Координатный газонаполненный детектор



Координатный газонаполненный детектор
Координатный газонаполненный детектор

 


Владельцы патента RU 2485547:

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ (RU)

Изобретение относится к координатным газонаполненным детекторам излучения и может быть использовано в области экспериментальной физики, для работ в высокоинтенсивных потоках заряженных частиц, а также в геологии, археологии, а также для радиографического контроля и томографических исследований крупномасштабных объектов. Сущность изобретения заключается в том, что координатный газонаполненный детектор содержит тонкостенные дрейфовые трубки - строу, при этом строу объединены в модули, представляющие собой жесткие планарные структуры одного слоя строу, при этом два модуля с однородной по площади толщиной, равной диаметру строу, объединены со сдвигом между собой на радиус строу в единый конструктивный узел с распределительными трубчатыми газовыми коллекторами, элементами высоковольтного питания строу и элементами передачи регистрируемых сигналов на внешнюю электронику считывания. Технический результат - регистрация частиц с высоким координатным и угловым разрешением детектором большой площади. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к координатным газонаполненным детекторам излучения и может быть использовано в области экспериментальной физики [1, 2, 3, 4], для работ в высокоинтенсивных потоках заряженных частиц, а также в геологии [5, 6, 7], археологии [8, 9] и для радиографического контроля масштабных строительных сооружений [10, 11]. Используя угловое распределение космических мюонов, возможно проводить томографические исследования крупномасштабных объектов мюонными детекторами с высоким угловым разрешением [12, 13, 14, 15].

В настоящее время широко применяются координатные газонаполненные мюонные детекторы на основе металлических дрейфовых трубок диаметром 3 см или более, работающие при давлении газового наполнения в несколько атмосфер [16]. Основным недостатком таких детекторов является ограничение их трековой эффективности при повышении множественности частиц, что определяется большим размером чувствительной области детектирующих элементов детектора (равной произведению диаметра трубки на длину) и большим временем сбора электронов ионизации. Объемный заряд от медленных положительных ионов искажает электрическое поле, существенно ухудшая параметры детектора. Уменьшение чувствительной площади и времени сбора электронов путем уменьшения диаметра металлических трубок большой длины ограничивается плохой однородностью их по длине и ухудшением точности диаметров.

Координатные детекторы на основе тонкостенных дрейфовых трубок (строу) широко применяются в экспериментах на ускорителях [1, 2, 3, 4]. Детекторы состоят из ряда плоскостей, содержащих строу диаметром обычно от 4 мм до 10 мм и длиной до ~400 см [1, 3, 4]. Высокие точность диаметров и цилиндричность строу, не зависящие от их длины, определяют однородность детектирующих элементов, что существенно для многоканальных детекторов. Строу работают при давлении газовой смеси, близкой к одной атмосфере, однако показана возможность работоспособности строу при давлении до 5 атмосфер [17]. Типичная средняя величина пространственного разрешения (σ) по радиусу строу около 170 микрон, а при давлении 3-4 атмосферы может быть улучшена до 40 микрон [18, 19, 20]. При повышении давления газа наблюдается увеличение диаметра и длины, изменяющие прямолинейность и анод-катодное расстояние по длине строу, что требует учета этого при создании детекторов. Использование для мюонных детекторов строу требуемой длины и диаметром от 4 до 15 мм в сравнении с металлическими дрейфовыми трубками позволяет в разы уменьшить как чувствительную площадь детектирующих элементов, так и время сбора электронов ионизации.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является двухслойный детектор спектрометра COMPASS [3, 4] с длиной строу 360 см, диаметром 6 мм и 10 мм, принятый за прототип. Строу каждого слоя склеены между собой узким продольным клеевым швом с сохранением их цилиндричности (20 микрон) и прямолинейности (около 100 микрон). Камеры продуваются газовой смесью при давлении наполнения, близком к 1 атмосфере. Общие для двух слоев герметичные газораспределяющие коллекторы расположены с двух концов строу и содержат в своем объеме выходные части строу с элементами фиксации анодов, а также части плат считывания или согласовки. Особенностью детектора являются большая чувствительная площадь (~9 м2) и радиационная толщина меньшей 0.15%Х0 (без учета газа). Детекторы обладает хорошим быстродействием, определяемым максимальным времени сбора электронов ионизации (~110 нсек), и пространственным разрешением около 190 микрон. Недостатками прототипа являются сложность обеспечения хорошей герметизации газовых коллекторов, наличие в их внутреннем объеме материалов не всегда с высокой химической чистотой, а также чувствительность пленочной стенки строу к влажности, что может приводить к изменению их длины, приводящей к нарушению соосности анодов с катодами. Для предотвращения этого внешние поверхности строу-слоев закрыты металлизированной пленкой, зазор между которой и строу продувается сухим газом. Прототип не обладает полной герметизацией, что приводит к потерям рабочей газовой смеси; изменения линейных размеров строу из-за суточных изменений температуры и влажности окружающей среды не обеспечивают регистрации частиц с максимально возможным координатным и угловым разрешением детектором большой площади.

Техническая задача решается созданием кооординатного газонаполненного детектора, включающего тонкостенные дрейфовые трубки - строу, которые объединены в модули, представляющие собой жесткие планарные структуры одного слоя строу, при этом два модуля с однородной по площади толщиной, равной диаметру строу, объединены со сдвигом между собой на радиус строу в единый конструктивный узел с распределительными трубчатыми газовыми коллекторами, элементами высоковольтного питания строу и элементами передачи регистрируемых сигналов на внешнюю электронику считывания. Все составляющие узлы модуля выполнены с возможностью продува строу газом с наполнением от одной до 4-х атмосфер, газовые коллекторы, установленные на концах строу, соединены с внутренним объемом каждой строу через отверстия в их стенках и в концевых втулках капиллярными трубками, размещенными ортогонально к плоскости модуля. Каждый слой модуля имеет 2 газовых коллектора на его внешней стороне для входа и выхода газа, а металлические трубчатые газовые коллекторы являются элементами его рамы. При этом газовые коллекторы не содержат внутреннего вещества, а платы считывания и согласовки соединяются с анодами, минуя герметичные газовые объемы.

На рисунке 1 представлена блок-схема установки газового коллектора на строу модуля предложенного детектора. Модули содержат строу одного диаметра, который может быть от 4 мм до 15 мм при длине строу до 4 метров, и равное в каждом слое число каналов регистрации (кратное восьми). На концах строу 1 установлены трубчатые газораспределительные газовые коллекторы 2, соединенные с внутренним объемом каждой строу через отверстия в их стенках и в концевых втулках 3, размещенными ортогонально к плоскости модуля капиллярными трубками 4. В качестве анода 5 используется золоченая вольфрамовая проволока диаметром 30 мкм, установленная по центру строу при натяжении 70 грамм и закрепленная в элементах ее фиксации 6. Строу модуля позиционированы с точностью около 50 мкм в плотный слой толщиной, равной их диаметру, и залиты компаундом 7. Общий вид детектора, содержащего два идентичных модуля, схематично показан на фиг.2. Каждый модуль имеет по два газовых коллектора 2 на его внешней стороне, обеспечивающие вход и выход газа. С одного конца строу каждого модуля параллельно их плоскости устанавливаются многослойные платы считывания 8, обеспечивающие подачу высоковольтного напряжения на аноды и передачу с них сигналов на входы усилителей регистрирующей электроники. На втором конце строу на узкой плате согласовки устанавливаются согласующие RC-цепочки (не видимые на рис.2). Соединения внутренних объемов строу с газовыми трубчатыми коллекторами и выступающие из строу части внутренних втулок 3 с элементами фиксирования 6 герметизируются компаундом. Трубчатые металлические коллекторы, а также платы считывания и согласовки вместе с металлическими поддерживающими их основаниями после объединения модулей являются ортогональными к направлению строу элементами общей рамы детектора. В качестве параллельных к направлению строу элементов рамы используются углепластиковые или алюминиевые тонкостенные профили 9, установленные вдоль крайних строу с каждой стороны модуля. Толщина чувствительной площади детектора равна двум диаметрам строу с точностью +0,3 мм. На внешних поверхностях модулей наклеена тонкая металлизированная пленка 10, служащая для защиты от влажности окружающей среды и используемая в качестве электромагнитного экрана детектора. С каждой стороны модуля на высоту превышения газовыми коллекторами внешней его поверхности установлены (угле/стекло) пластиковые поддерживающие ленты 11 с шагом, определяемым в зависимости от длины строу. Рама детектора имеет установочные отверстия для его объединения с аналогичными детекторами в единую детектирующую систему. Детектор работает следующим образом. Строу продуваются рабочей газовой смесью при фиксированном давлении от одной до 4 атмосфер. Газ входит/выходит в/из строу через капилярные трубки, обладающие одинаковым газовым сопротивлением, в толстостенные трубчатые коллекторы, являющие торцевыми частями рам детектора. При прохождении частиц через два модуля регистрируются их координаты в пространстве путем измерения в сработавших строу времени дрейфа ближайших к анодам электронов ионизации. Аноды строу каждого модуля с одного конца соединены с платами считывания и со второго - с платами согласовки, являющими торцевыми частями рамы. Высоковольтное анодное напряжение подается через платы считывания. Заряженные частицы, пересекающие два объединенных в единую камеру модуля, ионизируют газ в строу, образуя электроны, двигающие к аноду и образующие сигнал. Сигналы с анодов передаются по платам на установленные на них многоканальные разъемы и далее на регистрирующую электронику и используются для определения координат траекторий частиц в плоскости модулей. При повышении давления число электронов и величина сигнала увеличиваются кратным образом, повышая вероятность и точность регистрации событий. Линейные размеры тонкостенных пленочных трубок и модулей в целом при повышении давления газового наполнения не изменяются, сохраняя соосность анод-катодов, что исключает ошибки в определении пространственных координат событий. Величина максимального времени дрейфа электронов (от катода к аноду) при нормальном давлении около 20 нсек на один миллиметр длины радиуса строу, что определяет быстродействие детектора в зависимости от выбранного их радиуса. С повышением давления скорость дрейфа уменьшается и для строу диаметром 10 мм при давлении 3 атмосферы время сбора увеличивается до ~200 нсек. Радиационная толщина модуля менее одного процента.

Технический результат: большие планарные детекторы со строу диаметром от 4 мм до 10 мм и с металлическими трубчатыми газовыми коллекторами, являющими также элементами рам детектора, обладают возможностью работы в диапазоне давления их газового наполнения до 4 атмосфер без изменений линейных размеров строу. Коллекторы не содержат внутреннего вещества, обладают высокой химической чистотой и герметичностью. Подача анодного напряжения и считывание сигналов, а также согласовка анодов осуществляется соответствующими платами, полностью расположенными вне газовых объемов вблизи фиксации анодов в концевых элементах строу, что уменьшает размеры линий передачи сигналов и, следовательно, паразитные индуктивности и емкости. Детектор обладают малой массой и близким к 1 отношением полной площади к чувствительной. Перекрытие больших площадей детектирования идентичными детекторами не требует массивных поддерживающих структур. Отсутствие зависимости линейных размеров строу от климатических параметров окружающей среды и от давления газового наполнения обеспечивает стабильность характеристик детектора при высокой однородности по площади. Повышение давления способствует повышению пространственного разрешения при регистрации заряженных частиц и увеличению вероятности регистрации рентгеновского излучения.

Источники информации

[1] Y.Arai et al., Nucl. Instr. And Meth. A381 (1996) 355-365.

[2] ATLAS collaboration. ATLAS Inner Detector Technical Design Report, v.1, CERN/LHCC/97-16, 1997.

[3] V.N.Bytchkov, M.Faessler, R.Geyer et al., Particles and Nuclei, Letters, 2002, №2 |111|, p.p.64-73.

[4] V.N.Bytchkov, N.Dedek, W.Dunnweber et al., Nucl. Instr. And Meth. A556 (2006) 66-79.

[5] K.Nagamme et al, Nucl. Inst. Meth. A, 356 (1995), 585.

[6] N.K.M.Tanaka et al, Nucl. Inst. Meth. A, 555 (2005), 164-172.

[7] N.K.M.Tanaka and Iz.Yokoyama, Proc. Jpn. Acad., Ser. B, 84 (2008).

[8] M.Basset et al, Nucl. Inst. Meth. A567 (2006), 298-301.

[9] M.Menichelli et al, Nucl. Inst. Meth. A572 (2007), 262-265.

[10] W.B.Gilboy et al, Nucl. Inst. Meth. B, 263 (2007), 317-319.

[11] P.M.Jenneson, Nucl. Inst. Meth. A, 525 (2004), 346-351.

[12] K.Borozdin et al, Nature, Vol.422, p.277 519, Mar. 2003.

[13] S.Pesente et al., NIM A604 (2009), 738-746.

[14] A.A.Борисов и др., ИФВЭ 2011-7 ОЭФ.

[15] Anghel, V. et al, Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS/MIC), 2010 IEEE

[16] The CERN Large Hadron Collider: Accelerator and Experiments, CERN, Geneva, 2009, V1, p.172.

[17] V.I.Davkov et al., Instr. Exper. Tech., 51, №6, 2008 pp.787-791.

[18] В.В.Мялковский и др. Патент на изобретение. №2339053, 2008.

[19] S.N.Bazylev et al., Nucl. Instr. And Meth. A 632 (2011) 75-80.

[20] V.I.Davkov et al., Nucl. Instrum. Meth. A634:5-7, 2011.

1. Координатный газонаполненный детектор, включающий тонкостенные дрейфовые трубки - строу, отличающийся тем, что строу объединены в модули, представляющие собой жесткие планарные структуры одного слоя строу, при этом два модуля с однородной по площади толщиной равной диаметру строу, объединены со сдвигом между собой на радиус строу в единый конструктивный узел с распределительными трубчатыми газовыми коллекторами, элементами высоковольтного питания строу и элементами передачи регистрируемых сигналов на внешнюю электронику считывания.

2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что все составляющие узлы модуля выполнены с возможностью продува газом с наполнением от одного до 4 атмосфер, при этом газовые коллекторы, установленные на концах строу, соединены с внутренним объемом каждой строу через отверстия в их стенках и в концевых втулках, размещенными ортогонально к плоскости модуля, капиллярными трубками.

3. Детектор по п.1, отличающийся тем, что каждый слой модуля имеет 2 газовых коллектора на его внешней стороне для входа и выхода газа, а металлические трубчатые газовые коллекторы являются элементами его рамы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу определения эффективных масс закладок делящегося вещества. .

Изобретение относится к ионизационным многопроволочным координатным детекторам и может быть использовано в экспериментальной ядерной физике для регистрации ядерного излучения.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в ядерной физике и астрофизике. .

Изобретение относится к области радиационной экологии и может быть использовано для оперативной радиометрии жидких проб методом аэроионной топометрии, а также дистанционного поиска остатков ядерного топлива, например плутония, загрязняющих поверхности в результате аварий или в ходе производственных процессов.

Изобретение относится к метрологическому обеспечению войсковой дозиметрической аппаратуры. .

Изобретение относится к средствам обнаружения подводных радиоактивных объектов, находящихся на больших площадях дна или погруженных в него. .

Изобретение относится к рентгенотехнике, в частности к рентгеновским приемникам, и предназначено для использования в медицинских рентгеновских установках, томографах, маммографах, а также в промышленных интроскопах с высоким пространственным разрешением.

Изобретение относится к системе обнаженных проводников и может использоваться для облучения упаковочных материалов для целей стерилизации. .

Изобретение относится к области радиохимии и может быть использовано при проведении технологического контроля или научно-исследовательских работ, связанных с изучением кинетики взаимодействия бета-радиоактивных газов.

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. Способ регистрации частиц детекторами на основе дрейфовых трубок включает измерение координат заряженных частиц, отличающийся тем, что 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. Технический результат - одновременное определение радиальной и продольной координаты заряженной частицы. 2 ил.

Изобретение относится к космической технике, в частности для регистрации микрометеороидов и заряженных частиц ионосферы. Устройство контроля герметичности элементов конструкции космического аппарата содержит приемник ионов, установленный на расстоянии от контролируемой поверхности космического аппарата, спутниковый модем, устройство формирования сигнала, при этом спутниковый модем, устройство формирования сигналов и приемников ионов заключены в одном защитном корпусе, вход приемника ионов соединен с устройством формирования сигнала, выход которого соединен со входом спутникового модема, соединенного с антенной, фокусирующую сетку, прикрепленную к защитному корпусу, устройство ионизации потока газовых частиц, прикрепленное со стороны фокусирующей сетки к защитному корпусу, в защитном корпусе установлен фотоэлектронный умножитель, а на контролируемой поверхности космического аппарата установлен пьезодатчик, соединенный с помощью усилителя с устройством формирования сигнала, при этом на поверхности космического аппарата установлены измерительные антенны не менее трех штук, которые дополнительно снабжены антенными усилителями, соединенными с устройством формирования сигнала. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. 1 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования ионизирующего излучения в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить уровень радиации и набранную дозу гамма-, протонных, электронных и альфа-излучений. Сенсор (чувствительный элемент) ионизирующего излучения представляет собой p-i-n структуру, выполненную по планарной технологии. Сенсор содержит высокоомную подложку кремния n-типа 1 проводимости, на лицевой (рабочей) стороне которой расположены p-области 2, 3, слой 4 (покрытие) из SiO2, алюминиевая металлизация 5, пассивирующий (защитный) слой 6. P-область 2, расположенная в центральной части подложки и занимающая большую часть площади поверхности, образует чувствительную область сенсора. По крайней мере, две p-области 3, выполненные в виде кольцеобразных элементов (охранных колец), расположены в нечувствительной области по периферии подложки вокруг центральной p-области 2 с обеспечением снижения величины поверхностного тока и плавного падения потенциала от чувствительной области к периферии прибора. В слое 4 SiO2 сформированы окна 7 для обеспечения контакта металла (алюминиевой металлизации) с p-областью; в пассивирующем слое над p-областью, расположенной в центральной части подложки, сформировано окно 8 для контактирования с p-n областью в процессе тестирования и окна 9 для присоединения выводов. На подложке со стороны, противоположной лицевой поверхности, расположен слой n-области 10 и металла 11. Технический результат - уменьшение времени измерения радиационного фона, уменьшение размеров и массы устройства, расширение диапазона регистрируемых энергий. 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в ядерной физике и астрофизике. Эмиссионный калориметр для измерения энергии частиц представляет собой сандвич из поглотителя и активных элементов, расположенных перпендикулярно падающим частицам, при этом активные элементы состоят из двух электродов, разделенных газовым зазором около 100 мкм при атмосферном давлении, один из электродов подключен к источнику напряжения порядка 50 кВ/см, а другой электрод подключен к блоку амплитудного анализа. Технический результат - упрощение конструкции устройства, улучшение временного разрешения и повышение радиационной стойкости. 1 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования ионизирующего излучения в электрический сигнал. Сущность изобретения заключается в том, что матричный сенсор (чувствительный элемент) ионизирующего излучения представляет собой p-i-n структуру, выполненную по планарной технологии. Сенсор содержит высокоомную подложку высокочистого БЗП кремния n-типа 1 проводимости, на лицевой (рабочей) стороне которой расположены p-области 2, 3, слой 4 (покрытие) из SiO2, алюминиевая металлизация 5, пассивирующий (защитный) слой 6. P-области 2, занимающие большую часть площади поверхности, образуют чувствительную область сенсора. При этом количество p-областей 2, образующих чувствительную область сенсора, выполнено равным 2n, где n=1÷8. По крайней мере, две p-области 3, выполненные в виде кольцеобразных элементов (охранных колец), расположены в нечувствительной области по периферии подложки вокруг сформированной p-областями 2 чувствительной области с обеспечением снижения величины поверхностного тока и плавного падения потенциала от чувствительной области к периферии прибора. В слое 4 SiO2 сформированы окна 7 для обеспечения контакта металла (алюминиевой металлизации) с p-областью; в пассивирующем слое над p-областью, расположенной в центральной части подложки, сформированы окна 8 для контактирования с p-n областями в процессе тестирования, и окна 9 для присоединения выводов. На подложке со стороны, противоположной лицевой поверхности, расположен слой n-области 10 и металла 11. Технический результат - расширение диапазона регистрируемых энергий, уменьшение габаритов и массы сенсора. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

Использование: для преобразования воздействия ионизирующего излучения в электрический сигнал. Сущность изобретения заключается в том, что на полированной пластине, вырезанной из слитка сверхчистого кремния n-типа проводимости формируется сенсор, для чего последовательно производятся первая химическая отмывка пластины в растворе поверхностно активных веществ, содержащих комплексоны, формирование слоя окисла кремния термическим окислением в атмосфере сухого кислорода с добавлением хлорсодержащих компонентов, имплантация ионов примеси р-типа проводимости в рабочую сторону пластины и ионов примеси n-типа проводимости в нерабочую сторону пластины при температуре не менее 50°С с энергией имплантации не более 200 кэВ и с дозой имплантации не более 1000 мкКл/см2, повторная химическая отмывка пластины в растворе поверхностно активных веществ, содержащих комплексоны, формирование слоя окисла кремния термическим окислением в атмосфере сухого кислорода с добавлением хлорсодержащих компонентов, повторная имплантация ионов примеси р-типа проводимости в рабочую сторону пластин и ионов примеси n-типа проводимости в нерабочую сторону пластин при температуре не более 25°С с энергией имплантации не более 200 кэВ, нанесение слоя алюминия на обе стороны пластин, формирование омического контакта путем вжигания алюминия и осаждение пассивирующего покрытия на рабочую сторону пластин, а затем проведение двухстадийного постимлантационного отжига. Технический результат: обеспечение возможности производства более высоко чувствительного элемента детектора на базе планарной технологии. 14 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений, а именно гамма-излучения с применением газоразрядных счетчиков. Способ измерения высоких уровней мощности дозы гамма-излучения заключается в том, что измерения проводят с применением газоразрядного счетчика, питающегося от источника линейно изменяющегося высокого напряжения, при этом сформированные на счетчике импульсы при регистрации гамма-кванта поступают на пересчетную схему после амплитудной дискриминации, осуществляемой двухуровневой пороговой схемой.
Наверх