Детекторы и электроника для экспериментов на ускорителях с высокой светимостью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

92-73 На правах рукописи

Сушков Виталий Владимирович

ДЕТЕКТОРЫ И ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА УСКОРИТЕЛЯХ С ВЫСОКОЙ СВЕТИМОСТЬЮ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Долгопрудный 1992

М-24

Работа выполнена в Институте физики высоких энергий (г. Протвино).

Научный руководитель - доктор физико-математических наук P.C. Шувалов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В.И. Крышкин, кандидат физико-математических наук А.Г. Володько.

Ведущая организация - Московский радиотехнический институт РАН.

Защита диссертации состоится " (f ¿-¿^ t- г/ (9i C>liJ? 1992 г. в

'иС/ часов на заседании специализированного совета прт Московском физико-техническом институте (141700, г. Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., 9).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан "j/^_" __ 1992 г.

Ученый секретарь

специализированного совета С.М.Коршунов

© Институт физики высоких энергий, 1992.

|9т?!Л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В последние годы в связи со строительством и проектированием ускорителей с высокой светимостью (УНК, БЭС, ЬНС) резко выросли требования к быстродействию и радиационной стойкости детекторов и измерительного тракта для экспериментальных установок. Из-за увеличения объема п скорости поступления информации, возрастания фоновых загрузок и изменений в общей структуре экспериментальных установок, устойчивость детекторов и измерительного тракта к высоким загрузкам, их радиационная стойкость, способность работать в сильных магнитных полях выдвигаются на передний план. Поэтому разрабатываются и находят все большее применение быстродействующие пропорциональные и дрейфовые камеры, работающие в режиме малого газового усиления, ионизационные калориметры на сжиженных и сжатых благородных газах, сцинтилляционные и черенковские детекторы с фотодиодами н фототриодами в качестве фотодетекторов для работы в сильных магнитных полях. Перечисленные приборы имеют малую величину сигнала и поэтому требуют использования электроники с малым собственным уровнем шумов для более точной оценки параметров регистрируемых сигналов. Поэтому проведение новых исследований в области методики эксперимента и накопления опыта работы с новыми детекторами частиц является актуальной задачей.

Цель настоящей работы заключается в исследовании характеристик быстродействующих ионизационных калориметров и быстродействующих пропорциональных детекторов, изучении характеристик вакуумных фотоприемников и сциетпллящгонных детекторов, разработке адекватных малошумящих усилителей для этих исследований и будущих применений

этих детекторов, изучении методов организации измерительного тракта при использовании малошумящей электроники для работы в сильных радиационных полях при высоких скоростях счета.

Основные результаты работы и научная новизна

1. Проведены исследования двух электромагнитных ионизационных калориметров, использующих в качестве активной среды "быстрые" смеси на основе сжатых благородных газов. С помощью специально разработанных малошумящих усилителей проведены измерения энергетического и координатного разрешения детекторов, изучены временные характеристики детекторов, исследована зависимость энергетического разрешения от давления газовой смеси. Результаты сравниваются с расчетами по методу Монте-Карло.

2. На основе предложенного метода изучения электродинамических свойств башен ионизационных калориметров исследованы вопросы формирования сигналов в башнях калориметров, быстродействия ионизационных калориметров башенного типа и способы организации измерительного тракта в условиях работы при высоких загрузках.

3. Предложен метод разделения адронных и электромагнитных каскадов по форме сигнала, использующий электродинамические свойства башен ионизационных калориметров.

4. Проведены исследования двух типов пропорциональных газовых детекторов, работающих в режиме малого газового усиления на "быстрой" смеси фреона-14 и изобутана. Детекторы работают при загрузке более 1,5 х106 частиц/с на проволоку. Временное разрешение детекторов 5 не, что позволяет использовать их для выработки триггерного сигнала вместо годоскопов сцинтилляционных счетчиков. При этом количество вещества на пути частиц в сотни раз меньше.

5. Изучены возможности применения в задачах мониторирования пучка вакуумных фотоприемников, работающих без усиления и при малом усилении. Обнаружено, что их использование ограничивает избыточные шумы. На основе разработанной методики исследованы низкочастотные шумовые характеристики фотоприемников. Изучены спектральная плотность и функция распределения шумов в различных интервалах частот. Для объяснения совокупности экспериментальных данных введена модель, описывающая происхождение наблюдаемых в измерениях избыточных флуктуации тока.

6. Изучена новая конструкция модуля сцинтилляционного калориметра. Исследования проведены с использованием вакуумных фототриодов

а временное разрешение - по кривой задержанных совпадений. В табл.1 приведены параметры газовых детекторов и основные результаты измерений.

Рис. 4. Схема измерения амплитудных распределений и эффективности камер. И1 и И2 -/^-источники 10в11и; К - коллиматор с отверстием 03 мм; С1 и С2 - сцинтилляци-онные счетчики с размерами пластин 020 x 0,8 мм и 020x5 мм' соответственно; Б - пороговый дискриминатор; СБ - схема блокировки; ЛВ - линейные ворота; АА - амплитудный анализатор; ПШч-ППЗ - пересчетные приборы.

Таблица 1.

Мини-дрейфовая Система

Детектор камера пропорциональных трубок

Размер

чувствительной 10x10 см 10x1,5 см

области

011 мкм, шаг

Анод 1+1 мм, полевая пров. 0 50 мкм 020 мкм

фольга А1, титан 50 мкм

Катод 14 мкм зазор 4 мм 1,8 мм

Длительность

импульса на выходе 15 . 10

усилителя, не

Загрузочная способность частиц/с '> 1,3 х 106 > 2 х 106

на проволоку

Временное

разрешение, не 5 5

: Высокая загрузочная способность и временное разрешение детекторов позволяют использовать их для выработки триггерного сигнала вместо годоскопов сцинтилляционных счетчиков. При этом количество вещества на пути частиц в сотни раз меньше и триггерный сигнал приходит раньше на время задержки сигнала в фотоумножителе (десятки наносекунд).

В третьей главе в начале рассмотрена задача измерения малых световых потоков с помощью вакуумных фотоприемников, работающих без усиления и в режиме малого усиления для применения в задачах монито-рирования пучка. Разработана простая схема электрометрического усилителя для исследований фотоприемников; собственный шум усилителя = 0,1 фА в полосе частот А/ = 0,07 Гц. Показано, что применение вакуумных фотоприемников в рассмотренной задаче ограничивают их собственные избыточные шумы. На рис.5 изображена спектральная плотность флуктуаций тока усилителя и усилителя с фотоприемником на входе, полученная на основе компьютерного анализа выборок выходного сигнала усилителя. На основе разработанной методики, использующей компьютерный анализ, получена информация о спектральной плотности и функции распределения избыточных флуктуаций тока четырех типов вакуумных фотоприемников, включаемых в режиме без усиления и с малым усилением. Для объяснения совокупности данных измерений введена модель накопления электронов на поверхности диэлектриков внутри колбы фотоприемника. Электроны стремятся расположиться вдоль поверхности диэлектрика таким образом, чтобы скомпенсировать внешнее электрическое поле. При передвижении заряда вдоль поверхности во внешней цепи будет наблюдаться импульс тока, величина каждого элементарного импульса случайная и зависит от потенциального рельефа вдоль поверхности диэлектрика и градиента шля. Складываясь, также элементарные импульсы создают ток, флуктуации которого зависят от времен релаксации электронов.

Далее рассматривается применение вакуумных фототриодов при испытании новой конструкции модуля сцинтшгаяционного калориметра, схематично изображенного на рис.6. В качестве конвертора используется свинец, а активной средой является пластический сцинтиллятор. Модуль состоит из пластин свинца и сцинтиллятора размером 70x400 мм . Толщина свинцовых пластин 2,5 мм, а пластин сцинтиллятора - 0,8 мм. Измерительный тракт включал в себя гибридный малошумящий усилитель с полевым транзистором в качестве головного элемента и усилитель-формирователь. На рис.7 представлены спектры одного модуля, .изме-

ренные на электронном пучке с энергией 9 ГэВ. Угловая зависимость энергетического разрешения при углах поворота модуля более 3 градусов становится слабой, что подтверждают расчет и измерения. Данные измерений соответствуют параметризации энергетического разрешения в виде (а/Е), = 21 %\/Е + 2,6%. Вклад в разрешение статистики фотоэлектронов оказывается небольшим (при числе фотоэлектронов на ГэВ выделенной в модуле энергии ливня Лре=800) и определяется из выражения (а/Е)ре = 100%/^ЕНре = 3,53%/^Е[ГэВ]. Вклад в разрешение шума электроники при.среднеквадратичной величине эквивалентного шумового заряда измерительного тракта ЕМС=440ё определяется выражением

(с/Е)п = Ь,5%/Е[ГэВ].

Простая и технологичная конструкция модуля может быть использована для строительства больших калориметров.

f.Гц

Рис. 5. Спектральные плотности шу--> ,, mos: треугольники - самого усилителя; кресты - усилителя и ФЭУ-140 в диодном включении; ромбы - то же, что и кресты, но при засветке фотокатода. постоянным световым потоком.

Рис. 6. Модуль сцинтилляционного калориметра (1) и вакуумный фототриод (2).

' Рис. 7. Амплитудные спектры модуля, полученные на пучке электронов с энергией 9 ГэВ нри углах поворота ^модуля относительно пучка 0, 3, 6 градусов (а),б),в) соответственно) и пьедестал - г).

В четвертой главе проанализированы методы проектирования измерительного тракта для работы детекторов (в основном калориметров) с малошумящей электроникой при высоких скоростях счета и в интенсивных радиационных полях. Независимо от принципа работы детектора длительность сигнала на входе усилителя не может быть короче той, что задает затухающая экспонента exp(-tfRi„Cd), где Rin - входное сопротивление усилителя; Cd - емкость детектора. Для калориметров и ряда других типов детекторов эта емкость может составлять 100-1000 пФ. Короткий импульс на выходе формирующего усилителя можно получить следующим образом: 1) уменьшая J2in; 2) применяя цепи компенсации полюса нулем (КПН); 3) используя совместно решения 1) и 2). Вначале рассмотрены две схемы малошумящих усилителей, разработанные для получения короткого отклика за счет низкого входного сопротивления. Головной транзистор в этих усилителях включен по схеме с общим эмиттером. Принцип, примененный в схемах с целью уменьшения й,„, схематично изображен на рис.8.

Рис. 8. Принцип построения схемы усилителя.

После головного транзистора введен усилитель тока и оба каскада охвачены общей обратной связью. Чтобы входное сопротивление было чисто резистивным, импедансы цепи_ обратной связи и нагрузки должны удовлетворять соотношению = ИьСь, где индексы f относятся к обратной связи; Ь - к нагрузке. Величина входного сопротивления может быть вычислена по формуле Д;„ = »л/гу = (Я/ + В,ь)1{дт\АКь), где ге — 1/дт = фт/1е', 1е ~ постоянный ток эмиттера головного транзистора; А - коэффициент усиления "внутреннего" усилителя по току; - сигнальный ток в цепи обратной связи; фт - термический потенциал. Схема второго из рассмотренных усилителей приведена на рис.9.

Ряс. 9. Принципиальная схема усилителя. Транзисторы: Т\ - КТ399,Т 2, Т3 - КТ3123, Т4 -КТ363. Нагрузка коллектора головного транзистора для разных режимов имеет следующие значения: 1) при токе коллектора 2\, равном 3,3 мА - /?1=100 Ом, Д2=680 Ом; 2) при токе коллектора Т\, равном 9,4 мА, Яг—51 Ом, Лг=200 Ом.

10 ns 10ns

Cd = 530 pF 6) \ / Cd = 970 pF

Рис. 10. Осциллограммы выходных сигналов при различной величине емкости детектора Сл-

На рис.10 показаны отклики усилителя на токовую ¿-функцию на входе при двух величинах емкостей детектора. Величина эквивалентного шумового заряда определяется последовательным шумом головного транзистора, а измеренные значения согласуются с простой оценкой:

ENC = (2,35е/2$0)\/Ег

| (Cd + Cjf

9тТт

где Сь — 1/2тгге/т; q0 - заряд электрона; значение длительности формировки гт находится из аппроксимации отклика усилителя импульсной характеристикой формирователя RC-CR-типа. Входное сопротивление, найденное из измерений постоянной времени затухания отклика при больших Cd равно 9,5 Ом и близко к расчетной величине

Р _ (Я/ + fij,Xffm2 + 9mi) ... .,

lim — -- = оСЛ«

tiLti\9ml9ml9na

при токе коллектора головного транзистора 9,4 мА и Н\—Ы Ом, величины дт обозначают крутизну соответствующих транзисторов. Полученное быстродействие годится для большинства применений на будущих коллайдерах, эквивалентный шумовой заряд определяется лучшими на сегодняшний день отечественными транзисторами.

Далее рассмотрена проблема создания измерительного тракта для калориметров, работающих при высоких загрузках, где малая радиационная стойкость биполярных транзисторов не позволяет монтировать электронику непосредственно на детекторах. Проектирование, производство и испытания компонентов с достаточной радиационной стойкостью довольно дороги и требуют значительных усилий. Это побуждает вернуться к известной проблеме соединения детектора и усилителя при помощи "длинного" кабеля (линии). Существовавшее до сих пор мнение заключалось в том, что такое соединение значительно увеличивает ENC (эквивалент-

ный шумовой заряд). Оно основано на опыте работы с усилителями в микросекундном диапазоне формировок и анализе шума по эквивалентной схеме, в которой кабель заменяют либо сосредоточенной емкостью, либо резонансной цепью. Такое рассмотрение корректно, пока длительность сигнала г на выходе формирователя значительно превосходит задержку в кабеле Т. С другой стороны, когда т ~ 2 Т или г < 2 Т, анализ шума необходимо проводить более точно. Схема анализа шумов приведена на рис.11. Источник сигнала 1,1 - токовая ¿-функция; Сд - емкость детекто-

ра; р и Т - соответственно волновое сопротивление и задержка кабеля; Rin - входное сопротивление усилителя; — р, ё| и i* - соответственно последовательный и параллельный источники шума. Схема использованного в измерениях усилителя показана на рис. 12а. Входной импеданс -50 См согласован с кабелем. Цепь компенсации полюса нулем, состоящая из R\C\, укорачивает время спада импульса предусилителя согласно соотношению R\C\ — рСд- Импульсные характеристики усилителя при Cd — 500 пФ и включенной цепи КПН и при Q = 0 и отключенной цепи КПН показаны соответственно на рис.126 и 12в. Импульсная характеристика усилителя хорошо аппроксимируется характеристикой многократного интегратора с n-кратными полюсами 7 при п=7. На рис.13 представлены результаты измерений и расчетов ENC в зависимости от длины кабеля и емкости детектора. Расчеты выполнены численными методами по формулам, полученным при анализе шумов по схеме рис.11. Сделаны расчеты ENC для других величин волнового сопротивления линии и емкости детектора. Далее на основе анализа шумов усилителя, изображенного на рис.12а> проделаны вычисления ENC при кабельной связи и непосредственном монтаже усилителя на детекторе при одинаковой длительности отклика. Результаты представлены на рис.14 и 15. Полученные зависимости позволяют оптимизировать входное (волновое) сопротивление по минимуму ENC и показывают, что кабельная связь решает проблему создания радиационно стойкого малошумящего тракта для детекторов емкостью более 200 пФ.

ZPC —

Рис. 11. Схема для анализа шумов.

а)

—о—fn -а =L ы

о) '.

в)

Q я 500 pF I > 10m ZPC

С„ = 0 pF i =»m

Рис. 12. (а) Принципиальная схема усилителя. Транзисторы КТ399 (/<=1,8 Ггц, гьь,=6 Ом, /3=100). Я1х С\ - цепь КПН; импульсные характеристики усилителей схемы (б) при С^=500 пФ, длине кабеля 10 метров и включенной цепи КПН; (в) - при Сл = 0, при той же длине кабеля и отключенной цепи КПН.

I 2 3 4 5 6 7 t.m

Рис. 13. Зависимости ENC от длины кабеля £ при различных Cd (цифры около кривых - значения С* в пикофарадах) р, 7. Для всех кривых п=7. Точки - экспериментальные данные, сплошные кривые - расчет для гм.= 5 Ом, штриховые для 1^=10 Ом.

юг p.ß го-

Рис. 14. Зависимости ENC от рдл« бесконечно длинного кабеля при разных Cd и 7"1 (цифры около кривых). В расчетах принято п=7, пь>=5 Ом, /3=70. Для 7~'=1 не кривая для любой емкости проходит выше при больших р, чем для -у'1—2 не.

Рис. 15. Зависимости ENC от входного сопротивления усилителя Я,„ при разных Cd и 7-1, Значения п, щ,., ß и соответствие кривых значениям 7'1 те же, что и на рис.14.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Список литературы

[1] Khazins D.M., Klavdiva Е., ... Sushkov V.V. et al.// Nucl. lustrum, and Meth. 1991. V. A300. P. 281.

[2] Aseev A.A., Kozlov V.A. ... Sushkov V.V. et al. - Third workshop "Physics at UNK" (Proceedings, Protvino, September 25-28 1990). -P rot vino, 1991. pp.102-105.

[3] Краснокутский Р.Н., Курчанинов Л.Л., ... Сушков В.В. и др. -Препринт ИФВЭ 91-16, Протвино, 1991.

[4] Курчанинов JI.JL, Мялицын В.К., Сушков В.В., Шувалов Р.С.-Препринт ИФВЭ 89-131, Серпухов, 1989; ПТЭ. 1990. N 4. С.67.

[5] Гущин E.H., Курчанинов Л.Л., ... Сушков В.В. и др. - Препринт ИФВЭ 89-232, Серпухов, 1989; ПТЭ. 1991. N 4. С.48.

[6] Курчанинов Л.Л., Сушков В.В., Шувалов P.C. - Препринт ИФВЭ

88-183, Серпухов, 1988; ПТЭ. 1990. N 1. С.138.

[7] Курчанинов Л.Л., Сушков В.В., Шувалов P.C. - Препринт ИФВЭ

89-98, Серпухов, 1989; ПТЭ. 1990. N 4. С.146.

[8] Сушков В.В., Шувалов P.C. - Препринт ИФВЭ 90-152, Серпухов,

1990.

[9] Fedyakin N.N., Kurchaniaov L.L., Sushkov V.V. et al. - Third workshop "Physics at UNK" (Proceedings, Protvino, September 25-28 1990). -

1991. pp.192-195.

{10] Краснокутский P.H., Сушков B.B., Федякин H.H., Шувалов P.C. -Препринт ИФВЭ 91-48, Протвино, 1991.

[11] Краснокутский Р.Н., Курчанинов Л.Л., Сушков В.В., Шувалов P.C. -Препринт ИФВЭ 91-135, Протвино, 1991.

[12] Краснокутский Р.Н., Федякин H.H., Сушков В.В. и др. - Препринт ИФВЭ 92-60, Протвино, 1992.

Рукопись поступила 18 мам 1992 г.