Приборы и техника эксперимента, 2023, № 6, стр. 5-9

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к использованию детекторов на основе каскадных газовых электронных умножителей (ГЭУ) в современных экспериментах в ядерной физике постоянно растет. Это связано с такими уникальными характеристиками ГЭУ, как [1]:

– наличие быстрого сигнала (менее 50 нс FWHM), образуемого дрейфом электронов в индукционном промежутке;

– практическое отсутствие ионной обратной связи, возможность работы в пучках частиц с интенсивностью ~10⁵ Гц/мм²;

– возможность двухкоординатного съема информации с высоким, до 40 мкм (RMS), пространственным разрешением;

– работоспособность в магнитных полях до 5 Тл;

– возможность работы с газовыми смесями, состав которых может широко меняться, а также с чистыми благородными газами;

– возможность каскадирования, что позволяет получать значения коэффициента газового усиления в трехкаскадных ГЭУ до ~10⁶, при этом каскады усиления работают практически независимо;

– возможность создавать на основе ГЭУ детекторы с большими площадями, малой толщиной и любой геометрической формы, что делает их привлекательными для применений в качестве внутренних трековых устройств многоцелевых современных детекторов.

По всем указанным характеристикам ГЭУ имеют преимущества перед обычными пропорциональными камерами, что обеспечило широкое их применение в трековых детекторах таких экспериментов, как COMPASS [2], CMS [3], TOTEM [4] (ЦЕРН, Швейцария). Центральная трековая система на основе самых больших в мире ГЭУ (размером 200 × 80 см) создана для эксперимента “Барионная материя на нуклотронеˮ (BM@N), проводимого в настоящее время в Лаборатории физики высоких энергий (ОИЯИ, Дубна) по научной программе проекта NICA [5]. Криогенные детекторы на основе каскадных ГЭУ [6] предложено применить для регистрации нейтрино, темной материи и когерентного рассеяния нейтрино на ядрах. Появились быстрые диагностические приборы на основе ГЭУ, которые могут использоваться как для диагностики плазмы, так и в медицине [7].

Актуальным является поиск и исследование таких газовых смесей, которые способны обеспечить необходимые для данного физического эксперимента характеристики ГЭУ, например: максимальный коэффициент газоусиления, приемлемое амплитудное разрешение, быстрое время собирания электронов в дрейфовом промежутке ГЭУ в присутствии магнитного поля, высокая эффективность регистрации релятивистских частиц и пр.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Блок-схема установки представлена на рис. 1 Основным элементом установки является трехкаскадный ГЭУ, любезно предоставленный ЛФВЭ ОИЯИ (г. Дубна) для исследований в НИЯУ МИФИ, с размерами чувствительной области 10 × 10 см и следующими характеристиками:

Рис. 1.

Блок-схема установки. ГЭУ – газовый электронный умножитель.

– внешние размеры 230 × 230 × 30 мм;

– объем газа 157 × 157 × 12 мм (~300 мм³);

– двухкоординатное считывание: ширина стрипа на аноде 500 мкм, шаг между стрипами 500 мкм.

Работает трехкаскадный ГЭУ следующим образом (рис. 2). Излучение входит через катод 1 в дрейфовый промежуток и ионизирует там газ. Электроны ионизации под действием поля E_д последовательно попадают в первый 2, второй 3 и третий 4 каскады ГЭУ, где происходит их размножение. Вышедшие из последнего ГЭУ (4) электроны направляются индукционным электрическим полем E_и в сторону анода 5 и индуцируют на нем электрический заряд. Анод предназначен только для сбора заряда – усиления заряда после ГЭУ (4) не происходит. Типичная длительность сигнала, получаемого на аноде ГЭУ, составляет 30–50 нс. Для работы детектора необходимо использовать два напряжения: –U_д, которое формирует дрейфовое поле, и –U_ГЭУ, обеспечивающее процесс размножения электронов в пленках ГЭУ.

Рис. 2.

Схема трехкаскадного ГЭУ. 1 – катод; 2 – первый каскад; 3 – второй каскад; 4 – третий каскад; 5 – анод; 6 – индукционный промежуток (наминал резисторов в мегаомах).

В качестве источника ионизации при исследовании характеристик ГЭУ используется рентгеновская трубка AMPTEK-miniX со следующими характеристиками [8]:

– выходная мощность до 4 Вт;

– напряжение на трубке до 50 кВ;

– ток на трубке до 80 мкА;

– материал катода – серебро (Ag);

– выходное окно из бериллия (Be).

Зависимость спектра рентгеновского излучения от напряжения на аноде показана на рис. 3.

Рис. 3.

Спектры излучения трубки AMPTEK-miniX при различных напряжениях на аноде (цифры у кривых).

Схема системы, подающей газовую смесь в исследуемый ГЭУ, представлена на рис. 4. Система формирует смеси из трех газов, один из которых может быть горючим. Для этого в системе имеется специальный газовый отсек, позволяющий следить за расходом газа путем взвешивания баллона, а также система с сигнализацией для контроля возможной утечки газа.

Рис. 4.

Схема газовой системы. 1 – регулятор давления, 2 – вентиль мембранный, 3 – фильтр противопылевой, 4 – клапан предохранительный, 5 – регулятор расхода, 6 – смеситель, 7 – измеритель давления.

В соответствии с паспортными данными газовых контроллеров точность смешивания отдельных компонент газовой смеси не хуже 1%. Система позволяет варьировать потоки смесей в интервале от 0.5 до 20 л/ч с высокой стабильностью состава. Для контроля состава газовой смеси в системе присутствует газовый анализатор SRI 8610C, работающий в режиме on line c персональным компьютером, оснащенным программой PeakView. Система демонстрирует высокую стабильность состава формируемой газовой смеси (рис. 5).

Рис. 5.

Стабильность состава газовой смеси во времени.

Схема электронного тракта установки представлена на рис. 6. Аналоговая электроника представлена в стандарте NIM, цифровая – в стандарте VME. Сигнал с детектора усиливается при помощи предусилителя на основе микросхемы HML HDX 81, питающейся от источника AKTAKOM ATH-2031, и далее разделяется при помощи линейного разветвителя CAEN N625. Один из полученных сигналов поступает на дискриминатор CAEN N840, который дает привязку ко времени сигнала, а второй сигнал через линию задержки CAEN N108A подается на оцифровывающее устройство – зарядоцифровой преобразователь QDC V965 стандарта VME. Дискриминатор CAEN N840 дает стартовый сигнал для генератора импульсов CAEN N93B, который в свою очередь формирует ворота для оцифровки сигнала зарядоцифровым преобразователем. Один из выходов дискриминатора соединен со счетчиком сигналов CAEN N1145 с целью контроля частоты событий. Программа, написанная на языке C++, принимает данные через блок управления с указанного модуля QDC и записывает их в файл формата root, использование стандартных средств root позволяет фитировать получаемое распределение. Представляемая в распределении шкала прокалибрована в энергетических единицах (пикокулоны), что позволяет определить положение центра пика и рассчитать коэффициент газового усиления с точностью ~1%. Наличие в схеме аттенюатора (на рис. 6 не показан) дает возможность исследовать характеристики смеси при коэффициенте газового усиления до 10⁶. Электронный тракт является универсальным и может быть применен после некоторых настроек для исследования характеристик любых детекторов.

Рис. 6.

Схема электронного тракта установки.

Визуальный контроль работы стенда и настройка обеспечиваются цифровым осциллографом. Все блоки расположены в соответствующих крейтах, которые в свою очередь располагаются на одной стандартной стойке.

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СМЕСИ НА ОСНОВЕ АРГОНА И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Для исследования амплитудных характеристик газовых смесей стрипы на плоскости Х в описанном ГЭУ были объединены и подключены к одному каналу электроники. В качестве примера было проведено исследование характеристик смеси Ar + 30%СО₂, используемой в трехкаскадном ГЭУ трековой системы эксперимента BM&N. На рис. 7 представлен полученный амплитудный спектр сигналов с ГЭУ, а на рис. 8 – зависимость коэффициента газового усиления от тока делителя ГЭУ.

Рис. 7.

Амплитудный спектр сигналов ГЭУ при облучении рентгеновской трубкой AMPTEK-miniX при анодном потенциале 8 кВ.

Рис. 8.

Зависимость коэффициента газового усиления от тока делителя ГЭУ для газовой смеси Ar + + 30%СО₂.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В НИЯУ МИФИ разработана установка для исследования и оптимизации характеристик газовых смесей для трехкаскадных газовых электронных умножителей (ГЭУ). В настоящее время установка используется в НИЯУ МИФИ для проведения лабораторных работ в сопровождении магистерских курсов по направлению “Ядерные физика и технологииˮ.