Прецизионная дрейфовая трубка с полеформирующими электродами

Полезная модель относится к детекторам заряженных частиц и может быть применена в установках, требующих высокоточного измерения траекторий заряженных частиц, например, в физических экспериментах на ускорителях, в экспериментах с космическим излучением, в мюонных томографах. Технический результат заявленной полезной модели достигается за счет изменения конструкции прецизионной дрейфовой трубки, которая отличается от традиционной однопроволочной прецизионной дрейфовой трубки наличием двух, четырех либо шести дополнительных полеформирующих проволок, находящихся под потенциалом анода, которые повышают напряженность электрического поля у стенок трубки и модифицируют электрическое поле внутри дрейфовой трубки и соответственно линии дрейфа электронов ионизации, а также сжимают область собирания электронов на сигнальную проволоку, вследствие чего скорость дрейфа электронов возрастает, максимальное время дрейфа соответственно уменьшается, соотношение «время дрейфа электронов - координата» становится линейным, токовый сигнал укорачивается, что в свою очередь улучшает двухтрековое разрешение трубки, и в итоге прецизионная дрейфовая трубка с дополнительными полеформирующими проволоками по сравнению с однопроволочной прецизионной дрейфовой трубкой при высокой точности восстановления треков обладает в несколько раз более высокой загрузочной способностью при регистрации высокоинтенсивных потоков заряженных частиц.

Полезная модель относится к детекторам заряженных частиц и может быть применена в установках, требующих высокоточного измерения траекторий заряженных частиц, например, в физических экспериментах на ускорителях, в экспериментах с космическим излучением, в мюонных томографах.

Прецизионные дрейфовые трубки [1], обеспечивающие высокое пространственное разрешение 100-150 мкм, широко используются в качестве детектирующих ячеек трековых детекторов заряженных частиц большой площади [2-4]. В зависимости от решаемых задач, их диаметр варьируется от 10 до 60 мм. Внутренняя поверхность электропроводящей трубы дрейфовой трубки выполняет функцию катода, а единственная, натянутая по оси трубы, проволока - функцию анода. Существенным недостатком такой традиционной дрейфовой трубки является радиальное распределение электрического поля внутри трубки, которое быстро спадает при удалении от сигнального электрода (анодной проволоки), вследствие чего невозможно добиться линейной зависимости времени дрейфа электронов, образовавшихся от ионизации рабочего газа при прохождении заряженной частицы, от расстояния до сигнальной проволоки, на котором заряженная частица пересекла трубку. Не менее значимым недостатком является принципиально большая длительность сигнала, которая при прохождении частицы на любом расстоянии от сигнальной проволоки длится до прихода электронов ионизации, образовавшихся вблизи стенки трубки, т.е. на расстоянии радиуса трубки. Это обстоятельство определяет большое (равное радиусу дрейфовой трубки) двухтрековое разрешение, что в свою очередь ограничивает загрузочную способность дрейфовой трубки.

Линии дрейфа электронов, соотношение «координата - время дрейфа» (x(t)) и моделированный токовый сигнал для традиционной дрейфовой трубки диаметром 30 мм показаны на фиг. 1.

Технический результат заявленной полезной модели: обеспечивается высокая точность восстановления треков заряженных частиц и существенно (в несколько раз) повышается загрузочная способность дрейфовой трубки при регистрации высокоинтенсивных потоков частиц.

На фиг. 3 показано конструктивное устройство опробованной в ГНЦ ИФВЭ дрейфовой трубки с полеформирующими проволоками, где

1 - корпус из тонкостенной (0.4 мм) алюминиевой трубы диаметром 30 мм,

2 - торцевой элемент из пластика с центральной металлической вставкой,

3 - анодная проволока,

4 - пластина с точным отверстием,

5 - соединенные перемычкой полеформирующие проволоки (четное количество не более 6 шт.; оптимально - 4 шт),

6 - трубка обжимная,

7 - сигнальный колпачок,

8 - заземляющий штырь,

9 - резистор,

10 - втулка для позиционирования полеформирующих проволок. Заявленный технический результат достигается за счет введения в конструкцию однопроволочной дрейфовой трубки диаметром 30-60 мм дополнительных (2, 4 либо 6 шт.) симметрично расположенных (их положение оптимизируется в зависимости от диаметра трубы и диаметра проволок, рабочей газовой смеси) полеформирующих проволок, на которые подается тот же потенциал, что и на анодную проволоку.

Введение четного числа дополнительных полеформирующих проволок в дрейфовую трубку, диаметром 30 мм и более, модифицирует электрическое поле внутри дрейфовой трубки, делая его похожим на электрическое поле планарных дрейфовых камер с равномерно распределенным потенциалом [5], а именно: в узкой области шириной около 1 см электрическое поле становится практически однородным.

На фиг. 2-а схематично показана дрейфовая трубка диаметром 30 мм с четырьмя полеформирующими проволоками и линии дрейфа электронов в ней. Напряженность электрического поля у стенок трубки существенно повышается по сравнению с обычной однопроволочной дрейфовой трубкой, вследствие чего скорость дрейфа электронов возрастает, максимальное время дрейфа соответственно уменьшается, соотношение «время дрейфа электронов - координата» становится линейным (фиг. 2-б); область собирания электронов на сигнальную проволоку «сжимается», вследствие чего токовый сигнал укорачивается (фиг. 2-в), что соответственно улучшает двухтрековое разрешение трубки. В итоге прецизионная дрейфовая трубка с дополнительными полеформирующими проволоками по сравнению с однопроволочной прецизионной дрейфовой трубкой при одинаковых параметрах, как например:

1) диаметр трубки - 30 мм;

2) потенциал полеформирующих электродов такой же, как у центрального электрода;

3) торцевой элемент трубки не изменяется, соответственно все внешние подключения трубки сохраняются;

4) газовая смесь и рабочее давление не изменяются;

5) сохраняется регистрирующая электроника и все другие сервисные системы;

обеспечивает высокую точность восстановления треков заряженных частиц и существенно (в несколько раз) повышает ее загрузочную способность при регистрации высокоинтенсивных потоков частиц.

На фиг. 4 показана принципиальная схема включения обычной однопроволочной дрейфовой трубки (а) и внутренней части трубки с полеформирующими проволоками (б).

В Государственном научном центре Российской Федерации - Институте физики высоких энергий (ГНЦ ИФВЭ) изготовлены и успешно испытаны образцы дрейфовых трубок диаметром 30 мм и 52 мм с четырьмя полеформирующими проволоками длиной до 7.4 м без промежуточных механических поддержек проволок.

Источники информации:

1. Прецизионная дрейфовая трубка. Патент на полезную модель 79004 от 05.08.2008 г.

2. ATLAS Muon Spectrometer. Technical Design Review. CERN/LHCC 97-22, 5 June 1997.

3. G. Aad et al. The ATLAS experiment at the CERN Large Hadron Collider. Journal of Instrumentation (JINST), V3 (2008).

4. А.А. Борисов и др. Установка «мюонный томограф» с площадью перекрытия 3×3 кв.м. Приборы и Техника Эксперимента, 2012, 2, с. 5-14.

5. G. Charpak, F. Sauli and W. Duinker, Nucklear Instr. and Meth. 108, 413 (1973)

Прецизионная дрейфовая трубка, содержащая тонкостенный электропроводящий корпус, выполняющий функцию катода, анодную проволоку, натянутую вдоль оси трубы, и торцевые элементы, служащие базовыми опорными элементами конструкции, обеспечивающие герметизацию внутреннего объема и позиционирующие анодную проволоку с высокой точностью, отличающаяся от традиционной однопроволочной прецизионной дрейфовой трубки тем, что в конструкцию дополнительно встроено четное число полеформирующих проволок, находящихся под потенциалом анода.