Разработка и исследование многопроволочных пропорциональных камер с катодным съемом информации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

Глава I, РАЗВИТИЕ ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ КАМЕР

1.1. Принцип работы многопроволочной пропорциональной камеры (МПК)

1.1.1. Конструкция ШК

1.1.2. Электрическое поле в МПК

1.1.3. Возникновение сигналов в МПК

1.2. Определение координаты частицы с помощью МПК.

1.2.1. Съём информации с анодов ШК

1.2.2; Дрейфовые камеры

1.2.3. Съем информации с катодов ШК

Глава 2. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАЗРЕШЕНИЕ МНОГОПРОВОЛОЧНЫХ ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ КАМЕР С КАТОДНЫМ СЪЕМОМ ИНФОРМАЦИИ (МПККС)

2.1. Конструкция МПККС

2.2. Регистрирующая аппаратура

2.3. Экспериментальная установка

2.4. Калибровка

2.5. Предварительная обработка информации с катодов

2.6. Вычисление центра тяжести распределения заряда на катоде

2.7. Экспериментальные результаты

Глава 3. РЕГИСТРАЦИЯ ГАММА-КВАНТОВ И ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С ПОМОЩЬЮ МПККС

3.1. Экспериментальная установка

3.2. Регистрация мягких гамма-квантов и релятивистских заряженных частиц

3.3. Отношение полных зарядов, индуцированных на катодах МПККС

Глава 4. СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ

МПККС С ШИРОКИМИ СТРИПАМИ

4.1. Экспериментальная установка

4.2. Форма распределения наведенного на катоде сигнала

4.3. Систематические ошибки, возникающие при вычислении координаты частицы

Глава 5. МАГНИТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР НА ОСНОВЕ МНОГОПРОВОЛОЧНЫХ ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ КАМЕР С КАТОДНЫМ СЪЕМОМ ИНФОРМАЦИИ

5.1. Многопроволочные пропорциональные камеры с катодным съемом информации для магнитного спектрометра

5.1.1. Конструкция МПККС

5.1.2. Характеристики МПККС .J.

5.1.3. Пространственное разрешение

5.1.4. Обработка информации с катодов со стрипами шириной 6 мм

5.2. Конструкция магнитного спектрометра

5.3. Измерение магнитного поля

5.4. Определение импульса частицы с помощью магнитного спектрометра

5.5. Импульсное разрешение магнитного спектрометра.

5.6. Результаты использования МПККС в магнитном спектрометре

Глава 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛУЧКА ЧАСТИЦ КАНАЛА 6 УСКОРИТЕЛЯ ИФВЭ

6.1. Канал Jfc.,6 ускорителя ИФВЭ

6.2. Экспериментальная установка

6.3. Экспериментальные результаты

ЗАШНЕНИЕ

В настоящее время имеется значительное число экспериментов в физике высоких энергий, а также широкий круг прикладных задач, где требуется знание координаты пролетевшей частицы с очень высокой точностью. Броме того, зачастую требуется прибор, позволяющий получить вместе с хорошим пространственным разрешением также хорошее временное разрешение и малое мертвое время, возможность включения в триггер, способность работать в сильных магнитных полях, малое количество вещества в объеме детектора.

Использование таких приборов,как дрейфовые камеры или обычные многопроволочные пропорциональные камеры, не позволяет реализовать всю совокупность требований к координатным детекторам.

Перспективным направлением в создании детектора, обладающего перечисленными качествами, является разработка методики многопроволочных пропорциональных камер с катодным съемом информации, используя разбиение катодов на полоски (стрипы)которая позволяет получить пространственное разрешение,являющееся рекордным для газовых электронных детекторов.

Многопроволочные пропорциональные камеры с катодным считыванием информации сохраняют в себе все положительные качества пропорциональных счетчиков, а такие их основные свойства, как пре!фасное пространственное и временное разрешение, возможность включения в триггер, ставят эти приборы вне конкуренции при решении целого ряда задач физики высоких энергий и некоторых прикладных задач.

В результате проведенных исследований, изложенных в диссертации, впервые в нашей стране был изучен метод определения координаты частицы по центру тяжести индуцированного на катоде многопроволочной цропорциональной камеры заряда, используя разбиение катода на стрипы.

Впервые были исследованы два способа определения координаты центра тяжести индуцированного на катоде сигнала: метод средневзвешенного и метод наименьших квадратов. Использование метода наименьших квадратов для определения координаты центра тяжести позволило получить пространственное разрешение многопроволочной пропорциональной камеры с катодным съемом информации для релятивистских заряженных частиц 35 мкм, для мягких гамма-квантов 20 мкм. Полученные результаты являются наилучшими для электронных газовых детекторов, работающих при атмосферном давлении газа.

С целью удешевления прибора был разработан способ сокращения по щзайней мере в три раза числа каналов электроники за счет увеличения ширины катодных стрипов не приводящий к ухудшению пространственного разрешения црибора.

Предложен и ■ экспериментально проверен метод определения координаты частицы по трем стрипам, имеющим максимальные от

Счеты. Показано, что пространственное разрешение, достигнутое таким методом, не хуже разрешения, получаемого при использовании "в обработке информации со всех стрипов, но при этом значительно возросла скорость обработки данных и существенно сократился объем используемой машинной памяти.

Результаты исследований были использованы для создания магнитного спектрометра. Использование такого точного координатного детектора как многоцроволочные пропорциональные камеры с катодным съемом информации позволило создать дешевый и экономичный магнитный спектрометр для частиц с импульсом 1-5 ГэВ/с имеющий по сравнению с аналогичными образцами весьма небольшие размеры (3,6 м), не требующий сильных магнитных полей (рабочее поле 1,7 кГс) и обладающий импульсным разрешением лучше 1%,

При помощи магнитного спектрометра впервые проведено подробное исследование характеристик лучка вторичных частиц канала № 6 ускорителя ИФВЭ.

В представленной диссертации на защиту выносятся следующие положения:

1. Разработка методики определения координат частиц по информации, считываемой с катодов многопроволочной пропорциональной камеры, имеющих разбиение на полоски (стрипы).

2. Результаты экспериментального исследования пространственного разрешения и других характеристик многопроволочной пропорциональной камеры с катодным съемом информации.

3. Способ уменьшения числа катодных стрипов и способ увеличения скорости обработки информации с катодов многопроволочной пропорциональной камеры не приводящие к ухудшению пространственного разрешения прибора.

4. Экспериментальная установка на пуске частиц ускорителя ИФВЭ, состоящая из сцинтилляционных и черенковских счетчиков, а также магнитного спектрометра, в качестве координатного детектора которого использовались многопроволочные пропорциональные камеры с катодным съемом информации.

5. Результаты исследований характеристик пучка вторичных частиц канала № 6 ускорителя ИФВЭ.

Разработанная методика многоцроволочных пропорциональных камер с катодным съемом информации может найти широкое применение в исследованиях по ядерной физике и физике высоких энергий, а также для решения широкого крута прикладных задач.

Основные результаты работы, изложенной в диссертации, следующие.

1. Создана система многопроволочных пропорциональных камер с катодным съемом информации с цредельно высоким пространственным разрешением для исследований в области физики элементарных частиц.

Впервые разработана методика съема и обработки информации с многоцроволочной пропорциональной камеры, которая позволяет определять с предельно высокой точностью координату пролетевшей частицы путем сравнения формы распределения наведенного на катоде сигнала с его теоретическим приближением.

2. Экспериментально измерено пространственное разрешение многопроволочных пропорциональных камер с катодным съемом информации на пучке частиц ускорителя ИФВЭ. Достигнуто значение координатной точности прибора, равное 35 мкм.

Измерена точность регистрации координат гамма-квантов, которая составила 20 мкм. Полученные результаты являются наилучшими среди координатных газовых детекторов, работающих при атмосферном давлении газа.

3. Впервые исследованы факторы, влияющие на пространственное разрешение прибора при увеличении ширины катодных стрипов. В результате разработана специальная методика измерения координат частиц, которая позволила,не теряя хорошего пространственного разрешения МПККС, увеличить по 1файней мере в три раза ширину катодных стрипов и уменьшить количество электроники, при этом скорость обработки информации возросла примерно на порядок и значительно сократился объем используемой машинной памяти.

4. На базе созданных прецизионных камер с катодным съемом информации сконструирован и изготовлен специализированный магнитный спектрометр заряженных частиц. Исследовано импульсное разрешение спектрометра. В диапазоне импульсов частиц 1-5 ГэВ/с получено разрешение лучше 1%. Использование в магнитном спектрометре координатных детекторов со столь высоким пространственным разрешением позволило создать установку, обладающую высоким импульсным разрешением, имеющую небольшие размеры (длина спектрометра 3,6 м) и использующую относительно слабые магнитные поля (1,7 кГс), для которых не требуются мощные источники питания и системы водяного охлаждения магнитов.

5. С помощью магнитного спектрометра впервые проведено детальное исследование характеристик пучка вторичных частиц третьей ветки канала № 6 ускорителя ИФВЭ. Показано, что состав частиц пучка, а также импульсные спектры пучка зависят от режима работы ускорителя. Изучено импульсное разрешение адронной и позитронной составляющих лучка.

Применение магнитного спектрометра для анализа пучка частиц шестого канала ускорителя ИФВЭ позволило улучшить импульсное разрешение пучка на 1% независимо от режима работы ускорителя, что важно для проведения исследований в области физики элементарных частиц, а также для изучения характеристик различных прецизионных энергетических детекторов.

В заключение автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю - доктору физико-математических наук Долгошеину Б.А. за постановку проблемы, обсуждение результатов и практическую помощь в проведении работ, научному сотруднику Бондаренко Г,Б.,вместе с которым и с большой помощью которого были выполнены работы.

Автор ис1фенне благодарит сотрудников лаборатории, оказавших помощь при подготовке и проведении экспериментов: Коновалову В.П. за программное обеспечение экспериментов; Стифут-кину А.А. и Баскакову В.И. за участие в отдельных работах; Константинову A.M. за изготовление экспериментальной аппаратуры.

Автор также выражает благодарность: сотруднику ОНМУ ОИЯИ к.т.н. Барабашу Л.С. за помощь в изготовлении пропорциональных камер и проведении работ; сотруднику ОЭФ ИФВЭ к.ф.-м.н. Семенову В. К. за помощь в проведении экспериментов на пучке ускорителя ИФВЭ; сотрудникам ЛЭЧ ФИАН Гавриленко И.Л., Васильеву П.С., Коновалову С.П. и Муравьеву С.В. за участие в отдельных работах и обсуждение результатов; участникам эксперимента 807 (ЦЕРН) за предоставление экспериментальной аппаратуры.

ЗАКМЯЕНИЕ

1. The Nuclear Handbook, p. 359. London, 1958.

2. Charpak G., Bouclier R., Bressani Ш., Favier J., Zupan-cic С. Шае Use of Multiwire Proportional Counters to Select and Localize Charged Particles. - Nucl. Instrum. and Methods, 1968, v. 62, p. 262.

3. Erskin g.a. Electrostatic Problems in Multiwire Proportional Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1972,v. 105, p. 565.

4. Sauli F. Principles of Operation of Multiwire Proportional and Drift Chambers. - Preptint CERN 77-09, Geneva, 1977.

5. Mitra S.K. Pluse Shape in Multiwire Proportional Chambers. - SLAC-108, UG-37, 1969.

6. Gharpak G., Rahm D., Steiner S. Some Development in the Operation of Multiwire Proportional Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1970, v. 80, p. 13.

7. Bouclier R., Charpak G., Dimcovski Z., Fischer G., Sauli E., Coignet G., Flugge G. Investigation of Some Properties of Multiwire Proportional Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1970, v. 88, p. 149.

8. Merkel B. High Resolution Beam Hodoscope Using Multi-wire Proportional Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1971, v. 94, p. 573.

9. Atac M., Martin R.G. High Resolution Multiwire Proportional Chambers and a Readout System for Secondary Beam Line Instrumentation. - IEEE Trans. Nucl. Science, 1971, NS-18, № 3, p. 435.

10. Frieze W., Dhaman S., Disco A.A., Fajiardo L., Majka R., Marx J.N., Nemethy P., Sandweiss J., Slaughter A.J.

11. A High Resolution Multiwire Proportional Chamber Sistem. -Nucl. Instrum. and Methods, 1976, v. 136, рГ. 93.

12. Charpak G. Timing Properties of a Multiwire Proportional Chambers. - Annu. Rev. Nuclear Sci., 1970, v. 20, p. 195.

13. Bemporad C., Beusch W. Melissinos A.C., Schuller E., Ast-bury P., Lee J.G. Performance of a System of Proportion nal Wire Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1970, v. 80, p. 205.

14. Charpak G., Bouclier R., Bressani Т., Fjavier J., Zupan-cic C. Some Read-out Systems for Proportional Multiwire Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1968, v. 62, p. 217.

15. Crove G., Lee K., Perez-Mendez V., Sperinde J. Electromagnetic Delay Line for Proportional Wire Chambers. -Nucl. Instrum. and Methods, 1970, v. 89, p. 257.

16. Borkowski C.J., Kopp M.K. Some Application and Properties of One- and Two-Dimentional Position-Sensitive Proportional Chambers. - IEEE Trans. Nucl. Scince, 1970, NS-17, v. 3, p. 340.

17. Borkowski C.J., Kopp M.K.- Proportional Counter Photon Chamber. IEEE Trans. Nucl. Scince, 1972, NS-19, v. 3, p. 161.

18. Cheng D.C., Kozanecki W.A., Piccioni R.L., Rubbia C., Su-lak L.R., Weedon H.J., Whittaker J. Very Large Proportional Drift Chambers With High Spatial and Time Resolution. - Nucl. Instrim, and Methods, 1974, v. 117, p. 157.

19. Allison W.W., Brooks G.B., Bunch J.N., Cobb J.H., Lloyd J.L., Pleming R.W. The Identificatron of Secondary Particles by Ionisatron Sampling (ISIS). - Nucl. Instrum. and Methods, 1974, v. 119, p. 499.

20. Pabjan C.W., Lindsay J., Piuz P., Ranjard P., Rosso E., Rudge A., Serednyakov S., Willis W.J., Jensen H.B., Petersen J.O. A Drift Chamber Vertex Detector for Intersecting Storage Rings. - Huol. Instrum. and Methods, 1978, v. 156, p. 267.

21. Charpak G., Sauli P., Duinker W. High-Accuracy Drift Chambers and Their Use in Strong Mangnetic Pilds. - Nutfl. Instrum. and Methods, 1973, v. 108, p. 413.

22. Charpak G. Some Research on the Multiwire Proportional Chambers. - Труды международной конференции ло аппаратуре в физике высоких энергий, с. 86, 0ИЙИ,Д-5805,Дубна,1970.

23. Palladrno A., Sasoulet В. Application of Classical Theory of Electrons in Gases to Drift Proportional Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1975, v. 128, p. 323.

24. Charpak G., Sauli P. A Possible Solution to the Right-Left Ambiguidity in Drift Chambers. - Nucl. Instrum. and

25. Methods, 1973, v. 107, p. 371.

26. Breskin A., Charpak G., Sauli P., Atkinson M., Schultz G. Recent Observations and Measurements with High-Accuracy Drift Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1975, v.124, p. 189.

27. Заневскии Ю.В. Проволочные детекторы элементарных частиц, с. 49, М.: Атомиздат, 1978.

28. Fischer G., Plich J. The Voltage Read-out for Multiwire Proportional Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1972, v. 100, p. 515.

29. Grove R., Perez-Mendez V., Sperinde J. Improved Delay Line for Proportional Wire Chambers Read-out. - Nucl. Instrum. and Methods, 1973, v. 10S, p. 407.

30. Lee D.M., Sobottka S.E., Thiessen H.A. A Bifilar Neli-cal Multiwire Proportional Chamber for Position Sensitive Detection pf Minimum Ionizing Particles. - Nucl. Instrum. and Methods, 1972, v. 104, p. 179.

31. Lee D.M., Sobottka S.E., Thiessen H.A. Proportional Chambers with Monofilar Helical Cathodes for High Spatial Resolution. - Nucl. Instrum. and Methods, 1973, v. 109, p. 421.

32. Lacy J.L., Lindsey R.S. High-Resolution Readout of Multiwire Proportional Counters Using the Cathod-Coupled

33. Delay-Line Technigue. Nucl. Instrum. and Methods, 1974, v. 119, p. 483.

34. Groove R., Ко I., Leskovar В., Perez-Mendez V. Phaze Compensated Electromagnetic Delay Lines for Wire Chamber Readout. - Nucl. Instrum. and Methods, 1972, v. 99, p. 381.

35. Boie R.A., Fischer J., Inagaki Y., Merritt F.C., Radeka V., Rogers L.C., Xi D.M. High-Resolution Z-ray Gas Proportional Detectors With Delay Line Position Sensing for High Counting Retes. -Nucl. Instrum. and Methods, 1982, v. 201, p. 93.

36. Бондарь A.E., Онутан А.П., Панин B.C., Тельнов В.И. -Пространственное разрешение индукционных пропорциональных камер. Препринт ШФ 82-17, Новосибирск, 1982.

37. Charpak G., Rahm D., Steiner H. Some Development in the Operation of Multiwire Proportional Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1970, v. 80, p, 13.

38. Charpak G., Sauli F. High-Accuracy, Two-Dimentional Read-out in Multiwire Proportional Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1973, v. 113, p. 381.

39. Breskin A., Charpak G., Devierre C., Majewski S., Poli-carpo A., Sauli F., Stantiarol J.C. High-Accuracy, Bi-dimentional Read-out of Proportional Chambers with Short Resolution Times. - Nucl. Instrum. and Methods, 1977,v. 143, p. 29.

40. Charpak G., Demierre C., Kahn R., Stantiard J.C., Sauli F. Some Properties of Spherical Drift Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1977, v. 141, p. 449.

41. Kochelev N.I., Telnov V.I. Method of X-ray Detectionby a Proportional Chamber With High Accuracy in Both Coordinates. Nucl. Instrum. and Methods, 1978, v. 154, p. 407.

42. Charpak G., Petersen G., Policarpo A., Sauli P. Progress in High Accuracy Proportional Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1978, v. 148, p. 471.

43. Charpak G., Melchard G., Petersen G., Sauli P. High-Accuracy Localization of Minimum Ionizing Particles Using the Cafchood-Induced Chardge Centre-of-Gravity Read-out. -Nucl. Instrum. and Methods, 1979, v. 167, p. 455.

44. Charpak G., Pisher H.G., Gruhn C.R., Minten A., Sauli P., Plch G., Plugge G. Time Degeneracy of Multiwire Proportional Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1970, v. 99, p. 279.50. LeCroy Model 2248.

45. Piuz P., Roosen R., Timmermans J. Evaluation of Systematic Errors in the Avalanch Localization Along the Wire with Cathod Strips Read-out MWPC. - Nucl. Instrum. and Methods, 1982, v. 196, p. 451.

46. Соколов C.H., Силин И.Н. Нахождение минимумов функционалов методом линеаризации.-Препринт ОИЯИ Д-810,Дубна,1961.56. LeCroy Model 2249А.

47. Endo I., Kawamoto T., Mizuno Y., Ohsugi Т., Taniguchi Т., Takeshita T. Systematic Shifts of Evaluated Charge Cen-troid foil? the Cathod Read-out Multiwire Proportional Chamber. - Nucl. Instrum. and Methods, 1981, v. 188, p. 51.

48. Gatti E., Longoni A., Okuno H., Semenza P. Optimum Geometry for Strip Cathods or Grids in ШРС for Avalanche Localization Along the Anod Wires. - Nucl. Instrum. and Methods, 1979, v. 163, p. 83.

49. Алексеев Г.Д., Калинина H.A., Карпухин B.B., фуглов В.В., Хазинс Д.М. Основные характеристики самогасящегося стримерного разряда в проволочной камере. - Препринт ОИЯИ 13-80-447, Дубна, 1980.

50. Fischer J., Okuno Н., Walenta. Spatial Distribution of the Avalanche in Proportional Chambers. - Nucl. Instrum. and Methods, 1978, v. 151, p. 451.

51. Aderholz M., Lazeyras P., Lehraus I., Matthewson R., Te-jessy. High-Resolution Ionization Measurements in the Region of the Relativistic Rise. - Nucl. Instrum. and Methods, 1974, v. 118, p. 419.

52. Бахвалов Н.С. Численные методы. Часть I. Москва: Наука, 1973.