При этом напряжение достаточно мало и составляет 3.2кВ (диаметр анодной  проволочки 100 мкм, наполнение газом - аргон/изобутан в отношение 60:40). При более высоких  напряжениях (3.4кВ) наряду с пропорциональными  сигналами впервые появляются стримерные сигнала с отчетливо более высокими амплитудами. При еще более высоких напряжениях пропорциональный режим исчезает совсем и, начиная с напряжения 4кВ, наблюдается только стримерные сигналы. Заряд, собранный в стримерной моде, не зависит от первичной ионизации.

Прерывающийся переход от пропорциональной моде к стримерной четко виден на рис.2. Стримерная мода развивается из пропорциональной через рождения большего числа фотонов, которые вновь поглощаются в непосредственной близости от первоначальной лавины благодаря фотоэлектрическому эффекту и являются начальной точкой формирования вторичных и третичных лавин, сливающихся с первоначальной лавиной.

Рисунок 2 - Собранный заряд лавины как функция высокого напряжения. Четко виден прерывающийся переход от режима пропорциональности к стримерному и сосуществование этих двух механизмов разряда в узком перекрывающемся диапазоне вокруг напряжения в 3.5кВ.

 

В литературе отмечалось, что  даже при более высоких напряжениях  возможно появление «вторичного» стримерного  режима. Оно проявляется как прерыващийся переход из первого стримерного  режима во второй. Однако это явление  можно объяснить и множественными стримерными разрядами.

Фотографии на рис.3 демонстрируют характерные отличия разрядов в пропорциональном (a), счетчике Гейгера (b), и самогасящейся стримрной трубке (с). Стрелки показывают положение анодной проволочки в каждом случае.

Как уже говоилось, стримерные трубки должны работать при высоких  напряжениях (≈5кВ). Однако они хактеризуются чрезвычайно длинным плато эффективности (≈1кВ), что делает возможным выбор стабильной рабочей точки. На рис.4 показана эффективность стримерной трубки, заполненой чистым изобутаном, которая была облучена электронами от источника .

Точка, начиная с которой  работа стримерной трубки эффективна, зависит, конечно, от порога используемого  дискриминатора. Верхний конец плато  обычно определяется послеразрядами и  шумом. Использовать стримерные трубки в этой области не рекоминдуется, так как шум электроники и  послеразряды приводят к дополнительным мертвым временам, что снижает  регистрационные возможности счетчика.

Если используются «толстые»  анодные проволчки, то лавина вызывается практически исключительно одним  первичным электроном, а разряд локализуется с той стороны анодной проволочки, к которой движется электрон. Сигнал можно измерить прямо на анодной  проволочке. В дополнение к этому  или в качестве альтернативы можно  зарегистрировать сигналы, наведенные на катоды.

Рисунок 3 - Газовые разряды в (a) пропорциональном счетчике, (b) счетчик Гейгера и (c) самогасящейся стримерной трубке; стрелками указано положение анодной провочки.

 

Сегментация катодов позволяет  опредеоять положение трека вдоль  анодной проволочки.

Положение трека вдоль  анодной проволочки можно также  определить с помощью катода, сконструированного как линия задержки. На рис.5 показана структура катода, с помощью которой можно определить пространственные координаты вдоль анодной проволочки. Результаты подобных измерений показаны на рис.6. В данном случае для облучения стримерной трубки в строго определенных местах использовался источник . Пространственное разрешение вдоль проволочки, которого удалось добиться в этом случае, составило 2 мм.

Из-за простого режима работы и возможности регистрации на одной анодной проволочке нескольких частиц стримерные трубки являются идеальными кандидатами на роль запускающих (триггерных) элементов в калориметрах. Фиксированный  сигнал заряда регистрируется при пролете одной частицы. Если в стримерной трубке измеряется суммарный заряд Qто эквивалентное число проходящих частиц вычисляется по формуле .

Выбор величины напряжения, рабочего газа детекторы и диаметра анодной проволочки определяет, соответственно, режим разряда и, тем самым, моду работы цилиндрических счетчиков. На рис.7 в удобной форме представлены различные режимы работы счетчика.

Как уже упоминалось выше, эффективность, наряду с газовым  усилением, является одной из важных характеристик газовых счетчиков. На рис.4.18 показана эффективность для  заряженных частиц в стримерной трубке как функция высокого напряжения. Критериями качества счетчика являются длина плато эффективности и  ее изменение при увеличении высокого напряжения. Это изменение должно быть как можно меньшим. Как ни парадоксально, но при чрезвычайно  высоких напряжениях эффективность  может достигать значений ≥1, так как при таких высоких значениях напряженности поля могут возникать послезаряды, которые время от времени согут давать два сигнала на одну регистрируемую частицу.

Рисунок 4 - Эффективность стримерной трубки, заполненой чистым изобутаном.

 

Рисунок 5 - Структура кадота в виде меандра, использумая в качестве линии задержки для считывания координаты вдоль анодной проволочки в стримерной трубке.

 

Рисунок 6 - Рспределения скоростей счета 5.9кэВ-ных фотонов, влетающих в разных местах вдоль анодной проволочки в стримерной трубке.

 

Рисунок 7 - Режимы работы цилиндрических газовых детекторов.

 

Характеристики газового счетчика можно также проанализировать, измеряя скорость счета как функцию  высокого напряжения при постоянном потоке частиц. Лучше всего, если рабочая  точка находится ближе к концу  плато скорости счета (рис.8), но еще не в области, где скорость счета резко возрастает из-за послезарядов.

Стримерный режим работы находит множество сфер применения в совершенно разных газовых детекторов. В стримерных камерах стримеры развиваются  в очень сильном однородном импульсном электрическом поле. Ионизационные  треки, образуемые заряженными частицами, влетающими перпендикулярно к направлению  электрического поля, являются газоусиленными и становятся видимыми как последовательность стримеров. При наклонном влете (под  углом ±30º к направлению поля) стримеры сольются друг с другом и образуют плазменный канал вдоль трека (искровая камера).

Помимо этого в стримерном режиме могут работать и резистивные  плоские камеры, дающие легко обрабатывать большие сигналы. Это же справедливо  и в отношении камер с оптическим объемом, в которых, благодаря стримерному  режиму работы, становится возмоным большой  световыход.

Рисунок 8 - Зависимость скорости счета от высокого напряжения в стримерной трубке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

• Благодаря постоянной чувствительности, большой амплитуде, стандартной форме сигнала, высокой загрузочной способности, стабильности, высоким координатному и временному разрешениям, стримерные трубки находят применение в комбинированных системах детекторов, используемых в экспериментальной ядерной физике и физике частиц высоких энергий, а также при исследовании космических лучей.
• Стримерные трубки в отличие от ионизационной камеры могу регистрировать не только ионизационные потери, пролетающих частиц, но и соответственно треки регистрируемых частиц. Еще одной особенностью является газовое усиление.
• Если сравнивать с пропорциональным счетчиков, то в стримерных трубках наблюдается как пропорциональные сигналы, так и стримерные, но начиная с напряжения 4кВ, наблюдаются только стримерные сигналы. И можно наблюдать переход от пропорциональной моды к стримерной. Отличаем является разве что коэффициент газового усиления ведь если взять пропорциональные счетчики, то для них он варьирует от до , для стримерной при достаточно высоких анодных напряжениях может быть больше .
• Если сравнивать счетчик Гейгера и стримерные трубки, то там прослеживается аналогия, лишь небольшие различая в конструкции и работе детектора.
• При чрезвычайно высоких напряжениях эффективность может достигать значений ≥1, при таких высоких напряжения возникают послезаряды, которые время от времени могут давать два сигнала на одну регистрируемую частицу.
• Проанализировав детектор на стримерных трубках, можно сделать вывод, что это не самый простой и уж тем более не самый худший детектор, но все же утверждать о его надобности во всех сферах физики высоких энергий я не берусь, в связи с тем, что в зависимости от поставленной задачи мы выбираем подходящий детектор и с тем, что я не являюсь специалистом в этой сфере.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Алексеев Г. Д., Круглое В. В., Xазинc Д. М., Самогасящийся стримерный (СГС) разряд в проволочной камере, «ЭЧАЯ», 1982, т. 13, в. 3, с. 703,
2. Детекторы элементарных частиц: Справочное издание. Переод с английского / Клаус Групен // Новосибирск: «сибирский хронограф». - 1999. - С.73-79.