Приборы и техника эксперимента. Номер 6, 2023

  1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Приборы и техника эксперимента
  4. № 6, 2023

Приборы и техника эксперимента, 2023, № 6, стр. 10-17

Тонкостенные дрейфовые трубки с резистивным катодом из DLC и внешним стриповым считыванием сигнала

В. В. Акулич a, К. Г. Афанасьев b, c, *, В. Г. Баев c, А. О. Колесников b, Н. П. Кравчук b, Н. А. Кучинский b, В. Л. Малышев b, С. А. Мовчан d

a Физико-технический институт НАН Беларуси
220141 Минск, ул. Академика Купревича, 10, Беларусь,

b Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория ядерных проблем им. В.П. Джелепова
141980 Дубна, Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6, Россия

c Институт энергетики НАН Беларуси
220072 Минск, ул. Академическая, 15, Беларусь

d Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина
141980 Дубна, Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6, Россия

* E-mail: k.afanaciev@gmail.com

Поступила в редакцию 11.12.2022
После доработки 26.02.2023
Принята к публикации 11.03.2023

Полный текст (PDF)

Аннотация

Разработаны, изготовлены и испытаны образцы тонкостенных дрейфовых трубок (строу) с резистивным катодом и внешним стриповым считыванием. Катодный цилиндр строу изготовлен по технологии ультразвуковой сварки из лавсановой пленки. В качестве катода используется резистивное покрытие из алмазоподобного углерода (Diamond Like Carbon – DLC). Показана возможность считывания наведенного катодного сигнала с кольцевых электродов (стрипов), расположенных на внешней стороне катодного цилиндра строу. Использование метода центра тяжести для сигналов со стрипов позволяет с хорошей точностью определить координату события вдоль анодной проволочки.

1. ВВЕДЕНИЕ

Детекторы на основе тонкостенных дрейфовых трубок (строу) нашли широкое применение в современных физических экспериментах. Координатные детекторы (трекеры) на основе строу работают во многих крупных экспериментах: ATLAS [1], LHCb [2], COMPASS [3], NA62 [4] и других. В частности, в детекторе TRT эксперимента ATLAS используется 300 000 cтроу. Планируется их использование и в экспериментах COMET [5], PANDA [6], Mu2e [7].

К основным достоинствам строу можно отнести их высокое координатное разрешение (порядка 100 мкм по времени дрейфа), близкую к 100% эффективность, малое количество вещества и технологичность изготовления. Поскольку современные эксперименты в области физики частиц проводятся со все более высокой светимостью, требования к загрузочной способности детекторов и точности определения координат треков неуклонно повышаются. Высокая загрузочная способность детектора обычно достигается как сокращением времени радиального дрейфа за счет уменьшения диаметра строу [2, 3, 6], так и увеличением быстродействия регистрирующей электроники. Но оба варианта имеют принципиальные ограничения по диаметру трубок и по возможностям электроники.

Одним из альтернативных способов повышения загрузочной способности является сегментирование анодной проволочки строу. В этом случае фактически строу разбивается на независимые сегменты, что позволяет увеличить общую загрузочную способность детектора. Подобное решение – двух-анодные строу (two-anode straws) – было использовано ранее в детекторе TRT эксперимента ATLAS [8]. Разделение анодной проволочки на два независимых сегмента позволило реализовать два независимых детектирующих элемента в объеме одной строу и увеличить таким образом загрузочную способность. Однако сегментирование анодной проволочки на бóльшее число отрезков приводит к значительному усложнению конструкции и увеличению количества вносимого вещества [9].

Возможен вариант строу со считыванием наведенных сигналов с внутреннего сегментированного катода [10]. Однако при реализации такого устройства возникают технические проблемы вывода электрических сигналов наружу.

Известно решение, когда наведенный сигнал регистрируется на дополнительных внешних электродах. В этом случае экранирования наведенного от лавины сигнала катодной металлизацией можно избежать за счет окна на внутреннем катоде [11] или за счет использования резистивного катода [12]. При достаточно большом сопротивлении катодного покрытия степень экранирования наведенного на считывающие электроды сигнала будет небольшой.

В данной работе представлены результаты разработки, изготовления и тестирования строу, внутренняя поверхность которой покрыта резистивным слоем из DLC и является катодом. На внешней поверхности трубки расположен сегментированный электрод для считывания сигналов, индуцированных лавиной на анодной проволочке. Сегментирование считывающего электрода выполнено в виде поперечных полос (стрипов). Такая геометрия считывающего электрода позволяет наиболее эффективно регистрировать наводимый на катоде сигнал от лавины и определять координату события вдоль проволочки с точностью порядка сотен микрометров [13].

Определение координаты, перпендикулярной проволочке, осуществляется стандартным для строу методом (по времени дрейфа) и может достигать точности ~100 мкм [14]. Таким образом, можно с высокой точностью регистрировать обе координаты события в одной строу.

2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ СТРОУ С РЕЗИСТИВНЫМ DLC-КАТОДОМ

Резистивный катод строу может быть изготовлен с использованием покрытия из алмазоподобного углерода DLC. DLC представляет собой аморфный материал, который обладает исключительной механической прочностью [15] и радиационной стойкостью [16], а также хорошей адгезией к полимерным материалам и может обеспечивать заданное значение сопротивления в широких пределах – от единиц килоом на квадрат до десятков гигаом на квадрат – в зависимости от толщины покрытия и метода осаждения. Такое покрытие уже нашло применение в качестве резистивного материала для анода в газоразрядных детекторах MicroMegas [17–20], а также в “колодезныхˮ детекторах WEM (Well Electron Multiplier) [21, 22].

Для изготовления строу с резистивным катодом покрытие DLC наносилось на лавсановую пленку методом вакуумного катодно-дугового осаждения [23]. Электрические свойства таких резистивных пленок характеризуются величиной поверхностного сопротивления, измеряемого в единицах ом на квадрат. В данной работе толщина нанесенного покрытия составляла порядка 100 нм с поверхностным сопротивлением порядка 10 МОм/квадрат. Такое покрытие обладает исключительной устойчивостью к множественным (до 106) электрическим газовым пробоям [21, 22].

В ОИЯИ разработана технология изготовления строу с помощью ультразвука [24]. Поскольку опытные образцы пленки с DLC-покрытием были небольших размеров, то для методических исследований было разработано устройство для сварки ультразвуком трубок длиной менее 150 мм (рис. 1).

Рис. 1.

Внешний вид устройства для ультразвуковой сварки трубок из лавсана с резистивным DLC-покрытием.

Сварка осуществлялась на специально подготовленном стержне с отверстиями, необходимыми для удержания пленки с помощью вакуума и формирования нахлеста для сварки. Процесс сварки происходил за счет акустических колебаний головки – сонотрода. Колебания головки воздействовали на свариваемые пленки, собранные внахлест с перекрытием порядка 1 мм, что обеспечивало практически однослойность трубки.

После сваривания трубки вакуум отключался, и в стержень, на котором происходила сварка, подавалось избыточное давление. За счет попадания воздуха между стержнем и трубкой изготовленная трубка легко снималась. Фото такой трубки представлено на рис. 2.

Рис. 2.

Сварной шов трубки из лавсана с резистивным DLC-покрытием на внутренней стороне цилиндра.

Было изготовлено три образца строу диаметром 10 мм с резистивным катодом и анодной проволочкой диаметром 30 мкм. Строу № 1 и № 3 были изготовлены из лавсановой пленки толщиной 20 мкм. На внутренней поверхности трубки предварительно был нанесен слой DLC с поверхностным сопротивлением 10 МОм/квадрат. Строу № 2 изготовлена аналогично строу № 1, но из лавсана толщиной 100 мкм.

Для изучения координатных характеристик была подготовлена строу № 3, конструктивно представляющая собой строу № 1, поверх которой была наклеена каптоновая пленка толщиной 35 мкм с цилиндрическими металлизированными стрипами. Эта строу использовалась для исследования формы наведенного сигнала и оценки величины пространственного разрешения вдоль трубки. Шаг стрипов считывания составлял 4.44 мм (ширина стрипов 1.87 мм, зазор между ними 0.35 мм, стрипы были объединены попарно). Фотография образцов строу приведена на рис. 3.

Рис. 3.

Образцы строу (снизу вверх) № 1, № 2 и № 3.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для исследования параметров образцов строу был создан измерительный стенд (рис. 4).

Рис. 4.

Схема измерительного стенда для исследования параметров образцов строу с резистивным катодом. 1 – образец строу; 2 – β-источник с коллиматором; 3 – сцинтилляционный счетчик в корпусе; 4 – усилитель стриповых сигналов; 5 – усилитель анодного сигнала; 6 – усилитель сигнала сцинтилляционного счетчика; 7 – дигитайзер CAEN VX1730; 8 – VME-контроллер CAEN VX2718; 9 – персональный компьютер.

При измерениях анодных сигналов использовался токовый усилитель на основе операционного усилителя LMH6626 (Texas Instruments) с коэффициентом преобразования 12 мВ/мкА, формирователь CAEN N844 и счетчик CAEN N1145. Сигнал снимался через проходную емкость величиной C = 1000 пФ (6.3 кВ). Высокое напряжение на анодную проволочку каждой трубки подавалось через резистор R = 1 МОм с помощью блока высоковольтного питания CAEN N1470. Считывание сигналов со стрипов осуществлялось с помощью зарядочувствительных усилителей KATOD-1 с временем формирования 200 нс [25], а оцифровка формы сигналов – посредством модуля АЦП CAEN V1730.

Измерения осуществлялись с помощью β-источника 90Sr. Коллимация пучка осуществлялась с помощью алюминиевой пластины толщиной 20 мм и свинцовой пластины толщиной 1 мм. Диаметр отверстия коллиматора D = 2 мм. При измерениях использовался расположенный под трубкой сцинтилляционный счетчик на основе сцинтиллятора BICRON с чувствительной площадью 2 × 2 мм2 и кремниевым фотоумножителем Sensl FB 30035. Строу продувались газовой смесью Ar : CO2 в соотношении 70 : 30. На рис. 5 приведена фотография исследуемых образцов строу на измерительном стенде.

Рис. 5.

Фотография образцов строу на измерительном стенде.

В случае катодного считывания сигналов со стрипов строу № 3 к дигитайзеру CAEN V1730 через усилитель KATOD-1 было присоединено 12 стрипов, расположенных в середине трубки (число стрипов ограничено числом каналов дигитайзера), а также анодный сигнал и триггерный сигнал от сцинтилляционного счетчика. Кроме того, к двум каналам дигитайзера были присоединены усилители KATOD-1 без подключения стрипов на входе. Это позволило дополнительно оценить уровень наводок во время измерения. Запуск дигитайзера осуществлялся триггерным сигналом от сцинтилляционного счетчика.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ

На рис. 6 представлены счетные характеристики и эффективность в зависимости от напряжения питания для образцов строу № 1 и № 2. Характеристики строу № 3 идентичны строу № 1. Рабочий диапазон напряжений (плато) для всех образцов составил ~150 В. Значение эффективности ниже 100% связано с геометрией расположения радиоактивного источника и мониторных сцинтилляционных счетчиков.

Рис. 6.

Счетные характеристики (а) и эффективность (б) строу № 1 и № 2.

Для строу № 3 было установлено рабочее напряжение Ua = +2000 В (во избежание насыщения сигналов считывающей электроники). Эффективность строу № 3 в поперечном сечении приведена на рис. 7. Спад эффективности у стенок трубки объясняется конечным размером пятна засветки от коллимированного источника 90Sr.

Рис. 7.

Эффективность строу № 3 в поперечном направлении.

Форма распределения заряда по стрипам приведена на рис. 8. Для определения ширины наведенного на стрипах заряда суммарная гистограмма среднего по 10 000 событий заряда на стрипах аппроксимировались нормальным распределением. Видно, что 95% заряда соответствует наведенному сигналу на 5 стрипах.

Рис. 8.

Форма распределения заряда по стрипам. По горизонтальной оси – номер стрипа, по вертикальной – амплитуда усредненного сигнала на стрипе в условных единицах.

Была исследована линейность измеряемой координаты вдоль строу № 3. Коллимированный β‑источник перемещался вдоль оси трубки с помощью прецизионного механического устройства с точностью 50 мкм. Координата вдоль анодной проволочки рассчитывалась методом центра тяжести по сигналам со стрипов [26]. В каждой точке было набрано 10 000 событий. При вычислении координаты вначале находился стрип с максимальным зарядом, затем вычислялась координата с использованием заряда в этом стрипе и зарядов на двух соседних стрипах слева и справа. Зависимость между реальным положением радиоактивного источника и его восстановленной координатой приведена на рис. 9.

Рис. 9.

Корреляция между реальным положением β-источника и его восстановленной координатой для строу № 3. Вдоль оси абсцисс показаны положения и номера считывающих стрипов.

На рис. 10 показана корреляция между амплитудой сигнала на анодной проволоке и катодных стрипах. Линейная зависимость между зарядами начинает искажаться при заряде на аноде ~1500 фК (Ua = +2000 В) из-за насыщения в усилителях, подключенных к катодным стрипам. Корреляция зарядов на аноде и стрипах может быть использована в детекторах с большим количеством трубок для регистрации многочастичных событий.

Рис. 10.

Корреляционное распределение между зарядом на аноде и суммарным зарядом на стрипах для строу № 3.

5. ВЫВОДЫ

Впервые в качестве резистивного покрытия катода для строу был использован алмазоподобный углерод (DLC). Толщина покрытия из DLC составила порядка 100 нм, поверхностное сопротивление ~10 МОм/квадрат. Резистивные свойства этого покрытия, с одной стороны, позволяют минимизировать эффект экранирования наводимых на внешние считывающие электроды (стрипы) сигналов, а с другой – обеспечивают устойчивость строу к электрическим разрядам между анодной проволокой и катодом. Продемонстрирована возможность изготовления строу с резистивным катодом по технологии ультразвуковой сварки.

В ходе тестирования образцов строу с катодом из резистивного DLC-покрытия была продемонстрирована принципиальная возможность их работы.

Изготовлены и испытаны образцы строу с резистивным катодом на основе DLC и считыванием сигналов с кольцевых электродов на внешней поверхности катодного цилиндра. Такая конструкция строу обеспечивает двумерную координатную регистрацию событий: одна координата измеряется по сигналу с анодной проволочки (по времени дрейфа), а вторая – по центру тяжести наведенного на стрипы катодного сигнала.

Таким образом, в работе показана возможность создания строу с двухкоординатным считыванием и пространственным разрешением на уровне сотен микрометров. Такие трубки будут обладать повышенной загрузочной способностью и защитой от возможных пробоев. Технологичность производства обеспечивается за счет использования метода ультразвуковой сварки.

Список литературы

  1. The ATLAS TRT Collaboration // Journal of Instrumentation. 2008. V. 3. P. P02013. https://doi.org/10.1088/1748-0221/3/02/P02013

  2. The LHCb Collaboration // Journal of Instrumentation. 2008. V. 3. P. S08005. https://doi.org/10.1088/1748-0221/3/08/S08005

  3. Bychkov V.N., Dedek N., Dünnweber W., Faessler M., Fischer H., Franz J., Geyer R., Gousakov Yu.V., Grünemaier A., Heinsius F.H., Ilgner C., Ivanchenko I.M., Kekelidze G.D., Königsmann K., Livinski V.V. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A: Acceler., Spectrom., Detect. Assoc. Equip. 2006. V. 556. P. 66. https://doi.org/10.1016/j.nima.2005.10.026

  4. Азорский Н.И., Базылев С.Н., Глонти Л.Н., Danielsson H., Зинченко А.И., Злобин Ю.Л., Кекелидзе В.Д., Кучинский Н.А., Мадигожин Д.Т., Мовчан С.А., Потребеников Ю.К., Самсонов В.А., Слепнев В.М., Слепнев И.В., Фрабетти П.Л., Швецов В.С., Шкаровский С.Н. // ПТЭ. 2015. № 5. С. 11. https://doi.org/10.7868/S003281621504028X

  5. Nishiguchi H., Evtoukhovitch P., Fujii Y., Hamada E., Mihara S., Moiseenko A., Noguchi K., Oishi K., Tanaka S., Tojo J., Tsamalaidze Z., Tsverava N., Ueno K., Volkov A. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A: Acceler., Spectrom., Detect. Assoc. Equip. 2017. V. 845. P. 269. https://doi.org/10.1016/j.nima.2016.06.082

  6. Erni W., Keshelashvili I., Krusche B., Steinacher M., Heng Y., Liu Z., Liu H., Shen X., Wang Q., Xu H., Aab A., Albrecht M., Becker J., Csapґo A., Feldbauer F. et al. // Eur. Phys. J. A. 2013. V. 49. P. 1. https://doi.org/10.1140/epja/i2013-13025-8

  7. Myeong Jae Lee // Nuclear and Particle Physics Proceedings. 2016. V. 273–275. P. 2530. https://doi.org/10.1016/j.nuclphysbps.2015.09.448

  8. Bazylev S.N., Davkov K.I., Gregor I., Haas D., Mouraviev S.V., Myalkovskiy V.V., Naumann L., Peshekhonov V.D., Rembser C., Rufanov I.A., Russakovich N.A., Senger P., Shutov A.V., Slepnev I.V., Smirnov S.Yu., Tikhomirov V.O., Zhukov I.A. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A: Acceler., Spectrom., Detect. Assoc. Equip. 2011. V. 632. P. 75. https://doi.org/10.1016/j.nima.2010.09.073

  9. Davkov K., Davkov V., Geyer R., Gusakov Y.V., Kekelidze G.D., Myalkovskiy V.V., Naumann L., Peshekhonov D.V., Peshekhonov V.D., Savenkov A.A., Tikhomirov V.O., Viryasov K.S. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A: Acceler., Spectrom., Detect. Assoc. Equip. 2008. V. 584. P. 285. https://doi.org/10.1016/j.nima.2007.10.010

  10. Kuchinskiy N.A., Baranov V.A., Duginov V.N., Korenchenko A.S., Kolesnikov A.O., Kravchuk N.P., Lobko A.S., Misevich O.V., Movchan S.A., Rudenko A.I., Smirnov V.S., Khomutov N.V., Zyazyulya F.E., Chekhovsky V.A. // Phys. Part. Nuclei Lett. 2017. V. 14. P. 493. https://doi.org/10.1134/S1547477117030116

  11. Bychkov V.N., Golutvin I.A., Ershov Yu.V., Zubarev E.V., Ivanov A.B., Lysiakov V.N., Makhankov A.V., Movchan S.A., Peshekhonov V.D. // T. Preda. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A: Acceler., Spectrom., Detect. Assoc. Equip. 1993. V. 325. P. 158. https://doi.org/10.1016/0168-9002(93)91016-G

  12. Majewski S., Gerbi J., Kross B., Weisenberger A., Baker K. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A: Acceler., Spectrom., Detect. Assoc. Equip. 1994. V. 348. P. 307. https://doi.org/10.1016/0168-9002(94)90752-8

  13. Пешехонов В.Д. // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2015. Т. 46. С. 165.

  14. Dikusar N.D., Myalkovskiy V.V., Nazieva E.A., Peshekhonov V.D. // Phys. Part. Nucl. Lett. 2012 V. 9. P. 54. https://doi.org/10.1134/S1547477112010086

  15. Robertson J. // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2002. V. 37. P. 129. https://doi.org/10.1016/S0927-796X(02)00005-0

  16. Prawer S., Ran B., Kalish R., Johnston C., Chalker P., Bull S.J., McCabe A., Jones A.M. // Diamond and Related Materials. 1996. V. 5 P. 405. https://doi.org/10.1016/0925-9635(95)00478-5

  17. Kuger F. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A: Acceler., Spectrom., Detect. Assoc. Equip. 2017. V. 845. P. 248. https://doi.org/10.1016/j.nima.2016.06.006

  18. Bayev V.G., Afanaciev K.G., Movchan S.A., Gongadze A., Akulich V.V., Kolesnikov A.O., Koviazina N., Gongadze L., Sotenskii R., Minashvili I., Chubinidze Z., Svito I.A., Orelovich O.L. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A: Acceler., Spectrom., Detect. Assoc. Equip. 2022. V. 1031. P. 166528. https://doi.org/10.1016/j.nima.2022.166528

  19. Iodice M., Alviggi M., Camerlingo M.T., Canale V., Della Pietra M., Di Donato C., Iengo P., Petrucci F., Sekhniaidze G. // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1498. P. 012028. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1498/1/012028

  20. Attié D., Batkiewicz-Kwasniak M., Billoir P., Blanchet A., Blondel A., Bolognesi S., Calvet D., Catanesi M.G., Cicerchia M., Cogo G., Colas P., Collazuol G., Delbart A., Dumarchez J., Emery-Schrenk S. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A: Acceler., Spectrom., Detect. Assoc. Equip. 2022. V. 1025. P. 166109. https://doi.org/10.1016/j.nima.2021.166109

  21. Bencivenni G., de Oliveira R., Felici G., Gatta M., Giovannetti M., Morello G., Ochi A., Poli Lener M., Tskhadadze E. // Journal of Instrumentation. 2019. V. 14. P. 05014. https://doi.org/10.1088/1748-0221/14/05/P05014

  22. Kashchuk A., Akulich V., Afanaciev K., Bayev V., Churakov A., Kravchuk N., Kuchinskiy N., Levitskaya O., Solin A.V., Solin A.A. // Journal of Instrumentation. 2020. V. 15. № 9. P. C09041. https://doi.org/10.1088/1748-0221/15/09/C09041

  23. Tochitsky E.I., Stanishevskii A.V., Kapustin I.A., Akulich V.V., Selifanov O.V. // Surface and Coatings Technology. 1991. V. 47. P. 292. https://doi.org/10.1016/0257-8972(91)90294-7

  24. Azorskii N.I., Gusakov Yu.V., Elsha V.V., Enik T.L., Ershov Yu.V., Kekelidze V.D., Kislov E.M., Kolesnikov A.O., Madigozhin D.T., Movchan S.A., Polenkevich I. A., Potrebenikov Yu.K., Samsonov V.A., Shkarovskiy S.N., Sotnikov A.N., Volkov A.D., Zinchenko A.I. // Phys. Part. Nuclei Lett. 2017. V. 14. P. 144. https://doi.org/10.1134/S1547477117010071

  25. Golutvin I.A., Gorbunov N.V., Karjavin V.Yu., Khabarov V.S., Movchan S.A., Smolin D.A., Dvornikov O.V., Shumeiko N.M., Tchekhovski V.A. Preprint JINR E13-2001-151. Dubna, 2001.

  26. Khovansky N., Malyshev V., Tokmenin V., Sedykh Yu., Korytov A., Osborne L.S., Ross G.D., Verdier R., Bonushkin Yu., Mitselmakher G. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A: Acceler., Spectrom., Detect. Assoc. Equip. 1994. V. 351. P. 317. https://doi.org/10.1016/0168-9002(94)91359-5

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Приборы и техника эксперимента

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал