СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТИЦ ДЕТЕКТОРАМИ НА ОСНОВЕ ДРЕЙФОВЫХ ТРУБОК

Изобретение относится к области экспериментальной физики и может быть использовано в установках физики элементарных частиц и в исследованиях, проводимых ядерно-физическими методами в потоках заряженных частиц или рентгеновского излучения, например, для радиографического исследования структуры объектов.

Детекторы на основе дрейфовых трубок широко применяются в экспериментальных установках на ускорителях для прецизионного измерения радиальных координат пересекающих их заряженных частиц.

Однако для измерения импульса двигающихся в магнитном поле заряженных частиц, помимо прецизионного знания их пространственных координат в направлении отклонения их полем (радиальных координат), необходимо знание второй координаты частиц, определяющей угол наклона треков, которое может выполняться с меньшей точностью. Очевидно, что использование двух координатных детекторов упрощает процедуру отбора событий для реконструкции треков и важность этого существенно возрастает с увеличением множественности проходящих через установку частиц. В газонаполненных дрейфовых камерах высокоточная координата в ортогональном к анодам направлении определяется измерением времени дрейфа электронов ионизации от пересекающих камеры заряженных частиц по калибровочной зависимости время-координата.

Примером использования координатных детекторов на основе дрейфовых трубок может являться установка ATLAS LHC, содержащая в своем составе металлические дрейфовые трубки диаметром 3 см и тонкостенные дрейфовые трубки диаметром 4 мм [1]. Координатные детекторы на основе тонкостенных дрейфовых трубок работают в спектрометре установки COMPASS [2] и других, создаются детекторы для новых экспериментальных установок.

Дрейфовые трубки содержат проволочные аноды диаметром обычно 20-50 мкм, установленные по центру трубок, а катодом служат или металлические трубки, или внутреннее проводящее покрытие пленочных стенок трубок. Детекторы используются для определения радиальной координаты ближайшей к аноду точки пересечения трубки заряженной частицей измерением времени дрейфа электронов ионизации от этой точки до проволочного анода трубки. Радиальная координата определяется величиной промежутка времени между моментом прохождения частицы и моментом ее регистрации по сигналу с усилителя. При этом необходимо точное знание момента прохождения частицы через установку, что требует использования дополнительных детекторов.

Известны способы измерения дрейфовыми трубками продольной координаты точки образования лавины методом деления зарядов [3, 4] или методом прямого временного измерения [5] при считывании сигналов с двух концов анода.

В первом случае необходимо использование в качестве анодов высоко резистивной проволоки, что приводит к низкой величине отношения сигнал/шум и, следовательно, к невысокому продольному разрешению. При регистрации частиц с минимальными ионизационными потерями способ обеспечивает низкое продольное разрешение (σ не лучше 6 см для трубок длиной 1.5 метра), быстро ухудшающееся с увеличением длины трубок, что ограничивает практическое его применение. Способ требует использование регистрирующей электроники с низким быстродействием и не позволяет определять радиальную координату. Во втором способе продольная координатная информация определяется измерением временных промежутков между сигналами с двух концов анода, и пространственное разрешение (σ) может быть около 2 см для трубок длиной 2 метра [6]. Используется быстрая регистрирующая электроника, аналогичная применяемой для определении радиальных координат.

Наиболее близким к предлагаемому способу является широко распространенный способ определения радиальных координат измерением времени дрейфа электронов ионизации, принятый за прототип [7]. Детекторы содержат два слоя трубок диаметром 9.53 в центральных областях слоев и 6.0 мм в периферийных со сдвигом слоев между собой на величину радиуса трубок, т.е. на величину их дрейфового промежутка. Сдвиг между трубками слоев центральной области составляет 4.76 мм и периферийной области - 3.0 мм. Это устраняет лево-правую неопределенность в нахождении позиции точки траектории проходящей частицы относительно анода в коррелированных по пересечению частицей трубках. Для определения радиальных координат измерением времени дрейфа электронов ионизации к одному концу анода каждой трубки подключены быстрые токовые усилители, регистрирующие заряды от подошедших к аноду электронов ионизации, вызвавших образование электронной лавины. Далее измеряется временной промежуток между сигналами "старт" от внешнего детектора, задающего время пролета частицы, и "стоп" от подключенных к анодам к одному их концу усилителей, определяющих момент возникновения электронной лавины на аноде. Основными недостатками являются отсутствие возможности считывания двух координат одновременно, необходимость получения информации о времени пролета регистрируемой частицы с высокой точностью, а также ошибка в определении времени прихода сигналов от регистрируемой лавины из-за задержки прохождения волны по аноду. Задержка при прохождении сигнала одного метра длины анода составляет 3.49 нс, что соответствует дополнительной ошибке в измерении временных промежутков, равной 175 мкм на один метр длины. Отсутствие знания второй координаты существенно усложняется отбор событий при реконструкции треков частиц особенно при высокой множественности регистрируемых частиц.

Решение задачи одновременного определения радиальной и продольной координаты заряженной частицы осуществляется способом, включающим измерение координат, при котором вначале регистрируют время появления сигналов t₁ и t₂ с двух концов дрейфовых трубок длиной L по их переднему фронту, и величину промежутка времени Δt=t₁-t₂ используют для определения продольной координаты точки образования лавины в них из выражения ΔL=±V·Δt/2, где V - скорость распространения волны по аноду, a ΔL - расстояние точки образования лавины от центра анода, и одновременно определяют радиальные координаты частицы в двух коррелированных по ее прохождению дрейфовых трубках измерением временных промежутков между сигналами с них по калибровочной зависимости время дрейфа - координата.

Знание продольной координаты с точностью в несколько сантиметров позволяет уточнять значение величины t₁ или t₂ за счет вычета времени прохождения волны по соответствующей длине анода и определять точное значение τ времени подхода электронов ионизации к аноду независимо от его длины.

Каждая проходящая регистрируемая частица пересекает справа (или слева) дрейфовую трубку на расстоянии r₁ от его анода в одном слое детектора и слева (или справа) соответствующую трубку на расстоянии r₂ от анода в другом слое, причем r₁+r₂=R, где R - радиус трубок. Суммарное время дрейфа ближайших электронов ионизации к анодам этих коррелированных трубок является постоянной величиной τ_R, определяемой величиной радиуса трубок, а также газовой смесью и величиной анодного напряжения. Все эти величины для работающего детектора являются фиксированными. Разность времен τ₁ и τ₂ соответствующих трубок одного и второго слоев известна как величина Δτ. Из выражения τ₁+(Δτ+τ₁)=τ_R следует, что величина τ₁=(τ_R-Δτ)/2. Знание величин τ₁ и τ₂ позволяет определять радиальные координаты обычным образом по калибровочной зависимости время-координата. Регистрация сигналов с двух концов коррелированных трубок детектора позволяет устранять лево-правую неопределенность и определять нулевой момент времени при измерении времени дрейфа электронов ионизации, при этом используется быстрая электроника регистрации. Равенство значений временных промежутков Δt с коррелированных трубок является показателем принадлежности этих сигналов одной регистрируемой частице.

Более подробно решение задачи иллюстрируется рисунками 1 и 2. Пересекающая дрейфовую трубку 1 длиной L первого слоя детектора (рисунок 1), заряженная частица 2 отстоит от середины анода 3 трубки на расстояние 4, равное величине ΔL. Приходящие к установленным на концах трубки усилителям 5 и 6 импульсы проходят по аноду путь L/2-ΔL и L/2+ΔL, соответственно. Разность пройденного пути величиной 2ΔL определяется измерением разности времени прихода этих сигналов Δt, а знак определяет направление смещения измеряемой координаты лавины вдоль анода от его центра. Эта же частица пересекает трубку 9 второго слоя детектора. Подобные измерения могут проводится и по информации с усилителей 7 и 8, что повышает точность определения продольной координаты трека частицы.

Приведенные на рисунке 2 дрейфовые трубки 2 и 5 следует рассматривать как трубки 1 и 9 рисунка 1, соответственно.

Проходящая регистрируемая частица 1 (рисунок 2) пересекает справа дрейфовую трубку 2 на расстоянии r₁ (3) от ее анода (4) в одном слое детектора и слева трубку 5 на расстоянии r₂ (6) от ее анода в другом слое, причем r₁+r₂=R, где R - радиус трубок. Эти сигналы проходят равное расстояние по анодам их дрейфовых трубок, но задержаны на различное время, определяемое величинами r₁ и r₂. Измеряемая разность времен между сигналами с усилителей 6 и 8 рисунка 1, полученными с соответствующих трубок 2 и 5 слоев рисунка 2, известна как величина Δτ=t₈-t₆. Из выражения t₆+(Δτ+t₆)=τ_R следует, что величина t₆=(τ_R-Δτ)/2. Знание величин t₆ и t₈ позволяет определять радиальные координаты обычным образом по калибровочной зависимости время-координата.

[1]. G. Aad et al., JINST, 3:S08003, 2008.

[2] P. Abbon et al., Nucl. Instr. and Meth.in Phys. Res., A577 (2007). P.455-518.

[3]. С.Bino et al., Nucl. Istr. & Meth. A 271, 1988, 417.

[4]. A. Sokolov et al., Nucl. Istr. & Meth. A 574, 2007, 50.

[5]. R.A. Boie et al., IEEE Trans. Nucl, Sci. NS-28 (1988)471.

[6]. А.М. Makankin, V.V. Myalkovskiy, V.D. Peshekhonov et al., arXiv: 1301.6018v1 [physics.ins-det]

[7]. V.N. Bychkov et al., Nucl. bistr. and Meth. in Phys. Res. V.556, (2006), 66-79.