CC BY
15
УДК 539.1.074.2
РЕЗИСТИВНЫЙ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК КАК ДЕТЕКТОР ОДИНОЧНЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Л. П. Котенко, Ю. А. Трубкин
Исследованы характеристики однозазорного резистивно-го плоскопараллельного счетчика (РПС) со стеклянными электродами в качестве детектора заряженных частиц в космических лучах. Приведены спектры сигналов детектора, данные по его временному и пространственному разрешению. Полученные результаты характеризуют РПС как дешевый и современный по своим параметрам детектор.
Резистивный плоскопараллельный счетчик (РПС) как детектор заряженных частиц впервые предложен в 1970 г. [1]. Но наиболее интенсивное развитие эта методика получила лишь в последний период, начиная с конца 80-х годов [2 - 7]. Привлекает прос го га конструкции и дешевизна изготовления нового детектора, а также возможное 1 ь перекрытия им больших площадей. Во всех упомянутых работах основное внимание уделяется отдельным вопросам улучшения работы РПС, в частности, выбору оптимального материала для изготовления электродов, конструкции самого детектора, режима работы (лавинный или искровой), возможности его использования в экспериментах на ускорителе, быстродействию.
Мы рассмотрели возможность создания РПС, работающего в искровом режиме (в этом случае не требуется предварительного усиления сигнала), на основе использования наиболее доступного материала - обычного листового стекла (с объемным < опро-тивлением ~ 3 • 1012 Ом ■ см), в том числе и оконного, и исследовали характеристики такого детектора. Для исследования были созданы однозазорные резистивные счетчики с электродами двух размеров, помещенными в герметичные контейнеры. В одном случае электроды размером 11x11 см2 имели с наружной стороны сплошное метал ш ческое покрытие из алюминиевой фольги, прикрепляемой к стеклу через кол лом шьп
графитный препарат. В другом случае электроды размером 40 х 20 см2 изготовлялись путем покрытия стекла алюминием посредством вакуумного напыления, причем катод счетчика имел сплошное напыление, а анод изготовлялся в виде "стрипов'' (полос) шириной 4 см с промежутком 2-3 мм между ними. Размер стрипа был выбран в попытке согласовать волновое сопротивление камеры с 50-омным радиочастотным кабелем.
Рабочий зазор счетчика определялся диэлектрическими шайбами (плексигласе, тефлон) толщиной 1,85 лл, расположенными, как правило, вне рабочей поверхности электродов.
Катод счетчика посредством коаксиального кабеля соединялся с отрицательным полюсом источника высоковольтного напряжения; анод, с которого снимался импульс сигнала (с амплитудой в несколько десятков долей вольта), заземлялся через сопротивление утечки 50 Ом.
Счетчик наполнялся смесью пропана, фреона-13 и аргона (или воздуха) в различных пропорциях при атмосферном давлении и работал без продува. Счетчики экспонировались в космических лучах. Рабочие события выделялись с помощью вертикального телескопа из трех сцинтилляторов размером 10 х 10 см2. Опыт работы показал, что счетчики сохраняли высокую 98%) эффективность регистрации одиночных космических частиц в течение двух недель, после чего эффективность снижалась до 90% и требовалась переборка.
Амплитудные спектры сигналов РИС. Исследование амплитудных спектров PIIC проводилось с помощью многоканального амплитудного анализатора LP-4840 фирмы NOKIA (Финляндия) и дифференциального линейного усилителя с варьируемой постоянной времени формирования фронта сигнала на выходе.
Как обычно в подобных случаях, для выделения нужного сигнала и уменьшения влияния побочных эффектов был применен метод стробирования времени чувствительности анализатора. Для выработки строб-сигнала использовались либо вышеупомянутый телескоп, либо, когда площадь телескопа была значительно меньше площади исследуемого детектора, а по условиям эксперимента требовалось ускорить набор статистики, детектор, аналогичный исследуемому и раположенный над ним. В обоих случаях строб-сигнал упрявлял запуском ворот длительностью в 1 лкс на входе анализатора.
Типичные результаты представлены на рис. 1. Испытывался детектор, заключенный в герметичный алюминиевый корпус, заполненный газовой смесью, содержавшей 13% Ar + 37% С3Н8 + 50% фреона-13. Газовый промежуток между электродами составлял 1,85 мм.
Рис. 1. а) Амплитудный спектр сигналов РИС, снятый при напряжении и = 8,7 к В 6) зависимость некоторых характеристик детектора от приложенного напряжения. Л число событий на канал.
На рисунке 1а представлен спектр амплитуд сигналов счетчика, снятый при напря жении питания, обеспечивавшем эффективность регистрации одиночных космических частиц 7} = 93%. Основной пик содержит около 80% всех зарегистрированных ими;. п>-сов и, по нашему мнению, соответствует распределению амплитуд событий, в которых при прохождении космической частицы возникает только одна искра. В спектре присутствуют такаое события с двумя и даже, может быть, тремя искровыми разрядами. Эта типичная картина для всех испытанных конфигураций счетчиков РПС и газовых наполнений, объясняется, по-видимому, вкладом ультрафиолетовых фотонов, инициирующих дополнительные разряды. Вероятность появления дополнительных разрядов существенно зависит от величины приложенного напряжения, что демонстрируется на рис. 16, где кривая Л/) представляет вероятность появления событий с ампли-
тудами, превышающими амплитуды импульсов от одиночных разрядов. Видно, что \У(> А[) меняется от нескольких процентов до 50% и более по мере увеличения напряжения. Несмотря на довольно условный характер разделения этих двух классов событии (одиночные и неодиночные) уже в демонстрируемом случае, такое разделение было проведено до напряжений, несколько превышающих положение "колена" (начала пла счетной характеристики (кривая эффективности г]). При дальнейшем повышении
пряжения наблюдалось значительное перекрытие распределений от этих двух классов событий, что делало их разделение невозможным. О последнем можно судить и по возрастающей с ростом напряжения части кривой A/Aim на том же рисунке, представляющей значение на полувысоте Д распределения одиночных разрядов в относительных едини цах (по отношению к положению его максимума Aim).
Поэтому естественное, а иногда и вынужденное (для получения наилучшего времен ного разрешения РПС) желание экспериментаторов работать на плато счетной характе ристики при напряжениях, значительно превышающих положение колена (примерно на 1 к В), приводит к необходимости работать в области с непредсказуемой долей многораз рядных событий. Отметим, кстати, что в этой же области наблюдается и значительным рост фоновых событий (саморазряд в газовом промежутке).
Рис. 2. Блок-схема электронной аппаратуры для спектрометрии временных интервалов.
Временное и пространственное разрешение. Измерение временных интервалов проводилось с помощью стандартной методики подобных измерений ио блок-схеме, представленной на рис. 2.
На входе каждого из двух каналов имеются формирователи временных импульсов (Ф). Наилучшие результаты, которые будут приведены ниже, получены, когда использовались формирователи со следящим порогом (ФСП), разработанные и выполненные в ФИРАН в виде блока в системе САМАС (4ФСП-4). ФСП предназначались для обработки импульсов с длительностью фронта 7/ « 2 и с, и сигнал на их выходе появлялся в момент, когда величина импульса на входе формирователя достигала 1/5 его амплитуды. Поскольку длительность фронта реального импульса с резистивного счетчика
Ю ме) превышает Т/, естественно полагать, что момент появления сигнала на выходе ФСП смещается в сторону меньших значений сигнала на входе. Грубая оценка, проведенная для сигналов с линейным во времени фронтом, показывает, что в нашем эксперименте реальный момент появления временного импульса соответствует примерно 1/20 амплитуды входного сигнала. Чувствительность использованных ФСП бы. 1а лучше 30 мВ.
С выходов обоих формирователей сигналы поступали на один из входов (стар! -стон) время-амплитудного преобразователя (ВАП), на выходе которого формировался сш нал с амплитудой, пропорциональной разности времен прихода старт- и стоп-сигналов. Показанная на рис. 2 линия задержки (ЛЗ) имела целью введение ВАП в линейный режим регистрации. В качестве ВАП в эксперименте использован стандартный блок 457 фирмы ОИТЕС (США). Регистрация временных интервалов приводилась с помощью многоканального амплитудного анализатора (МКА) ЬР-4840.
Под временным разрешением детектора понимают разброс во времени моментов появления сигналов на его выходе после прохождения заряженных частиц.
Для исследования временного разрешения РПС два идентичных образца счетчика с размерами электродов 11 х 11 см2 помещались один над другим и экспонировались в космических лучах при напряжении £/ = 10,25кВ. Газовая смесь состояла из 52% пропана, 30% фреона-13 и 18% аргона. Сигналы от счетчиков подавались на разные входы блок-схемы рис. 2.
Один из лучших полученных результатов, содержащий около 20000 зарегистриро ванных собыий, приведен на рис. 3. Ширина распределения на его полувысоте составила Д = 18 каналов или 2,1 не. Поскольку полученная кривая отражает совместную работу двух идентичных счетчиков, в гауссовом приближении можно считать, что стандарт ное отклонение в.пересчете на один детектор (полученное из величины Д) составило а = 0,63 н с.
Необходимо отметить, что при понижении питающего напряжения на 0,5 кВ временное разрешение ухудшилось на 20%.
Результат находится вполне на уровне "мировых стандартов" [5]. Имеется только одна работа [6], где заявлено лучшее временное разрешение а < 0,5 нс. Возможно, од нако, что авторы получили свой результат с помощью более современной электроники параметры которой не сообщаются.
Полученные результаты позволяют использовать РПС для определения направления прихода ШАЛ в космических лучах. В этом случае высокое значение эффективное ¡и
N
N
200
160
120
80
40
0 +
• —*" - ** « • •• • . •
100 120
140
160 х
10 см f
Рис. 3. Результат исследования временного разрешения РПС, полученный с использованием двух идентичных счетчиков. Стандартное отклонение разброса времени появления сигнала в счетчике at — 0,63 не.
Рис. 4. Результат исследования координатного разрешения РПС вдоль empuña. Точность локализации места разряда ах = 0,4 см.
столь важно, т.к. счетчик будет пронизываться десятками и сотнями частиц.
Под пространственным разрешением мы понимаем точность определения продольной координаты (вдоль стрипа) места пересечения последнего с треком заряженной частицы. Оно исследовалось в счетчиках с анодом, разделенным на отдельные стрипы.
В эксперименте на разные входы схемы рис. 2 подавались сигналы с разных концов одного стрипа. Расстояние между сигнальными концами стрипа составило 37,5 см. и анализирующая электроника была настроена таким образом, чтобы сигналы, возникшие на этой длине, регистрировались в диапазоне между 40-м и 160-м каналами анализатора.
Для имитации факта прохождения космической частицы и локализации места разря-
да с внутренней стороны анода под стрипом поперек его была прикреплена проволочка инициатор газового разряда диаметром 100 мкм. Место прикрепления проволочки находилось на удалении ~ 8 см от стартового конца стрипа. Рабочее напряжение выбиралось несколько меньшим напряжения, необходимого для работы с космическими лучами, для того, чтобы по возможности исключить фоновые события. Газовое наполнение состоя ю из смеси пропана, фреона-13 и аргона в пропорции 52/30/18.
Полученный результат представлен на рис. 4. Полуширина распределения Л канала, что соответствует о = 0,4с.и. Кроме того видно, что положение максимума распределения (134-й канал) соответствует упомянутому выше значению продольной координаты места прикрепления проволочки-инициатора, т.е. 37,5 сж(160— 134)/(160 -40) = 8,1 см.
Отметим, что при увеличении питающего напряжения в пределах 0,5 кВ спектр, не меняясь качественно, заметно загрязняется наличием фоновых разрядов. Последние события являются фоновыми только для данной постановки эксперимента.
Резистивный плоскопараллельный счетчик не лишен недостатков. К ним можно от нести довольно сильную температурную зависимость его характеристик, Постепенное нарастание фона за счет накопления продуктов сгорания и полимеризации углеводородов, возможность множественных (не одиночных) разрядов и т.д. Однако уже сегодня можно утверждать, что РПС является простым, дешевым, вполне современным rio сво им параметрам прибором с реальной перспективой его использования в эксперимен : .
ЛИТЕРАТУРА
[1] Пархомчук В. В., Пестов Ю. Н., Петровых Н. В. Препринт ИЯФ СОАН СССР, 55 - 70 (1970).
[2] С а г d а г е 1 1 i R., di В i a g i о A., L и с с i A., and Santonico R. Nucí. Instr. Meth., A263, 20 (1988).
[3] Battistoni G., Campana P., D e n n i V. et al., Nucí. Instr. Meth., A270, 190 (1988).
[4] К o t e h к о Л. П., П я т о в с к и й С. Е. Препринт ФИАН N 17, М., 1991.
[5] Ambrosio М., Barbarino G. С., Lauro A. et al., Nucl. Instr. Meth., A344, 350 (1994).
[6] D'Incecco M., Gustavino C., Bencivenni G. et al., Preprint LNGS-94/103, 1994.
[7] Cerrón Zeballos Е., Crotty I., Hatzifotiadou D. et al., Preprint CERN/95-146; 95-166, 1995.
Поступила в редакцию 19 февраля 1996 г.
