Детектор заряженных частиц

 

1. ДЕТЕКТОР ЗАРЯЖЕННЫХ 1АСТИЦ, содержащий рабочую среду, имеющую толщину, обеспечивающую отсутствие эффекта плотности в ней, и регистратор вторичных излучений , отличающийся тем, что, с целью определения координат регистрируемых частиц, а также повышения эффективности регистрации при детектировании ультрарелятивистских частиц с одновременным определением их Лоренц-фактора в области его значений у Ю, он содержит расположенные концентрично друг относительно друга магнитную и аксиально-симметричную электроннофокусирующие системы, регистратор вторичных излучений выбран с позиционно-чувствительным элементом, расположенным перпендикулярно оси фокусирующих систем, а рабочая среда представляет собой пористьй эмиссионный слой, выполненный из негигроскопического диэлектрика, расположенный параллельно позиционно-чувствительному элементу регистратора , и помещена между двумя электродами, подключенными к делителю напряжений, причем пористый диэлектрический слой и позиционночувствительный элемент регистратора расположены по ходу детектируемых частиц. 2. Детектор по п. 1, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, позиционно-чувствительный элемент регистратора вторичных излучений выполнен в виде двусторонней мишени с накоплением заряда, а регистратор состоит из системы формирования узкоаппертурного электронного луча, отклоняющей системы, вторичного эпек тронного умножителя обратного тока сканирующего луча, коллектор которого подключен к сопротивлению нагрузки .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 0382 A

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ фокусирующие системы, регистратор вторичных излучений выбран с позиционно-чувствительным элементом, расположенным перпендикулярно оси фокусирующих систем, а рабочая среда представляет собой пористый эмиссионный слой, выполненный из негигроскопического диэлектрика, расположенный параллельно позиционно-чувствительному элементу регистратора, и помещена между двумя электродами, подключенными к делителю напряжений, причем пористый диэлектрический слой и позиционночувствительный элемент регистратора расположены по ходу детектируемых частиц.

2. Детектор по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, позиционно-чувствительный элемент регистратора вторичных излучений выполнен в виде двусторонней мишени с накоплением заряда, а регистратор состоит из системы формирования узкоаппертурного электронного луча, отклоняющей системы, вторичного элек» тронного умножителя обратного тока сканирующего луча, коллектор которого подключен к сопротивлению нагрузки.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3427162/18-25 (22) 23.04.82 (46) 23.12.85. Бюл. Н - 47 (72) А.Ц. Аматуни, А.Н.Арванов и В.Г.Гавалян (53) 621.387.424(088,8) (56) 1.Alihaman А.I. ef al "Higli

energy particle identification by

means of х-ray, transtion radiation (xTR) detectors". Nncl Jnstr, and

Mefli, 89 (1970) р. 147-153.

2. Гарибян Г.M. ЖЭТФ, т.37, 527, 1959.

3. Алиханян A.È. и др. ЖЭТФ, т.44, 1122, 1963. (54)(57) 1. ДЕТЕКТОР ЗАРЯЖЕННЫХ

ЧАСТИЦ, содержащий рабочую среду, имеющую толщину, обеспечивающую отсутствие эффекта плотности в ней, и регистратор вторичных излучений, отличающийся тем, что, с целью определения координат регистрируемых частиц, а также повьппения эффективности регистрации при детектировании ультрарелятивистских частиц с одновременным определением их Лоренц-фактора в области его значений > 10, он содержит расположенные концентрично друг относительно друга магнитную и аксиально-симметричную электронно(g) 4 G 01 т 1/38; í 01 J 49/44

1050382

Изобретение относится к технике эксперимента физики элементарных частиц и атомного ядра, в частности к устройствам детектирования и идентификации заряженных частиц и спектрометрии ионизирующих излучений высоких энергий. Оно может найти применение при решении широкого круга задач как в физике космических лучей, так и при постановке экспериментов на ускорителях высоких энергий, для определения Лоренц-фактора / ультрарелятивистских заряженных частиц с > 10 и координат детектируемых частиц в широком диапазоне их энергий.

Известны устройства для определения Лоренц-фактора ультрарелятивистских заряженных частиц, состоящие из радиаторов переходного излучения и его регистраторов (1) . В таких устройствах о величине Лоренц-фактора частиц судят по интенсивности фотонов переходного излучения, регистрируемых известными счетчиками.

Однако детекторы переходного излучения не позволяют определять координат регистрируемых частиц, а при порядка 10 — 10 испольб зование их весьма затрудняется, так как сильно возрастают зоны формирования излучения в вакууме и в веществе (2) . Это приводит к тому, что общая толщина пластин радиатора приближается к радиационной единице длины, не говоря о том, что увеличивается число вакуумных отсеков установки и, как следствие, усложняется ее конструкция.

Наиболее близким к заявляемому является детектор заряженных частиц содержащий рабочую среду, имеющую толщину, обеспечивающую отсутствие эффекта плотности в ней и регистратор вторичных излучений (31 .

Известное устройство позволяет определять Лоренц-фактор ультра° релятивистских заряженных частиц при 1 10, основано на отсутствии

5 эффекта плотности в тонких средах.

Оно представляет собой вакуумную камеру с входным для детектируемых частиц окном, в которой расположена тонкая сцинтиллирующая мишень, оптически связанная с находящимся вне камеры фотоумножителем. В таком

35 устройстве для определения 1" используют тот факт, что при толщинах пластического сцинтиллятора меньше 10 см имеет место логарифмический рост потерь энергии в зависимости от регистрируемой частицы. Исследуемую частицу пропускают через сцинтилляционную мишень, толщина которой обеспечивает от- . сутствие эффекта плотности, и изме- ряют фотоумножителем интенсивность излучения среды, зависящую от энергетических потерь на столкновения.

Однако потери энергии в столь тонкой пленке по абсолютной вели) ,чине очень малы, что обуславливает низкую эффективность регистрации частиц. Так минимально ионизирующий релятивистский электрон с энергией 0,7 мэВ, проходя через такую пленку, образует в ней - 0,3 электрона. В связи с этим описываемый детектор не получил практического применения. Кроме того> и в нем, как и в описанных аналогах, не представляется возможным измерение координат частицы.

Цель изобретения — определение координат регистрируемых частиц, а также повышение эффективности регистрации при детектировании ультрарелятивистских заряженных частиц с одновременным определением их Лоренц-фактора в области его значений > 10 1, Поставленная цель достигается тем, что в детекторе заряженных частиц, содержащем рабочую среду, имеющую толщину, обеспечивающую отсутствие эффекта плотностей в ней, и регистратор вторичных излучений, регистратор вторичных излучений выбран с позиционно-чувствительным элементом, расположенным перпендикулярно оси фокусирующих систем,а рабочая среда представляет собой пористый эмиссионный слой, выполненный из негигроскопичного диэлектрика, расположенный параллельно позиционно-чувствительному элементу регистратора и помещена между двумя электродами с высоким коэффициентом прозрачности, подключенными к делителю напряжений, причем пористый диэлектрический слой и позиционно-чувствительный элемент регистратора расположены по ходу детектируемых частиц

1050382

55 а также тем, что позиционно-чувствительный элемент регистратора вторичных излучений выполнен в виде двусторонней мишени с накоплением заряда, а регистратор состоит из системы формирования узкоаппертурного электронного луча, отклоняющей системы, вторичного электронного умножителя обратного тока сканирующего луча, коллектор которого подключен к сопротивлению нагрузки.

Цель реализуется за счет совместного применения негигроскопичных пористйх диэлектрических слоев (например, окиси магния или криолита), .помещенных в сильное электростатическое поле (10 — 10 В/см) с

4 6 толщиной обеспечивающей отсутствие эффекта плотности в ней (10 см при плотности слоя 0,7 - 2X относительно его нормальной плотности), и позиционно чувствительного элемента с накоплением заряда, на который осуществляется параллельный электронный. перенос области ионизации слоя, с последующим сканированием его поверхности узкоаппертурным электронным лучом. Принцип работы предлагаемого устройства основан на том, что при прохождении ионизирующей частицы через рабочую среду, толщина которой обеспечивает отсутствие эффекта плотности в ней, радиус области ионизации частицы линейно зависит от ее Лоренцфактора:

1= — где 0 — ионизационный радиус поля заряда частицы, С вЂ” скорость света, — Лоренц-фактор детектируемой частицы; — средняя атомная частота.

Причем при порядка 10, b становится порядка сантиметра. Лорис» тые диэлектрические слои толщиной < 100 мкм и плотностью 0,7-2Х относительно нормальной плотности, содержащие 10 г/см вещества

-Ч на пути частицы удовлетворяют условию отсутствия в них эффекта плотности, а помещение их в сильное электростатическое поле (10

10 В/см) позволяет увеличить число эмиссионных электронов (й в 100 раз) приходящихся на одну прошедшую через такой слой релятивистскую части«

30 цу за счет уменьшения поглощения электронов первичной ионизации и ускорения и размножения их в порах диэлектрика. Временные отметчики на основе таких слоев регистри руют факт прохождения релятивистских минимально ионизирующих частиц с достаточно высокой эффективностью (= 65 ). Однако пористые диэлектрические слои на основе таких веществ как, например, КС1 или KBr в силу их гигроскопичности сильно ухудшают свои эмиссионные свойства со временем, что обуславливает технические трудности, возникающие при их использовании, в то время как слои из негигроскопичных веществ (М О, криолит) таких трудностей не вызывают. Таким образом, детектируемая частица, проходя через указанный слой, вызывает вторичную, усиленную полем, электронную эмиссию слоя из области, радиус которой линейно зависит от

Лоренц-фактора частицы, и остается лишь, не допустив "размытия" такого "изображения" (с минимальными абберациями), определить его радиус и центр. По значению первого можно судить о величине Лоренц-фактора частицы, а второй соответствует ее координате.

На чертеже показан предлагаемый детектор в разрезе.

Детектор состоит из стеклянного вакуумированного баллона 1, внутренняя торцовая поверхность 2 которого покрыта тонкой алюминиевой подложкой 3 с нанесенным на нее рыхлым негигроскопичным диэлектрическим слоем 4 (например, И О или криблита) толщиной в 100 мкм и плотностью относительно нормальной 0,7 — 2X. На расстоянии 400 мкм от поверхности слоя вдоль оси детектора расположена мелкоструктурная сетка 5 с высоким коэффициентом прозрачности (907), за которой на расстоянии

50 мкм находится мишень 6, представляющая собой полупроводящую стеклян« ную пленку толщиной 5 мкм. Между слоем 4 и сеткой 5 расположен фокусирующий цилиндрический электрод

7, а по другую сторону от мишени

6-тормозящий электрод 8, имеющий также цилиндрическую форму. На противоположном конце баллона 1 расположен электронный прожектор, 40

% 10503 состоящий из катода 9 модулятора 10 и трех цилиндрических анодов 11, 12 и 13 соответственно (первый, второй и третий аноды), расположенных вдоль оси детектора, причем первый анод 11, одновременно является и аппертурой прожектора и первым динодом вторично-syeKTpoHHoro умножителя 14, расположенного вокруг прожектора. Выходной сигнал детек- 10 тора снимается с коллектора 15 умножителя 14, Вне баллона 1 на одной оси с ним расположены катушки

16, 17 и 18 соответственно. Катушка

16 создает в объеме детектора однородное магнитное поле, обеспечивающее совместно с ускоряющим электростатическим полем, образованным электродом 7, фокусировку электронно го изображения слоя 4 на мишень 6. 2р

Кроме того, поле этой катушки 16 совместно с полем третьего анода

13 прожектора обеспечивает фокусировку считывающего электронного пучка 19. Последний отклоняется по 25 закону, например, телевизионной развертки, двумя парами отклоняющих катушек 17. Пара корректирующих катушек 18 создает поперечное магнит ное поле, предназначенное для кор- Ç0 ректирования траектории считывающего пучка 19 при движении его в продольном фокусирующем магнитном поле, образованном катушкой 16. Это необходимо для обеспечения нормаль,ного падения считывающего пучка 19 на мишень 6 при любом его положении.

Распределение потенциалов на электродах детектора определяет режим

его работы и примерно сводится к следующему: аллюминиевая подложка 3 и фокусирующий электрод 7 находятся под потенциалом -2500В, а мелкоструктурная сетка 5 под потенциалом +(1 — 2) В. Такая разность 45 потенциалов необходима для создания в рыхлом диэлектрическом слое 4 напряженности поля порядка 10

10 В/см, которой соответствует коэффициент вторичной электронной 50 эмиссии для электронов с энергией

0,7 мэВ 100, с одной стороны, и для уменьшения углового разброса эмиссионных электронов при их движении от слоя 4 к сетке 5 — с другой. 5э

Собственно мишень 6 и катод 9 находятся под потенциалом нуля В. Потен циалы первого и второго анодов 11 и

82 Ь

12 соответственно равны и составляют примерно +200 В. Третий анод 13 прожектора находится под потенциалом порядка (20 — 25)В.

Детектор работает следующим образом.

После подачи питающих напряжений при прохождении ультрарелятивистской заряженной частицы через пористый диэлектрический слой 4 в последнем возникает область ионизации с радиусом, линейно зависящим от Лоренц-фактора частицы. Возникающие в пределах этой зоны электроны первичной ионизации, ускоряясь в поле пор слоя 4, размножаются и выходят в промежуток: слой 4 — сетка 5, в котором благодаря наличию высокой ускоряющей разности потенциалов поля фокусирующего электрода 7 и однородного магнитного поля, создаваемого катушкой 16, осуществляется параллельный перенос электронного изображения этой зоны на мишень 6 с одновременным осевым ускорением эмиссионных электронов. Ударяясь с большими скоростями о стеклянную мишень 6, электроны выбивают с ее поверхности вторичные электроны, которые отсасываются сеткой 5, благодаря ъому что она находится под более высоким потенциалом, чем мишень 6. В результате ухода вторичных электронов участок поверхности мишени 6, на который попали эмиссионные электроны, вышедшие из слоя 4, заряжается поло жительно. Таким образом, на поверхности мишени 6 со стороны слоя 4 образуется потенциальный рельеф, со ответствующий области ионизации в слое 4. Считывание записанного таким образом потенциального рельефа производится одновременно с записью путем "развертки" обратной поверх-, ности мишени 6 считывающим пучком электронов. Толщина мишени 6, ее поперечное сопротивление и емкость между ее поверхностями выбираются так, чтобы потенциальный рельеф, возникающий на ней во время записи, передавался на ее противоположную поверхность без потерь. Эта передача осуществляется при коммутации обратной стороны мишени 6 развертывающим лучом. Медленные электроны осуществляющие развертку мишени 6, возникают следующим образом. Электроны, выходящие из катода 9 элекЮ 1

ВНКИПЦ Заказ 8136/3

Тираж сное

Ю"

Филиал ППП Патеат, r. Ужгород,ул.ПроекткМ, 4

1 тронного прожектора, ускоряются полями первого 11 и второго 12 ано» дов, но тормозятся в области третьего анода 13. Приближаясь к мишени 6, эти электроны дополнительно замедляются полями тормозящего электрода 8 и мишени 6, потенциал которой приблизительно равен нулю. Образуется луч медленных электронов, которым и производится развертка мишени 6, осуществляемая двумя парами отклоняющих катушек 17. Попадая на мишень 6, электроны развертывающего луча нейтрализуют ее положительный заряд, обегая последовательно (построчно) в течение одного кадра всю поверхность мишени. Так как заряды различных участков мишени 6 различны, то и на нейтрализацию их требуется различное количество электронов развертывающего луча и, следовательно, от различных участков возвращается разное количество электронов, образующих обратный луч. Ток обратного луча оказывается промодулированным по амплитуде в соответствии с распределением зарядов по поверхности мишени 6. При движении от мишени 6 к катоду 9 прожектора электроны обратного луча, образующие на коллекторе 15 временную последовательность электрических сигналов, амплитуда которых пропорциональна распределению зарядов на поверхности мишени 6, приобретают в ускоряющих для них полях

50382 8 тормозящего электрода 8 и анодов

13 и 12 большую скорость. Попадая на первый анод 11 прожектора, который одновременно является первым динодом электронного умножителя 14, электроны обратного луча размножаются приблизительно в 1000 раэ. С коллекто ра 15 умножителя 14 последовательность сигналов снимается на conpof0 тивление нагрузки известным способом и подается на ЭВМ, где по размеру изображения определяется радиус области ионизации в рабочей среде 4 и ее центр.

f5 Использование предлагаемого уст» ройства по сравнению с прототипом позволит определить координаты частицы с одновременным измерением

Лоренц-фактора в области > 10 в

20 одном устройстве, кроме того, позволит сильно уменьшить поглощение вторичных электронов в рабочей среде детектора и добиться увеличения их числа за счет размножения в порах диэлектрического слоя, находящегося в электрическом поле, что повысит эффективность регистрации детектора при детектировании ультрарелятивистских частиц. Это упросЗО тит конструкцию экспериментальной установки в целом и сократит время .ее экспозиции в экспериментах при изучении, например, редких событий или решении задач, в которых требуется восстановить пространственную траекторию частицы.