Исследование свойств пропорциональных камер с катодным съемом информации для мюонной системы коллайдерного детектора тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

г. г ^ Г) Л

\ V

„ , ' ПО '*:""

^ 1 ' '' РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ■

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Б.П.КОНСТАНТИНОВА

На правах рукописи

Киселёв Олег Анатольевич

УДК 539.1.07

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ КАМЕР С КАТОДНЫМ СЪЁМОМ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ МЮОННОЙ СИСТЕМЫ КОЛЛАЙДЕРНОГО ДЕТЕКТОРА

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 5 997

Работа выполнена ь Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН.

Научный руководитель -

кандидат физико-математических наук Прокофьев O.E.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Фёдоров В.В., кандидат физихо-математических наук Алексеев Г.Д.

Ведущая организация - Институт теоретической и экспериментальной физики, г. Москва.

Зашита состоится г. вчасов на заседании

диссертационного совета Д-002.71.01 в Петербургском институте ядерной физики им. Б.1Х Константинова РАН по адресу:

188350, Ленинградская область, г. Гатчина, Орлова роща, ПИЯФ РАН. С диссертацией можно ознакомиться с библиотеке ПИЯФ РАН.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь ду^сртацнонного сове га, кандидат физнко-чаюматнчсски:; на\к

Митронольский И.А.

Актуалыюсть проблемы обусловлена тем, что измерение траектории и импульса мюоков, образующихся при. распаде W* и Z0 бозонов, а также при других процессах, могут дать важные сведения о свойствах различных новых частиц, в том число бозона Хипса Н°. Мгоонная система детектора GEM могла быть построена с использованием различных технологий. В результате данной работы было показано, что пропорциональные камеры с катодным съемо. информации наилучшим образом отвечают требованиям, предъявляемым к мюокной системе детеэтора GEM. Они обладают уникальными характеристиками - высоким пространственным разрешением и одновременно могут работать в качестве триггерного прибора.

Основная цель работ i состояла в том, чтобы показать возможность работы пропорциональных камер с катодным съёмом информации в режиме самотрнггерирования и их исп< шзования в качестве основы для построения трековой мюонной системы. Необходимо было разработать новую конструкцию камер с использованием легких конструктн'онных материалов на базе сотовчх структур. Камеры должны были обладать высоким временным и пространственным разрешением, а также большим временем жизни. Важной задачей также являлось исследование газовых смесей для таких камер с целью улучшения временного и пространственного разрешения и уменьшения влияния эффекта Лоренца в магнитном поле.

. Научная новизна. Разработан новый метод и экспериментальная установка для измерения дрейфовой скорости электронов и угла Лоренца в газовых смесях на основе регистрации ядер отдачи, образующихся при распаде радиоактивного источника в совпадении с ос-частацами. Высокая точность измерений в сочетании с простотой конструкции делает установку удобной для задач по с днмизаиии состава смесей для газовых детекторов. С использованием этой установки получены новые данные о скоростях дрейфа и углах Лоренца в быстрых газовых смесях и предложена газовая смесь 50%СОг + 2С%Ср4 + 30%Аг, удовлетворяющая требованиям, выдвигаемым для наполнения пропорциональных камер. Разработана конструкция камер с катодным съёмом на базе легких сотовых материалов. Проведены испытания прототипов таких камер на пучках частиц, з результате которых было продемонстрировано высокое временное и пространственное разрешение камер с катодными стрипами, а также возможность создания больших детекторов на их основе.

Практическая и научная ценность. Разработан новый метод для измерения дрейфовой скорости электронов и угла Лоренца в газовых смесях, с помощью которого получены новые данные о быстрых газовых смесях. Метод позволяет быстро и с высокой точностью определять параметры

смесей для газовых детекторов и оптимизировать их состав. Кроме того, на основе данного метода можно комгролиропать значение дрейфовой скорости с высокой точностью в процессе эксперимента. Продемонстрированы достоинства новой конструкции пропорциональных камер с катодным сье-мом информации, позволяющей создание координатных детекторных систем большой площади, работающих е режиме самотриггерировапия.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (111 страниц, 63 рисунка, 2 таблицы).

Во введении раскрывается значение экспериментов на будущих кол-лайдерах для физики элементарных частиц и подчеркивается важность развития знаний о процессах, происходящих в детееторах частиц и технологии их построения для таких экспериментов. Приведены основные характеристики ускорителя Superconducting Super Collider (SSC), история создания коллаборации 6ПМ и участил ПИЯФ в проектировании мюонной системы детектора. Описаны основные физические процессы при столкновении частиц высоких энергий, приводящие к образованию мюонов и интересные с точки зрения получения информации о свойствах новых частиц, в частности, бозона Хипса. Требования, предъявляемые к камерам мюонной системы, вьпекаюгиз поставленной физической задачи.

Одним из наиболее важных каналоп распада для поиска бозона Хиггса на коллайдерах SSC или LHC является канал Н -» ZZ* -> 4/. Этот канал эффективен для поиска бозона Хиггса а диапазоне масс 130 - 800 ГэВ. Канал распада Н —> ZZ —> 4/ также может позволить обнаружить бозон Хиггса при интегральной светимости 104 pb"1 в диапазоне масс от 2mz до 600 ГэВ. Канал распада Н ZZ llvv имеет большую вероятность при массе бозона Хиггса nin ~ 800 ГэВ и характерную схему распада. Критерии отбора должны быть выбраны так, чтобы выделить два лептона с высокими поперечными импульсами р,. При этом важнейшим параметром становится пространственное разрешение мюонных камер. Каналы распада Н —> WW —> /vjj и Н -> ZZ —> //jj важны в диапазоне масс гпц ~ 800 -1000 ГэВ. Свидетельством разлада является наличие лептонной пары с высоким р, ii две изолировагные струи дтщ канала Н ~> ZZ пли одного лептона с высоким pi и также две изолированные струи для канала Н -» WW.

В первой главе описывается консгрукция коллайдерного детектора GEM. Детектор проектировался с использованием сверхпроводящего солс-нонлальноги магнита и имел в своем составе вершинную систему, электромагнитный и адропный калориметр, а также мюонную систему. Специфика работы мюонной системы на коллаидере SSC заключалась в высоком

потокс заряженных частиц при наличии большого нейтрального фона. Таким образом, скорость счета и чувствительность к нейтронам п у-квангам могли стать серьезной проблемой. Следующим специфическим условием работы мюопиой системы являлась необходимость привязки событий к нужному пакету ускоряемых частиц. В детсю оре GKM мкэопьая система должна была работать со скоростью триггера 1'" уровня и иметь »ременное разрешение ~ 3 - 4 не на станцию для получения 99% -эффективиости но воеменном интервале 16 не (время между циклами ускорения па SSC). Импульс мгоопов обычно определяется по отклонению их траектории в магнитном поле. Для получения высокой точности измерении детекторы, составляющие мюоиную систему, должны были работать в магнитном поле значительной напряженности 0.8 Тл) и обладать при этом высоким пространственным (=г 75 мкм на один слой детектора) разрешением.

Первоначально планировалось строить цилиндрическую (Barrel) мю-оипую подсистему на базе дрейфовь.х грубок как трековых приборов в комбинации е нлоскопараллсльнымн камерами с резистивпым слоем (RPC) как триггерных приборов. Торцевая (Endcap) подсистема должна была быть посгроена на базе камер с катодным съемом информации (CSC). Кроме того, существовал второй вариант построения Endcap подсистемы .--на базе дрейфовых трубок и RI'C. Перед нашим институтом стояла задача оптимизировать конструкцию камер с катодным съемом информации, состав газовой смеси и на реальном прототипе показать, насколько эти камеры' отвечают требованиям эксперимента.

Далее описываются основные принципы работы многоироволочных • пропорциональных камер с катодным съемом информации. Как и большинство других газовых детекторов, пропорциональные камеры регистрируют ионизацию, образованную в ней заряженной частицей. После прохождения частит.! в газе остается трек, состоящий из кластеров начальной ионизации. В полную ионизацию входят также электроны и ноны, полученные в результате торможения 5-электронов.

При нормальных условиях в 1 см аргона одна из двадцати минимально ионизирующих частиц дает электрон с энергией >3 кэВ, имеющий пробег >100 мкм. Хотя вероятность образования 5-электронов падает с энергией, общее их количество для всего трека может быть значительным, что ограничивает предельное пространственное разрешение пропорциональных камер с катодным съемом информации.

Пол действием электрического поля образованные н процессе ионизации электроны дрейфуют но направленно к анодным нитям. Величина дрейфовой скорости электронов в газе зависит от множества ппрамефов -ог сооава газа, давления, тсмпершуры. величины электрического поля. Выражение для дрейфовой скорости може! бы:ь получено п\ тем анализа

-б.

уравнений молекулярис-кинетичсскои теории. При движении Электрона в магнитном поле Р">н подвергается воздействию силы Лоренца е'/хВ, где V - скорость электрона. Траектория электрона в электрическом п магнитном поле имеет форму спирали, однако многократные столкновения с молекулами газа приводит (в среднем) к установлению равномерного движении - дрейфу. Скорость дрейфа зависит сложным образом от векторов Ё и В:

Г- А /i Ex В iE-В)В ,

CT

где fi ---подвижность электрона, ш- циклотронная частота, г - среднее

время между столкновениями. При ELB скорость дрейфа равна

*°='£qriv>

а угол между VD и Е (угол Лоренца) равен

tgaL - т.

Пр попадании в более высокое ноле вблизи анодной нити электроны вызывают процесс лавинной ионизации газа в непосредственной близости от поверхности анодов (-100 мкм). Движение электронов к положительных ионов образует индуцированный ток на окружающих электродах. Сигнал, регистрируемый электроникой, подключенной к аноду и катоду, образуется благодаря этому току.

Простейшая модель для расчета распределения заряда на катодной плоскости использует метод отображения зарядов. Поскольку это - типичная электростатическая задача, то она может быть решена точно, по конечные формулы достаточно сложны. Для упрощения расчетов применяются различные параметрические формулы. Чаще всего для описания распределения индуцированных зарядов на катодных стрипах используется одно-параметрическая формул.» Gatti. Это позволяет выбрать оптимальные параметры цредусииителей считывания и адиддатм обработки сигналов для достижения наилучшего пространственного разрешения. Для уменьшения числа активных стрнпов и дифференциальной нелинейности используются специальные методы, iipn этом применяется одна из трех основных схем: с резистиьным, геометрическим и емкостным делением заряда (с промежуточными стрипами). В последи»: случае усилители подключаются не к каждому стрипу, а через один или через два. При этом заряд, индуцированный на промежуточных (так называемых "плавающих") стрипах, делится между соседними активными стрипами через межириповую емкость. При оптимальном соотношении ширины стринов и емкостей между

ними можно добиться значения дифференциальной нелинейности I - 0.5% величины шага считывания.

Вторая глаза описывает метод измерения скорости дрейфа электронов и угла Лоренца и различных газах, экспериментальную установку и результаты измерений. Цепью работы в рамках исследовательской программы по созданию мюонной системы детектора GEM было нахождение газовой смеси, удовлетворяющей следующим требованиям:

1) скорость дрейфа электронов должна быть не ниже 60-80 мм/с, так как камеры должны были быть включены в триггер;

2) коэффициенты продольной и поперечной диффузии должны быть низкими;

3) угол Лоренца должен быть не выше 6-8° при рабочей для детектора индукции магнитного поля (В = 0.83Тл);

4) коэффициент газового усиления должен быть достаточно большим;

5) радиационная стойкость должна быть высокой, а скорость старения -низкой.

Кроме того, используемые газы не должны быть горючими, токсичными и очень дорогими.

Для измерения дрейфовой скорости и угла Лоренца был предложен новый метод, основанный на регистрации ядер отдачи от а-источника. Метод использует тот факт, что ядро отдачи получает достаточную кинетическую энергию для того, чтобы оторваться от поверхности подложки и попасть в чувствительный объем камеры. Вместе с тем ядра отдачи имеют небольшой (» 50 мкм) пробег в газе, поэтому ионизация, создаваемая ими, сосредоточена в непосредственной близости от поверхности а-источника. Путем регистрации а-частиц полупроводниковым детектором мы точно определяем момент образования первичных электронов от ядра отдачи, а расстояние и время дрейфа электронов строго определено геометрией камеры. Достоинством метода является высокая точность измерений, достигаемая простыми техническими средствами. Стационарные условия измерений, не требующие никаких перемещений, в значительной степени упрощают процедуру получения экспериментальных данных.

Исследования характеристик газовых смесей проводились на установке, схема которой приведена на рис. 1. На каждом из катодов специально сконструированной пропорциональной камеры с дрейфовым промежутком было установлено по одному а-источнику. Образовавшиеся от ядер отдачи первичные электроны дрейфовали к анодной нити. При внешнем запуске от а-частиц разность времен дрейфа электронов от катодов С1 и С2 до анодной нити соответствует времени дрейфа в дрейфовом мроме-

жутко, так как катод С2 и сетка О "находились на одинаковом расстоянии от анодной плоскости.

С1

01

Г

0 н

"Е

G S

ASP.P"--

aS„

С2

л

□

Старт

Г

Стол

-К

пвк

i

Старт

Стоп

ПВК

Pise. 1. Схема установки, Пунктиром обозначен дрейфовьл1. путь зпестгронов без магнитного пол.1, точками - в иагшгп'ом поле. ASpc и Д^в - смещения координат при включении поля.

При измерениях в скрещенных электрическом и магнитном нолях направление магнитного поля выбиралось таким образом, чтобы дрейфующие электроны сносились под действием сипи.,Лоренвд строго вдоль направления, параллельного анодной нити. По величине этого сноса вычислялся угол Лоренца. Координата лавины на анодной нити определялась по наведенному на катодной плоскости Наряду с помощью линии задержки. Использование двух «-источников, ус ;ановленных на разных расстояниях от анодной шпи, позволяет исключить область дрейфа электронов в неоднородном поле пропорциональной хамеры при вычислении дрейфовой скорости н утла Лоренца. В катодах С! к С2 были просверлены отверстия диаметром 0.7 мм, которые располагались напротив центральной сигеаль-ной нити, но были сдвинуты относительно друг друга вдоль нити. Отвер-егкт заклеивались медной фольгой толщиной 3 мкм. На поверхность фольги методом осаждения был нанесен сх-источник 2jPPo, период полураспада коюрогс составляет 2.9 года. При распаде ядра 70,,Ро образуется ядро отдачи с энергиям i 00 и а-частица с энергией 5.11 МэВ. а-часгицы прохо-

дят сквозь медн>то фольгу и регистрируются поверхностно-барьерными кремнеьывд! полупроводниковыми детеюорами, сигналы с которых подавались на един и тот же зход усилителя-формирователя. Выходные импульсы с усилителя использовались в качестве сигналов "'СТАРТ" в 1 ме-рениях времени дрейфа электроноз. Сигналами "СТОП" служили импульсы о анодной нити. Временное разрешение установки составляло 1.2 не (с). Временной интервал между пиками То равен времени дрейфа электронов в однородном электрическом поле дрейфового промежутка Ьц. Скорость дрейфа электронов \Уц в направлении электрического поля:

При включенном магнитном иоле, направленном перпендикулярно направлению электрическому полю в камере, дрейфующие от катодов С1 и С2 электроны под действием силы Лоренца смещаются вдоль анодрэй нити в противоположных направлениях (рис. 1). Если измерить координаты пиков при В = 0 и В * 0, то разность между смещениями электронов, дрейфующих от соответствующих катодоп и ДБ,*, равняется величине сноса электронов только в дрейфовом промежутке. Отсюда угол Лорснпа будет равен:

А.УД - А.У„( а = агсЩ---,

Б

где Ьо - дайка дрейфового промежутка.

В целом, с учетом систематических ошибок, точность абсолютных измерений скорости дрейфа оценивается на уровне -1%, угла Лоренца --0.7°. Следует отметить, что погрешность относительных измерений дрейфовой скорости существенно выше. Наличие двух узких (с 1.2 не) пиков на временном спектре позволяют контролировать дрейфовую скорость с точностью лучше 0.1%.

Для калибровочных измерений дрейфовой скорости и угла Лоренца были выбраны наиболее изученная газовая смесь 90%Аг+ 10%СН4 и чистые газы: метан и этан, для которых существуют надежные экспериментальные данные. Диапазон изменения электрического поля составлял от 0 до 4.5 кВ/см, магнитного поля - от 0 до 1.4 Тл. Результаты измерений сравнивались с. ранее опубликованными данными, точность которых составляет -2%. Хорошее согласие всех данных, полученных с использованием различных методов измерений, свидетельствует о корректности измерений. Ряд значений дрейфовых скоростей и углов Лоренца в метане и этане получен впервые.

Для подбора газовой смеси для мюонных камер измерены скорости дрейфа и угол Лоренца в чистых газач СК( и СО^. Сравнение свойств этих газов позволило сделать вывод о возможном составе смеси.

Для проверки предположений были сделаны измерения бинарных смесей: С02 + 30%CF4, С02 +50%CF„, С02 +70%СУ4. Зпаченил скорости дрейфа и угла Лоренца в данных смесях удовлетворяют вс-гм требованиям, в частности, угол Лоренца ке превышает 8° при В = 0.8 Тл. Недостатком данных смесей является тс, что необходимый коэффициент газового усиления (КГУ) ~ 5x104, г.рк котором надежно работает считывающая электроника и достигается наилучшее пространственное и временное разрешение камер с катодным съемом информации, обеспечивается при сравнительно высоком напряжении на аноде. Чтобы уменьшить высохое напряжение при том же КГУ, часть CF4 в базовой смеси 50%СОг +- 5Q%CF4 была заменена аргоном. Результаты измерений для смесей 50%COi + 30%CF^ + 20%Аг и 50%С02 + 20%CF4 + 30%Аг показали, что свойства базовой смеси изменились при этом незначительно - дрейфовая скорость осталась высокой, а угол Лоренца почти не, увеличился (рис. 2). Рабочее напряжение при этом существенно снижается, так как коэффициент Тгундсена в аргоне существенно больше, чем в CF4. Газовая смесь 50% ^Ог -г 20%CF4 4 30%Аг была рекомендована и принята коллаборацией GEM в качестве базовой для камер с катодным съемом информации.

Скоросп. лр^йфа W, мм/нкс

В - 0.» Тл

далг - ,те„(Т4 < SO'/iCO, 3.0 4,0 5,0

1,0 2 0 3.0 4,0 5,0 6,0 Электрическое поле Е,

Угол Jfopemu. грац.

Of.

I ^

[

' h

В - 0.8 Тя

2o%Ar + 3c%a:t * 5o;;co,

• 30%Лг + 20XCF. + SO/.CO,

J

___ J

6.0 7 С

10 2.0 3,0 4,0 5 0 Э.1сгтр1:чсское поле E, кВ/см

с

Рис. 2. Скорость дрейфа ч угол Лоренца в газовых, смесях 50%СС>2 + 30%СР4 + 20%Аг и 5С%С02 + 20%СР« +30%Аг

Пространственное разрешение пропорциональных камер с катодным събмом информации существенно зависит от величины и ориентации магнитного пол». Вели поле направлено перпещчхулярно пноскости пропор-

цисналъной камеры, то оно не влияет на дрейф электронов, пока направление дрейфа параллельно векгору магнитной индукции.

I ппл I \/

т

] И 1 ' | * а-часгуцы Старт

I 01 ♦ в

- п ¡в

Катпдг.ыс страны с линией задержки

1 С1 . I I пвк

У, V

Стог. |

-------

эффоктяавий угол Лоренца

X Л

а

и/

1 лХГ\

~Г

л г

Н К-

1 {

[_ ппд "]

" * т * | | |а-частипы

1 ядра отдачи

1«

Рис. 3 Схема экспериментальной установки. Пунктиром обозначен путь электронов без магшггного поля, точками - в магнитном поле.

Однако вблизи анодной нити из-за цилиндрической геометрии электрического поля направление движения электронов изменяется. Вследствие этого козникает сило Лорекца, смещающая электроны вдоль анодной нити (гак называемый ЕхВ эффект), что приводит к ухудшению пространственного разрешения камеры с катодным съемом. Данный эффект также увеш1чивае1 время дрейфа электронов до анодов камеры, что ухудшает ее временное разрешение Измерения влияния ЕхВ эффекта на параметры камеру. также проводились с помощью метода, основанного на регистрации ядер отдачи от «-источника в совпадении с а-частицами. Для измерений была сконструирована специальная пропорциональная камера с катодным съёмом с рядом точечных а.-источниксп на катоде (рис. 3). Максимальное

смещйнио вдоль анодной нити &,Ъ - ±150 мкм (для смеси 50%С02+20%Ср4+50%Аг) появляется, когца X координата а-источника находится на половине расстояния между анодными нитями. Эти смещения можно также описать, введя понятие "эффективного угла Лоренца"., определяемого как

Ф = í!/rг^{ЛZ / АЛ"),

где АХ - расстояние от а-источника до анодной нити. Эффективный угол Лоренца, характеризующий ЕхВ эффект вблизи анодной нити, очень близок к обычному углу Лоренца, измеренному при больших напряжениостях электрического поля (рис. 4). Пространственное разрешение камер с катодным съемом можно улучшить путем разворота камер и введения компенсации смещения электроноч вблизи анодной нити смещением их под дей-с зием угла Лоренца в процессе дрейфа в однородной области камеры.

Woji, град.

«ВСО^ SvlUCF

[

И

ПГТ?П

ь

SffiCO^t M%CF,+ МйАг

т

геттН'ПГ

г М I Т 1

П!

(1.00 П.Г5 0,50 С.75 1.02 1.25 С.00 0.25 O.iO 0,7л 1.0) 125 О.ОС 0,25 0.50 0,75 1.00 1,25 Координата X, мм Коордьчата X, мм Коордшта X. им

Рис. 4. Эффективный угол Лоренца, измеренный в различных смесях при индукции магнитного ноля В - 0.8 Тл. Линиями показаны резу-лыл; ..I расчетов.

Третья глава посвящена описанию принципов работы и конструкций пропорциональных камер с катодным съёмом информации, построенных на основе легких безрамных структур. Один прототип камеры с емкостным делением заряда был сконструирован в BNL при непосредственном участии физиков ГШЯФ. второй прототип аналогичной конструкции - в ПИЯФ. Исследования прототипов проводились в рамках программы подготовки детектора GEM на ускорителе SSC и впервые продемонстрировали возможность создания большой детекторной системы с высокими характеристиками на базе таких камер.

Для удобства измерений на пучке было изготовлено два блока но дее камеры в каждом. Несущую конструкцию блоков составляли нзнели из легкого сотового материала с наклеенными листами стеклотекстолита. Как показали исследования, гакая безрамная конструкция обеспечивает необходимую прочность при высокой плоскостности и малом весе. Размер активной области составлял 45x36 см". Камеры (рис. 5) имели симметричные ячейки, в которых зазор акод-катод (1 был равен шагу анодных проволок 8 (2.54 мм). Диаметр анодных нитей • ЗС мкм я камерах, изготовленных и ВМ1, и 25 мкм - в камерах, изготовленных в ПИЯФ. Шаг считываемых или активных катодных стршюв V был раве» 5.08 мм, при этом ширина их составляла 1.32 мм. Между двумя активными стрипами находилось по два "ппавающих" стрипа с. шириной 1.88 мм каждый.

Анодные нити были объединены в группы по 20 и подключены к усилителям с дискриминаторами. Сигналы с анодов использовались для изучения временных свойств камер. Газовое усиление измерялось с использованием источников ьРе я 24'Агп и а пределах 20% было одинаковым во всех камерах.

анздзые нпш

кэтодньл* стуилы

Рис. 5. Схема кауч^ы с катодньГм сьбмом информации.

В качестве рабочего газа использовалась смесь 30%Аг ь 50?оСС>2 + 20%Ср4, обладающая высокой скорасгью дрейфа и низким углом Лоренца при приемлемых усилительных свейстъах. Для считывания сигналов с катодных стрилоп прототипа, изготовленного в ВН1,, была нспользоьэпа схема с зарядочувствительным яредусилителем и усилителем-фсрмирозэте-лем АМРЬЕХ с мультиплексным выходом. Время формирования составляло 550 не. Выходные сигналы через мультиплексор записывались в промежуточный буфер и оцифровывались 10-битным пиковым амплитудно-цифровым преобразователем. Яри испэльзоьакии такой методики один преобразователь может быть использован дли записи амплитуд в 4096 каналах.

Чтобы получить пространственное разрешение <50 мкм, необходимо знать относительное значение усиления с точностью -1%. Для этого к каждому предусилителю был подключен калибровочный конденсатор. Кагсиб-

ровха усилительного тракга производилась при помощи генератора точной амплитуды, управляемого компьютером. Иа осноае полученных данных строился полином, коэффициенты которого использовались при вычислении наведенного на страны заряда.

В четверток главе описаны экспериментальные установки в ПИЯФ и ЦЕРК и результата измерений временного и пространственного разрешения камер с катодным съемом. Временное разрешение было измерено на прогонном пучке (с импульсом 1 ГэЗ/с) синхроциклотрона ПИЯФ. Конструкция усилителя-дискриминатора была разработана в ПИЯФ на базе микросхемы, изготовленной иа заводе "Дельта" (Москва). Дискриминаторы были построены по схеме с двойным дифференцированием сигнала и поэтому время их срабатывания не зависело от амплитуды импульса (в диапазоне изменений высокого напряжения на анодах камер). Временное разрешение одной камеры (в гауссовой области спектра) составило ~8 не (<т). Разрешение четырех камер, объединенных по "ИЛИ", было равно 3.6 не. Полученное разрешение позволило сделать вывод о возможности работы пропорциональных камер в режиме самогриггерирования в условиях реального эксперимента на коллайдере.

Прототип камеры, изготовленной в ВМЬ, был испытан иа пучке мюонов с импульсом 300 ГэВ/с и расхождением £2 мрад в ЦЕРН. Для определения положения трека или кластера (при измерениях с у-источником) использовались два алгоритма: ®, центра тяжести по 5 стрипам,

• отношения зарядов по 3 стрипам (один стрип с максимальным зарядом,

стрипы справа и слева). Как было установлено, первый алгоритм очень чувствителен к уровню шу-' ма, а второй - к неточностям калибровки, поэтому при очень больших значениях газового усиления оба метода дают практически одинаковые результаты, однако с целом точность второго алгоритма выше. При определении пространственного разрешения камер три камеры использовались для проведения трека, а четвертая исследовалась. Ширина распределения определялась разрешением тестовой камеры и погрешностью ожидаемого положения трека, взятых как корень квадратный из суммы квадратов. Пространственное разрешение камер принималось одинаковым, и вводился коэффициент, рзвный 0.627 для внутренних камер и 0.778 для внешних. Для перпендикулярного падения частиц получены следующие значения пространственного разрешения (наилучшее значение Стлшшлыюс и среднее значение по всем камерам еттобаиьное):

АЛГОРИТМ 0Ш|ШИ(МШ) ' Оглобалыки(мКМ)

Центр тяжести 41.4+1.2 50.2+0.3

Отношение зарядов 28.9+0.6 39,7+0.2

Угловая зависимость разрешения изучалась путем поворота к меры по отношению к пучку. В используемой геометрия разрешение наиболее зависит от угт ф, поскольку этот угол определяет проекцию трека на анодную нить. Более того, разрешение ухудшается из-за флуктуации распределения кластеров начальной ионизации вдоль трека и флуктуации числа вторичных электронов на аподе. Зависимость разрешения от угла ср может быть записана как

гдесг0 - разрешение для треков при ф = 0 и а, - вклад в разрешение из-за ненулевой проекции трека на анод. При анализе данных получено оф= 0.66 мм, что плохо согласуется с от= 0.53 мм, полученном при расчетах. Расчетные данные хорошо согласуются со значением а,= 0.50 мм, выведенным при анализе данных дня перпенд! :улярных треков. Оказалось, что данное расхождение может быть объяснено эффектом захвата электронов молекулами СЕ|, который не был учтен в расчетах. Этот газ имеет высс ое сечение захвата электронов з сильном элекгркческом поле вблизи анодной нити. Благодаря этому процессу, часть нач.шьных кластеров может исчезнуть, что увеличивает флуктуации плотности ионизации. Для того, чтобы оценить эффект захвата электронов, сравшгаались относительные ширины амплитудного спектра, полученного от источника 5"Те, измеренного в базовой газовой смеси и в смес^ 80%Аг+20%С02. В результате измерений было получено, что до 70?4 начальных электронов может быть потеряно в смеси с СБ4. При учете в расчетах этой величины получается правильное значение стФ = 0.66 мм. Факт большой вероятности захвата электронов в смесях с СР.) является недостатком смесей, поэтому количество СР.) в них можно уменьшить (по-зндимому, до 5 - 10%). Данный газ обладает свойством замедлять процессы старения, поэтому применение его в пропорциональных камерах, тем не менер оправдано.

При измерениях временных характеристик прототипа на мгаонном пучке использоватись усилители с дискриминаторам», срабатывающими по уровню, поэтому время их срабатывания зависело от амплитуды импульса, и правильное значение временного разрешения можно было получить только после соответствующей коррекции данных. Временное разрешение для всех четырех плоскостей, объединенных по "ИЛИ", составило (после коррекции) также 3.6 не (с).

Пролорционгыыше камеры, таким образом, демонстрируют возможность точного измерения координат треков и импульсов мюонов при

работе в будущих детекторах на коллайдерах.

в выаддлх сформулированы основные результаты работы.

Положения, ныиосимыс на защиту..

1 Разработан новый метод для измерения скорости дрейфа электронов и угла Лорсниа в газовых смесях на основе регистрации ядер отдачи, образующихся при распаде радиоактивного источника в совпадении с а-, частицами-. Точность измерения скорости дрейфа составляет ~i%, а угла Лоренца -0.5-1 "-при высокой ¡¡оспроизиадпмости данных. В сочетании с простотой и использовании это делает предложенный.метод очень удобным при исследовании газовых смесей для различных детекторов.

2. При помощи экспериментальной установки, использующей данный метод. измерены скорости дрейфа электронов и угол Лоренца в ряде чистых газов - СП», С02, СгНб, CF4, с целыо проверки точности метода и настройки программ по расчету дрейфовых коэффициентов. Проведены также измерения в широком диапазоне электрических и магнитных нолей в ряде газовых смесей на основе Ar и этих газов. Часть данных в магнитном поле получена м опубликована впервые! Подобранная газовая см<*сь 50%С02 + 20%CF4 +30%Аг имеет высокую скорость дрейфа электронов, низкий угол Лсренца и препятствует процессам старения в камерах и была признана оптимальной для наполнения камер с катодным съемом информации для мюонной системы детектора GEM.

3. Модификация мето/ia регистрации ядер отдачи в совпадении с а-части-цами позволила создать установку и измерить эффект смещения электронов вдоль анодной нити в магнитном поле, ориентированном.параллельно электрическому полю в камере. Рекомендации по ориентации камер торцевой мюонной системы (относительно направления магнитного поля и пучка) для компенсации этого смещения использовались при проектировании детектора GEM.

4. Разработана конструкция камер с катодным съёмом информации, позволяющая создать детекторную систему с большой площадью, и изготовлен прототип камеры с использованием легких сотовых материалов (без несущей рамы). ' ■

5. Измерено временное разрешение камер с катодимм съёмом информации на пучках мюонов и протонов. Полученные результаты (с ~ 3.6 не при обьедниешш 4 слоев) доказывают возможное 1Ь испо.п ювгшич камер в режиме самотрштериропания.

-176. Измерено пространственное разрешение камер с катодным съсмом информации на пучке мюоиов. Имеющиеся результат;.! (а ~ 40 мкм) показывают, что система на базе таких камер способна у спешно решить задачу измерения импульса мюонСт в условиях кол.чандерно: о эксперимента.

7. Результаты измерений временного м пространственного разрешения продемонстрировали возможность использования камер с катодным съёмом информации для измерения импульса мюоиов и привязки треков х отдельному циклу ускорения Без применения дополнительных триперных приборов. На основе полученных экспериментальных данных коллаборацией GEM было принято решение о построении всей мю-онной системы на базе камер с катодным сьемом информации.

Апробация, работы. Материалы, представленные в диссертации, докладывались на 7 Международной конференции по проволочным камерам (7 Wire Chamber Conference, Vienna, February 11-19, 1995), на семинарах в ПКЯФ РАН и на рабочих совещаниях международной коллаборации GEM (в 1993-1994 гг.).

Основные результаты опубликованы в работах:

1. Kiselev О., Prokofiev t'■„ Vorobyov A. Measurement of the electron drift velocities and Lorentz angles in fast gas mixtures.// Nucl. Instr. and Meth.-1995.-V.A367.-p.306-310.

2. Bencze G., Kiselev O. et. d. Position and Timing Resolution of interpolating Cathode Strip Chambers in a Test Beam.// Nucl. Instr. And Meth.-1995.-V. A357.-p.40 - 54 и preprint BNL.-CSC.-2.-1994, p.19.

3. Величко Г.Н., Воробьёв A.A., Киселёв O.A., Прокофьев О.Е. Изучение поведения камер с катодным съёмом в магнитном поле.// препринт ПИЯФ. -1974, Гатчина, 1994, с. 14 и GEM TN 1993-432, p. 11.

4. Воробьёв А.А., Киселев О.А., Прокофьев О.Е. Измерение дрейфовых скоростей электронов и углов Лоренца в быстрых газовых смесях./'/' препринт ПИЯФ. -1899, Гагчина, 1993, с. 17 и GEM TN 1993-417, р.26.

5. Бизюков А.Н.. Бондарь Н.Ф., Гусельников В.В., Волков Ю.М., Воробьёв А.А.. Зайцев В.М., Киселёв О.А., Кочен да Л.Н., Марков А.А., Мороз Ф.В., Патричев С.К., Прокофьев О.Е. Экспериментальная установка для измерения скоростей дрейфа электронов и углов Лоренца в скрещенных электрических и магнитных полях.// препринт ПИЯФ. -1897, Гатчина, 1993, с. 30.