Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПРОПОРЦИОНАЛЬНАЯ КАМЕРА

ПРОПОРЦИОНАЛЬНАЯ КАМЕРА

ПРОПОРЦИОНАЛЬНАЯ КАМЕРА - электронный координатный детектор частиц, представляющий собой множество пропорциональных счётчиков, имеющих общий катод и заключённых в газовый объём. Действие П. к. основано на определении координаты точки траектории частицы по срабатыванию одного из счётчиков.

Имеется большое кол-во разновидностей П. к.- плоские, цилиндрические и т. п. [1-4]. Принцип действия можно объяснить на примере плоской П. к., в к-рой имеются 2 плоских катода и в центре между ними анод в виде тонких параллельно натянутых сигнальных проволочек (симметричная П. к.). Анодные проволочки диаметром d удалены на расстояние s друг от друга и l от катода (катоды делают из тонкой ме-таллич. фольги). На П. к. подаётся высокое напряжение V₀, величина к-рого зависит от геометрии камеры, прежде всего от расстояния между проволочками. В симметричной П. к. при l> s > d, V_a = V₀, V_K= 0 (рис. 1) потенциал точки с координатами х, у равен

Рис. 2. Зависимость напряжённости электрического поля E от расстояний т частицы до сигнальных проволочек: 1- область газового усиления; 2- область высокой плотности пространственного заряда.

Здесь - заряд на единице длины сигнальной проволочки, - диэлектрич. проницаемость газа, С- уд. ёмкость сигнальной проволочки. Типичные параметры П. к.: l= 8 мм, s=2 мм, d=20 мкм, С=3,47 пФ/м, V₀ =4-5 кВ. Электроны, образовавшиеся на траектории заряж. частицы вследствие ионизации атомов газа, движутся (дрейфуют) к анодной проволочке. В её непосредств. близости, начиная с критич. радиуса , происходит лавинообразное размножение электронов (газовое усиление; рис. 2). Электрич. поле вблизи проволочек обладает цилиндрич. симметрией (рис. 3), поэтому процесс газового усиления происходит так же, как

и в цилиндрич. пропорциональном счётчике. Коэф. газового усиления (в т. н. приближении Роуза - Корфа)

Рис. 3. Эквипотенциальные и силовые линии электрического поля в пропорциональной камере.

Здесь N- плотность газа, - пороговое напряжение, соответствующее у =. Амплитуда А сигнала, поступающего с каждой сигнальной проволочки, пропорциональна ионизац. потерям заряж. частицы, т. е. числу электронов п, попавших на данную сигнальную проволочку:

А=епК/С.

Пропорциональность между ионизацией и амплитудой А достигается при К =10-10⁵.

К каждой сигнальной проволочке присоединяют предусилитель, после к-рого сигнал поступает в устройство, кодирующее номер проволочки. П. к. размещают так, чтобы частицы летели примерно перпендикулярно плоскости сигнальных проволочек, и тогда координата c точки траектории частицы определяется номером сработавшей проволочки. Чтобы получить неск. точек на траектории частицы, неск. П. к. соединяют в блоки (рис. 4), причём соседние П. к. обычно взаимно развернуты на . Обычно применяют десятки П. к., что позволяет полностью реконструировать траектории заряж. частиц.

Рис.4. Схема блока из трёх пропорциональных камер, измеряющих координаты х, у, z (развёрнута на к х).

Разрешающая способность. Пространств. разрешение П. к. задаётся расстоянием между сигнальными проволочками s. Среднеквадратичная ошибка измерения координаты

Амплитудное, т. е. энергетическое, разрешение П. к. определяется соотношением

где Dn - флуктуации числа электронов, DK- флуктуации газового усиления от каждого электрона. При регистрации мягких g-квантов (= 5-6 кэВ) в П. к. достигается разрешение 12-15% при К=10²-10³ [5, 6]. При K<10² разрешение ухудшается из-за уменьшения отношения сигнал/шум; при К>10³ начинает проявляться накопление положит. заряда вблизи проволочки, что ухудшает амплитудное разрешение (см. ниже).

Временное разрешение П. к. dt определяется временем дрейфа ионов. При s=2 мм временное разрешение =30 нc.

Измерение 2 координат в одной пропорциональной камере. Существует неск. методов определения координаты z траектории частицы вдоль сигнальных проволочек [7]. Часто используют т. н. метод деления токов, основанный на измерении токов I₁ и I₂ на концах сигнальной проволочки. Токи разделяются соответственно сопротивлениям R₁, R₂ участков проволочки по одну и другую стороны от места прохождения частицы: I₁/I₂=R₂/R₁=(L-z)/z, где L -длина проволочки. Предельная точность метода: Dz/L~ 1%.

Координату z определяют также измерением индуци-ров. заряда на катодах, к-рые изготовлены в виде i полосок или площадок шириной 5-8 мм; на каждой полоске измеряется заряд Q_i :

Этот метод обеспечивает пространственное разрешение = 20-30 мкм.

Характеристики пропорциональных камер. Газовая смесь для П. к. должна обеспечивать достаточно высокие уд. ионизац. потери энергии заряж. частиц (2 кэВ/см), мин. сечение захвата электронов атомами газа, гасящие свойства при развитии электрон-фотонной лавины вблизи сигнальных проволочек. Этим требованиям удовлетворяют смеси инертных газов и углеводородов (или СO₂). В П. к. обычно используют смесь Аг (70-90%) и СН ₄ или С ₂ Н ₆ (10-30%).

Большое газовое усиление достигается в П. к. с тонкими сигнальными проволочками. Однако при этом эл.-статич. силы отталкивают проволочки друг от друга и требуется достаточно большое их натяжение: (предельное натяжение вольфрамовой проволочки с d= 10, 20, 30 мкм равно 0,16, 0,65 и 1,45 Н). Критич. длина проволочки L _кp = =. При s = 2 мм, l=8 мм, d = 20 мкм и V₀ = 5 кВ L _кp = 85 см, поэтому в П. к. больших размеров необходимо укреплять сигнальные проволочки.

П. к. работает с высокой эффективностью в потоках до 10⁴-10⁵ частиц·мм . Препятствием увеличения загрузки является накопление положит. заряда вблизи сигнальных проволочек. В процессе газового усиления положит. ионы, подвижность к-рых приблизительно в 10³ раз меньше подвижности электронов, накапливаются около проволочки, экранируя её, уменьшают газовое усиление и понижают эффективность регистрации частиц.

Долговечность П. к. ограничена "старением", к-рое возникает из-за осаждения и полимеризации органич. соединений на поверхности проволочек [8]. Старение заметно после попадания 10¹⁶ электронов на 1 мм длины проволочки.

Многонитные камеры применяют не только в пропорциональном, но также и в др. режимах работы, напр. в самогасящемся стримерном режиме. При этом теряется пропорциональность амплитуды и ионизации, но возрастает амплитуда сигнала (см. Стримерная камера).

П. к. используют в физике частиц высоких энергий, где крупные установки, достигающие площади ~10 м ², содержат десятки П. к. с общим числом проволочек неск. десятков тысяч, а также в ядерной физике, биологии, в медицинской диагностике, дефектоскопии и т. д.

Лит.:1) Rice-Evans P., Spark, streamer, proportional and drift chambers, L., 1974; 2) Sau1i F., Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers, Gen., 1977; 3) 3aнeвский Ю. В., Проволочные детекторы элементарных частиц, М., 1978; 4)3аневский Ю. В., Пешехонов В. Д., Пропорциональные и дрейфовые камеры в прикладных исследованиях. Обзор, "Приборы и техн. эксперимента", 1978, № 2, с. 7; 5) Sauli F., Basic processes in time-projection like detectors, в кн.: Time projection chamber 1-th workshop. Vancouver, 1983, N. Y., 1984; 6) Ионизационные измерения в физике высоких энергий, М., 1988; 7) Ситар Б., Новые направления в развитии дрейфовых камер, "ЭЧАЯ", 1987, т. 18, с. 1080; 8) Алексеев Г. Д., Круглов В. В., Хазинс Д. М., Самогасящийся стримерный (СГС) разряд в проволочной камере, "ЭЧАЯ", 1982, т. 13, с., 703., Б. Ситар.