Развитие методики проволочных детекторов для исследования пион-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий

Разин, Владимир Иванович

Развитие методики проволочных детекторов для исследования пион-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Разин, Владимир Иванович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.16 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Развитие методики проволочных детекторов для исследования пион-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий»

Автореферат диссертации на тему "Развитие методики проволочных детекторов для исследования пион-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

РАЗИН Владимир Иванович

Развитие методики проволочных детекторов для исследования пион-ядерных н ядро-ядерных взаимодействий

(01.04.16 — физика ядра н элементарных частиц)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-1998

Работа выполнена в Институте ядерных исследований Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Курепин А.Б.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Болотов В.Н.

кандидат физико-математических наук Алексеев Г.Д.

Ведущая организация: Институт физики высоких энергий,

(г.Протвино, Московской обл.)

Защита состоится " 1998 г. в /у час. мин. на

заседании диссертационного совета Д003.21.01. Института ядерных исследований РАН по адресу: 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, дом 7-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯИ РАН Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Б.А.Тулупов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Многопроволочные детекторы, впервые предложенные Шарпаком более четверти века назад, в настоящее время стали одними из самых распространенных инструментов в работах по физике заряженных частиц, в том числе в области промежуточных энергий при исследовании пион-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий.

Обладая целым рядом привлекательных для экспериментаторов свойств, а именно:

1) высокая эффективность регистрации заряженных частиц;

2) высокое пространственное разрешение (0,1-1 мм);

3) малое мертвое время (20-50 нсек) и отсюда возможность работать при больших загрузках (до 106 имп/сек на проволочку);

4) малое количество вещества, образующего камеру;

5) способность работать в магнитном поле;

6) возможность измерять ионизацию;

газовые многопроволочные детекторы нашли широкую область применения.

В основу работы детекторов такого типа положено превращение ионизационных потерь заряженных частиц, проходящих через активную область газонаполненной среды, в измеряемый электрический сигнал с максимальной эффективностью и минимальным разбросом пространственной и временной информации. Используя обычную схему считывания сигнала, в многопроволочных пропорциональных камерах (МПК) трудно получить пространственное разрешение лучше 1 мм., что соответствует шагу намотки сигнальных проволок. В дрейфовых пропорциональных камерах (Д.П.К.), в которых пррртранственная координата определяется временем дрейфа следа от прошедшей частицы, пространственная точность получается на порядок величины лучше, а именно 100-150 мкм. для детекторов средних размеров. В МПК с катодным съемом информации с помощью метода считывания по центру

тяжести от наведенного заряда пространственная точность достигается равной несколькими десятками мкм., хотя при этом прибор' становится менее быстрым.

Получение высоких координатных точностей связано не только с улучшением считывающей электроники или конструкции детекторов. Многие процессы участвуют в создании физической пространственной картины в проволочных газовых детекторах, в частности, образование и распределение ионизационных кластеров, их диффузия в газовых смесях, лавинное размножение в присутствии электроотрицательных примесей и т.д. Поэтому исследование различных источников внутренних ограничений при локализации места прохождения заряженных частиц и разработка новых детектирующих систем по мере развития ускорительной техники как в сторону увеличения энергий ускоряемых частиц наряду с возможностями магнитной оптики, гак и в сторону увеличения интенсивностей потоков заряженных частиц на мезонных фабриках или коллайдерах типа ЬНС представляется одной из актуальных задач в настоящее время.

разработка и создание координатных многопроволочных детекторов в составе ядерно-физических установок, на которых проводились экспериментальные исследования процессов пион-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий с энергией частиц в несколько Гэв/нуклон при загрузках падающих частиц до 104 частиц/мм нити-сек.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Разработка и исследование характеристик МПК и ДПК в стендовых условиях и на пучках заряженных частиц для получения необходимого пространственного, временного и энергетического разрешения в экспериментах "ПИОН" (ЛЯП, Дубна) и Е-217(КЕК, Цукуба).

2. Развитие методики тренировки многопроволочных детекторов.

Основной целью диссертационной работы являлись

3. Разработка и применение блоков кассетных пропорциональных камер для экспериментов на установке "КАСПИЙ" при больших загрузках падающих протонов и пионов.

4. Оптимизация выбора газовых смесей для многопроволочных детекторов, работающих в условиях высоких загрузок.

5. Применение многопроволочных детекторов для решения задач по поиску бесфотонной аннигиляции ортопозитрония и регистрации мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергий 2-20 КэВ.

Являясь составной частью физической 'программы исследований на установках "ПИОН", "КАСПИЙ", Е-217 и др., разработанная методика многопроволочных детекторов способствовала получению впервые таких экспериментальных физических результатов, как измерение сечений рождения ж* и К* мезонов при столкновении релятивистских ядер с энергией 3,65 ГэВ/нуклон с ядрами углерода, меди и свинца; измерение выходов антипротонов при столкновении ядер углерода с ядрами меди при тех же энергиях; подпороговое рождение антипротонов в ядро' ядерных столкновениях; исследование массовой зависимости рождения антипротонов в ядро-ядерных столкновениях; исследование двухнук-лонного поглощения пионов в 4Не при 1. ГэВ/с; измерение сечений рождения каонов и пионов в р+С, д+С, С+С столкновениях как функции энергии налетающих частиц в диапазоне энергий 2,5-8,1 ГэВ/нуклон.

Прикладная цель проведенной работы была реализована в эксперименте по поиску бесфотонной аннигиляции ортопозитрония на стендовой установке в ИЯИ РАН, а также в решении задачи регистрации мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергий 2-20 КэВ на установке типа "ТОКАМАК" в ИАЭ им.Курчатова.

детекторов как в физике промежуточных энергий, так и в физике низких и высоких энергий, имеют проведенные в работе исследования различных

для развития методики многопроволочных

способов тренировки многопроволочных детекторов, а также выбора оптимального состава газовых смесей в условиях высоких загрузок. 1 .На защиту выносятся следующие основные положения:

2. Физические данные о скоростях дрейфа электронов в различных газовых смесях включены в качестве базовых данных в сборники физических констант, относящихся к методике многопроволочных детекторов.

3. Практически доказано, что метод тренировки многопроволочных детекторов на воздухе является одним из достаточно простых и эффективных способов доводки рабочих параметров многопроволочных детекторов.

4. Развитие методики многопроволочных детекторов позволило впервые выполнить несколько прикладных экспериментов, в том числе поиск бесфотонной аннигиляции ортопозитрония и мониторирование потока мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 2-20 КэВ.

Апробация работы и публикации:

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на Международных конференциях по проволочным детекторам в Вене в 1992г., в 1995г., Международном симпозиуме по координатным детекторам в физике высоких энергий в Дубне в 1988 г., опубликованы в журналах Nuclear Physics, Physics Letter В, Nucl.lnst. and Meth., Nuovo Cimento, Письма в ЖЭТФ, ПТЭ, а также в виде препринтов ОИЯИ и ИЯИ. По материалам диссертации опубликованы 22 работы.

глав, заключения. Содержит 89 страниц печатного текста, 73 рисунка, 2 е

Диссертация состоит из введения, четырех

таблицы, и библиографию, включающую 88 наименований. Полный объем -139 стр.

Во введении обоснованы актуальность, научная и практическая ценность решаемых в диссертации задач. Кратко выделены наиболее существенные черты многопроволочных детекторов, которые являются привлекательными с точки зрения решения различных ядерно-физических задач. Сформулированы цели и задачи работы. Дана краткая характеристика диссертации и основные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе, состоящей из трех разделов, проведен обзор и показаны результаты экспериментальных исследований на ядерно-физических установках, "ПИОН", "КАСПИЙ" и Е-217, созданных в ИЯИ РАН и в других научных центрах, в которых нашла развитие и применение методика многопроволочных детекторов.

Во второй главе, состоящей из трех разделов, представлены результаты методических исследований в области многопроволочных дрейфовых пропорциональных камер (ДПК), которые легли в основу создания высокоточных координатных детекторов для измерения сечений выходов протонов, пионов и каонов.

В первом разделе рассмотрены основные положения классической теории движения электронов в газе и сделаны практические выводы по их применению в ДПК.

Во втором разделе представлена методика исследования характеристик ДПК в стендовых условиях. На рис.1 показаны скорости дрейфа электронов в различных газовых смесях, полученные с источником /^-излучений . Эти данные находятся в хорошем совпадении с результатами других авторов и входят в сборник физических газовых констант, выпущенном в ЦЕРНе в 1984 г.

В третьем разделе показаны основные методические решения в области ДПК, предназначенных для физических измерений на пучках

электронов от координаты прохождения пионов в одном из блоков ДПК, изготовленных для спектрометра "КАСПИЙ".

В третьей главе в первом разделе рассмотрены основные свойства и принципиальные ограничения многопроволочных пропорциональных камер (МПК) для работы в условиях высоких загрузок согласно программы физических исследований на установке "КАСПИЙ".

Во втором разделе представлены методические исследования, связанные с тренировкой многопроволочных детекторов на воздухе. Рассмотрена физическая картина такого процесса и произведено сравнение данного метода с другими. На рис.3 показана зависимость суммарного темнового тока МПК с различной геометрией электродов от обратного напряжения на катодных плоскостях. Из хода кривых следуют такие практические выводы:

1. Предельные параметры тренировки совпадают с расчетными по формуле Пика для коронного разряда на воздухе.

2. В процессе тренировки происходит выжигание всех неоднородностей до тех пор, пока коронный разряд не начнется на самой анодной проволоке.

3. Предельная напряженность поля при тренировке на воздухе зависит только от диаметра анодной проволоки, но не от конструктивных параметров.

4.Тренировка на воздухе имеет два основных преимущества по сравнению с тренировкой в рабочей смеси. Во-первых, наличие электроотрицательного газа - кислорода приводит к отсутствию электронов вне коронирующего слоя и ужесточению условий распространения стримера, что способствует локализации коронного разряда вблизи нежелательных неоднородностей. Во-вторых, идут дополнительные химические реакции за счет атомарных газов Н, О, N, что способствует пассивации поверхности катодов камер и повышает работу выхода электрона из них.

В третьем разделе представлены методические особенности двухкоординатных пленарных пропорциональных камер, разработанных для достижения высокого импульсного разрешения в магнитном канале установки "КАСПИЙ". Такая конструкция МПК была предназначена для измерений координат и углов треков частиц на входе и выходе системы магнитного анализа в условиях высоких загрузок пионов и протонов с энергией до 1 ГэВ (до 104 частиц/нить сек). На рис.4 показана зависимость эффективности и числа кластеров от приложенного напряжения в газовой смеси Аг+20%С02+12%СН4 одной из таких камер.

Применение планарного катода снизило требования на жесткость конструкции камер, упростило процесс их изготовления и улучшило структуру электростатического поля между электродами.

Плато эффективности регистрации протонов и пионов в зависимости от приложенного напряжения составило (350-400) вольт при использовании газовой смеси Аг+20%С02+12%СН4 без гасящих добавок паров спиртов. Такая смесь устранила нежелательные эффекты дрейфа рабочего напряжения из-за конденсации паров при различных температурных колебаниях атмосферы.

Эксплуатация блоков пленарных пропорциональных камер на пучковых измерениях магнитного канала установки "КАСПИЙ" показала, что характеристики камер отличается большой стабильностью и по своим параметрам превосходят камеры с проволочными катодными плоскостями.

В четвертом разделе описана конструкция кассетных пропорциональных камер установки "КАСПИЙ", необходимость создания которых была продиктована условиями высоких загрузок (10е частиц/сек и более) и связанным с этим явлением многократным рассеянием на материале детектора, что являлось серьезным ограничением для получения хорошего пространственного разрешения МПК. С другой стороны, специфика расположения магнитных элементов установки

"КАСПИЙ" потребовала создания компактных блоков многопроволочных детекторов с возможностью их быстрой замены и юстировки.

Обычная конструкция блоков многопроволочных детекторов, основанная на компоновке камер с помощью рам и стягивающих шпилек, не удовлетворяла указанным выше требованиям в полной мере.

В диссертации представлена конструкция блока МПК, в которой применен другой способ формирования детектирующих промежутков камер, а именно кассетный.

На рис.5,6 показаны схема и фото блока кассетных пропорциональных камер с элементами юстировки на пучке. На рис.7,8 показаны зависимости эффективности регистрации Д ^-излучений с различными порогами дискриминатора, а также профиль пучка 7г+-пионов на канале "КАСПИЙ" (X, 7-координаты).

Данная конструкция полностью удовлетворила условиям детектирования интенсивных пучков протонов и пионов в зоне расположения канала "КАСПИЙ".

В четвертой главе представлены прикладные исследования многопроволочных детекторов, выполненные совместно с решением задач по физике промежуточных энергий. В первом разделе рассмотрены результаты поиска оптимального состава газовых смесей для установок с высокой светимостью при выполнении ряда противоречивых требований:

1) отсутствие сложных органических добавок из-за процессов разложения и старения;

2) взрыво и пожаробезопасность;

3) высокая чувствительность к минимально ионизирующим частицам.

На рис.9 показаны результаты измерения эффективности регистрации протонов при энергии 400 МэВ в зависимости от напряжения на анодной проволоке ДПК при различных порогах дискриминатора в одной из исследуемых смесей, содержащей 2% ксенона. На рис.10

показана зависимость скорости дрейфа электронов от длины дрейфа для двух газовых смесей.

Кривая 2 показывает, что добавка ксенона делает более стабильным поведение дрейфовой скорости вблизи анодной проволоки. Этот факт, а также газовое усиление порядка 105 без захода в область ограниченной пропорциональности в других газовых смесях с содержанием гасящей добавки на уровне 10% могут быть интерпретированы как результаты действия эффекта "охлаждения" электронов при неупругих соударениях П-го рода с атомами основного газа согласно эффекта Пеннинга. При этом низкое содержание гасящих добавок в виде пропана, этана и изобутана делает такие смеси безопасными при наполнении больших объемов детектирующих устройств.

Во втором разделе представлены результаты работы, в которой исследованы возможности использования различных двух- и трех-компонентных газовых смесей для многоканального "универсального" детектора для эксперимента по поиску гал-осцилляций и регистрации нейтринных событий на Московской мезонной фабрике ИЯИ РАН. Измерения проводились на одноканальном газоразрядном счетчике, являющемся прототипом канала регистрации этого детектора.

Проведенные исследования показали, что двухкомпонентные газовые смеси с небольшой долей гасящей добавки позволяют получить СГС-режим в цилиндрических счетчиках большой длины, повторяя соответствующие характеристики камер с проволочным катодом и тройной газовой смесью Лг+СЯ^+метилапь. Максимальный размер лавины в СГС-режиме также характерен для газовых смесей с небольшой долей гасящей добавки, что следует учитывать при выборе оптимального режима усиления при загрузках, равных 104 частиц/сек на проволоку, а также при сложных фоновых условиях в экспериментальном зале и повышенных требованиях к пожаро и взрывобезопасности.

В третьем разделе представлена МПК для монохроматора мягкого рентгеновского излучения, впервые внедренная в составе установки типа "ТОКАМАК". Проволочный детектор должен был удовлетворять ряду специфических требований:

1) спектральный диапазон регистрируемого рентгеновского излучения от 2 до 20 КэВ;

2) высокое пространственное разрешение вдоль направления поперек анодных нитей не хуже 1 мм;

3) интегрирование потока излучения вдоль анодных нитей по длине не менее 40 мм;

4) высокая чувствительность для работы в слабых потоках, где считываются отдельные кванты, при этом требовалось также обеспечить;

5) временное разрешение между импульсами не более 200 нсек;

6) энергетическое разрешение dEI Е наХ-линии излучения Tili не хуже 50%;

7) возможность работы в условиях высокого фона гамма- и нейтронного излучения.

На рис.11 представлены амплитудные спектры зарядов для источника SXR - Fe55 5,9 KeV при трех положениях пучка относительно анодной нити в газовой смеси Лг + 1%Хе+10%СН4. При смещении положения пучка относительно нити основной пик смещается в сторону меньших амплитуд, что свидетельствует о хорошем пространственном разрешении. В результате этих и других исследований было показано, что МПК способны обеспечить непрерывную информацию о координатах и энергиях регистрируемого излучения при высоких дозах облучения.

В четвертом разделе представлены результаты методической разработки пропорционального счетчика для решения экспериментальной части поиска бесфотонной аннигиляции ортопозитрония на стендовой установке в ИЯИ РАН. Конструкция счетчика должна была удовлетворять самым жестким требованиям как в отношении количества вещества на

пути частиц для уменьшения фона, так и счетных свойств при минимальном уровне шумов.

На рис. 12,13 показана схема детектора и приведены рабочие характеристики пропорционального счетчика. Кривая 1 на рис.13 представляет шумовую характеристику при закрытом ' источнике позитронов S-Na22 без стробирования сигнала, Видно, что одиночный счет находится на уровне космического фона на всем рабочем диапазоне изменения высокого напряжения. Кривая 2 представляет счетную характеристику позитронов, испускаемых S-Na22, оставляющих ионизационный слой в газовой среде счетчика, состоящей из Аг+ 15% изобутана. Начиная с напряжения 2,2 kv, счет импульсов тока становится практически постоянным при коэффициенте газового усиления на уровне 104. Небольшой подъем счетной характеристики в отсутствие строба обусловлен счетом вторичных фотонов, сопровождающих лавину при высоких коэффициентах газового усиления.

Благодаря выбранной методике регистрации ортопозитрония с минимальным вкладом пропорционального счетчика как источника шумов и потерь на пути пучка, был получен спектр энергетических потерь ортопозитрония, показанный на рис.14. В спектре хорошо разделяются низко и высокоэнергетические части. Штриховая часть спектра относится к энергетическим потерям, которые отвечали бы искомому распаду, если бы он существовал на уровне R= 1,9-Ю-3. Имея окончательный предел по относительной вероятности распада на уровне R < 5,8-Ю"4, в результате была исключена гипотеза существования искомого распада.

В заключении диссертации перечислены основные результаты:

1. Исследованы характеристики дрейфовых пропорциональных камер с помощью коллимированного источника ^-частиц, а также на пучке протонов и пионов установки "КАСПИЙ". Получено пространственное разрешение в пределах 150 мкм, что находится на уровне лучших

достижений для детекторов этого типа. Значения дрейфовой скорости в различных газовых смесях, измеренные в стендовых условиях с коллимированным источником, применяются в экспериментальных физических исследованиях в качестве табличных данных.

2. Разработан и внедрен в систему мониторирования пучка установки "КАСПИЙ" позиционно-чувствительный детектор в виде блока кассетных пропорциональных камер. Основное достоинство детектора заключается в малом количестве вещества на пути пучка в условиях высоких загрузок (более 105 частиц/проволоку). Применение данной -системы мониторирования позволило с хорошей эффективностью измерить выходы А^-мезонов, я^-мезонов при энергиях протонов первичного пучка от 3,65 ГэВ до 8,1 ГэВ, а также выходы антипротонов при тех же энергиях совместно с установкой "АРАКГ.

3. Отработана методика улучшения параметров многопроволочных детекторов с помощью ультразвуковой очистки проволочных электродов и тренировки на воздухе. Эта методика была успешно применена в процессе создания детектирующих проволочных систем различных конфигураций.

4. Выполнен ряд методических работ, связанных с исследованием характеристик газовой среды для наполнения многопроволочных детекторов при высоких дозах облучения, в том числе: "Применение ксенона в газовой смеси для дрейфовых пропорциональных камер", "Исследование характеристик самогасящегося стримерного режима", "К вопросу о механизме СГС перехода", "Выбор оптимальных газовых смесей для работы в условиях высоких загрузок". Накопленный опыт позволил выбрать оптимальный режим газового усиления в дрейфовых камерах в эксперименте Е-217 в КЕК по измерению сечений поглощения пионов с энергией 1 ГэВ/с, а также внести вклад в поиск оптимальной газовой среды для работы микростриповых газовых камер в условиях высоких загрузок.

5. Разработаны и применены в качестве базовых детекторов многопроволочные пропорциональные камеры с малым количеством вещества, низким уровнем собственных шумов и высокой чувствительностью к минимально ионизирующим частицам, что дало возможность впервые выполнить физические задачи на установке по поиску бесфотонной аннигиляции ортопозитрония в ИЯИ РАН и на установке "ТОКАМАК" в ФИАЭ им.Курчатова для регистрации рентгеновских квантов с энергией 4 КэВ.

Литература.

1. Ю.К.Гаврилов, Ф.Ф.Губер, C.J1.Голубев, В.К.Горбунов, В.А.Краснов, А.Д.Кириллов, А.Б.Курепин, В.С.Пантуев, В.И.Разин, А.И.Решетин, С.В.Кулешов, С.Н.Филиппов, М.Д.Шафранов. Измерение выходов Я*и К* мезонов при столкновении релятивистских ядер углерода с ядрами свинца и меди. Препринт ИЯИ П-0359, М.1984.

2. А.А.Балдин, А.Б.Курепин, В.С.Пантуев, В.И.Разин, А.И.Решетин, С.Н.Филиппов. Рождение 17* и К* мезонов при столкновении релятивистских ядер с энергией 3,65 ГэВ/нуклон с ядрами углерода, меди и свинца. В кн. "Мультикварковые взаимодействия и квантовая хромодинамика". Труды 7-го Межд.семинара по проблемам физики высоких энергий. Дубна, ОИЯИ, Э2-84-599, с.227, 1984.

3. А.А.Балдин, А.И.Берлев, Ю.К.Гаврилов, Ф.Ф.Губер, В.А.Краснов, А.Б.Курепин, М.А.Прохватилов, В.С.Пантуев, В.И.Разин, А.И.Решетин, С.Н.Филиппов. Измерение выходов антипротонов при столкновении ядер углерода с ядрами меди при энергии 3,65 ГэВ/нуклон. Письма в ЖЭТФ, Т.48, вып.З, с. 127, 1988.

4. A.A.Baldin, Yu.K.Gavrilov, F.F.Guber, A.B.Kurepin, V.S.Pantuev, M.A.Prokhvatilov, V.I.Razin, A.I.Reshetin, S.N.Filippov. Subtreshold antiproton production in nucleon-nucleus and nucleus-nucleus collisions. Nuclear Physics A519,p.407-412,1990.

5. A.A.Baldin, S.N.Filippov, M.B.Golubeva, T.L.Karavicheva, A.B.Kurepin, A.Yu.Nikitski, V.S.Pantuev, V.I.Razin, A.I.Reshetin, E.Chiavassa,

G.Dellacasa, N.de Marco, M.Gallio, P.Guaita, A.Musso, A.Piccottti, E.Scomparin and E.Vercellin. Mass Dependence of Antiproton Production in Nucleus-Nucleus Collisions at 3.65 GeV/Nucléon. Nuovo Cimento, 108A (1995), N2, p. 139-146.

6. T.Nagae, T.Fukuda, M.Sekimoto.T.Miyachi, P.Kitching, I.Nomura, I.Arai,

H.Kitayama, Y.Nagasaka, S.Ueno, K.Waki, K.Maeda, T.Suda, H.Matsuyama, T.Kobayashi, D.Rowentree, V.I.Razin, MA.Prohvatilov . Two-nucleon pion absorption in 4He at 1 GeV/c. Physics letters В 335 (1994) 330-333.

7. A.A.Baldin, Yu.K.Gavrilov, F.F.Guber, A.B.Kurepin, A.Yu.Nikitsky, S.V.Nikitskya, V.S.Pantuev, V.I.Razin, A.I.Reshetin, S.N.Filippov. Сечение рождения каонов и пионов в р+С, d+C и С+С столкновениях как функция энергии налетающих частиц в диапазоне энергий 2,5 - 8,1 ГэВ/нуклон. Краткие сообщения ОИЯИ, 3 [54]-92, Дубна.

8. G.S.Atoyan, S.N.Gninenko, V.I.Razin, Yu.V. Ryabov. A search for photonless annihilation of orthopositronium. Physics Letters В 220 N 1,2 (1989), p.317.

9. В.И.Разин, В.А.Вершков, К.А.Гринюк, Д.В.Портнов. Многопроволочная пропорциональная камера для монохроматора мягкого рентгеновского излучения. Препринт ИЯИ-756/92, 1992.

10. VA.Krasnov, A.B.Kurepin, V.S.Pantuev V.I.Razin. Improvement of multiwire chamber performance. Nucl.Instr. and Meth.in Phys. A321 (1992), p.505-506.

11. V.I.Razin.The choice of the optimum gas mixture for high rate wire chambers. Nucl.Instr. and Meth.in Phys. A367(1995), p.295-297.

12. Ю.К.Акимов, В.А.Краснов, А.Б.Курепин, С.И.Мерзляков, Нгуен Нгок Лам, К.О.Оганесян, Е.А.Пасюк, С.Ю.Пороховой, В.П.Пугачевич, В.И.Разин, А.И. Решетин, В.К.Тюпиков, А.А.Фещенко, В.П.Флягин. Система мониторирования пучка на пропорциональных камерах для установки "ПИОН". Препринт ОИЯИ 13-12385, Дубна, 1979.

13. В.А.Гладышев, М.Б.Голубева, О.Н.Гончаренко, В.А.Краснов, Е.А.Монич, А.Л.Проскуряков, В.И.Разин, Т.П.Филиппова, Е.Н.Матвеева. Исследования характеристик плоских KeV детекторов с оптоволоконным световодом для многослойного Л£-спектрометра заряженных частиц. Краткие сообщения ОИЯИ, 2 (48) 91, Дубна, 1991.

14. В.К.Горбунов, В.А.Краснов, А.Б.Курепин, К.О.Оганесян, С.Ю.Пороховой, В.П.Пугачевич, В.И.Разин, А.И.Решетин, Д.В.Уральский,

A.А.Фещенко, М.Д.Шафранов. Изготовление модулей дрейфовых камер для установки "ПИОН". Препринт ОИЯИ 13-12386, Дубна, 1979.

15. В.А.Краснов, А.Б.Курепин, В.И.Разин, А.И.Решетин, А.А.Руденко. Исследование характеристик дрейфовой камеры с помощью коллимированного уЭ-источника. Препринт ИЯИ П-0038, М.1976.

16. В.К.Горбунов, В.А.Краснов, А.Б.Курепин, К.О.Оганесян, В.С.Пантуев,

B.И.Разин, А.И.Решетин. Пространственное и энергетическое разрешение дрейфовой камеры. Препринт ИЯИ П-0103, М.1978.

17. В.А.Краснов, А.Б.Курепин, К.О.Оганесян, С.Ю.Пороховой, В.И.Разин, Ультразвуковая очистка электродов проволочных камер. ПТЭ№ 1,с.67, 1980.

18. В.С.Пантуев, В.И.Разин. Тренировка многопроволочных детекторов на воздухе. Препринт ИЯИ П-0571, М.1987.

19. А.А.Балдин, Ю.К.Гавридов, А.Б.Курепин, В.С.Пантуев, В.И.Разин,

C.Н.Филиппов. Блок кассетных пропорциональных камер. Препринт ИЯИ П-0572, М.1987.

20. В.К.Горбунов, В.А.Краснов, А.Б.Курепин, К.О.Оганесян, В.И.Разин, А.И.Решетин. Применение ксенона в газовой смеси для дрейфовых пропорциональных камер. ПТЭ№1,с.44, 1981.

21. Е.А.Монич, А.Л.Проскуряков, В.И.Разин, И.В.Секачев. Исследование характеристик ограниченного стримерного режима работы цилиндрического газоразрядного детектора. Препринт ИЯИ П-0416, М.1985.

22. В.И.Разин. К вопросу о механизме СГС перехода. Препринт ИЯИ -0855, М.1994.

Рис. 1 Скорость дрейфа электронов в зависимости от величины Е/р для различных газовых смесей

Рис.2. Зависимость времени дрейфа электронов от координаты прохождения пионов на канале "КАСПИИ"

Рис.3. Зависимость суммарного темпового тона пропорциональных камер на воздухе от обратного и на катодных плоскостях, (аналогично рис.37): кривая 1 — до тренировки, кривая 2 — после тренировки.

Рис.4. Зависимость эффективности камеры и числа кластеров от приложенного напряжения Ц = —3,2 кВ в газовой смеси Аг+20%С02 +12%СН4:

кривая 1 — для протонов, кривая 2 — для пионов,

кривая 3 — двойные кластеры, кривая 4 — тройные кластеры

Рис.6. Фото блока кассетных пропорциональных камер с элементами юстировки на пучке

е%

100 90

во

70 60 £0 40 30 20 10 О

£ (отрог 1мкА) р,ртсрсгзтА) ТТ- (порогЗнкА) к"*-25% I-путана

25 27 2i 29 10 3.1 32 3.3 ЗЛ 15 3£ 17 ДЗ 39 -ЫК.КУ

Рис.7. Зависимость эффективности регистрации р, излучений с различными порогами дискриминатора

АЫ ш я» ¡по «в «о ззо

300 250

15а кю я> о

А/саГ. 600 550 500 «50

400

350 300 250 200 150 <00 50

. о:

5 №15 20 23 ЗО&М'ЯЗ) ¡5 60 Х 2 N капот

0 15 го 25 30 ЛЗ 40 ьз

У2

50 51 «О Ыкомло

Рис.8. Профиль пучка 7С+-пионов на канале "КАСПИЙ" (X, У — координаты)

Рис.9. Эффективность регистрации протонов при энергии 400 МэВ в зависимости от напряжения на анодной проволоке при различных порогах дискриминатора

1- Аг+20я;СОг+1,авСгН5ОН

2- Аг+20жС02+2%Хе

Г-ГТ-П 2

8 10

гг-п 12

|| | II I|| I I | 1

14- 16 18

Рис.10. Скорость дрейфа в зависимости от длины дрейфа для двух газовых смесей;

кривая 1 — без ксенона, кривая 2 — с 2% ксенона.

Spsctre l'om Ft-SXR »эигсе for WWP eham&sr m dffenjïrïst la bsqm Qffsft rîlatiVly to noode wiri

Pire. 11 Амплитудные спектры зарядов для источника SXR-Fe55 5,9 кэВ при трех положениях пучка относительно анодной нити

Рис. 12. Пропорциональный счетчик для регистрации позитронов Условные обозначения:

1 — кольцо корпуса верхнее, 2 — кольцо корпуса нижнее, 3 — ниппель, 4 — катода (Майлар 10 мкм с графитом), 5 — анод (Аи\У, 0 20 мкм), 6 — провод высоковольтный

Ысчета^ги.

«4ь

10'

Аг+15Х1-С4НИ 4- шымы 2-ПОЗИТРОНЫ

1.9

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

2,5

Рис. 13. Счетная характеристика пропорционального счетчика

Отечатано прямым репродуцированием с оригинала, представленного автором

Ф-т 60x84/16 Уч.-изд.л. 1,5 Заказ №20174 Тираж 100 экз. Бесплатно

Издательский отдел Института ядерных исследований РАН Москва, проспект 60-летня Октября, 7а

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Разин, Владимир Иванович, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

РАЗИН Владимир Иванович

РАЗВИТИЕ МЕТОДИКИ ПРОВОЛОЧНЫХ ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПИОН-ЯДЕРНЫХ И ЯДРО-ЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ( 01.04.16. - физика ядра и элементарных частиц)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат.наук, профессор А.Б.Курепин

Москва - 1998

О ГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................... 4

Глава 1. ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ, СОЗДАННЫЕ

В ЛАБОРАТОРИИ МЕЗОЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ИЯИ РАН И ДРУГИХ НАУЧНЫХ ЦЕНТРАХ, В КОТОРЫХ НАШЛА РАЗВИТИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКА МНОГОПРОВОЛОЧНЫХ ДЕТЕКТОРОВ. . 10

1.1. Установка "ПИОН" в ЛЯП ОИЯИ................... 10

1.2. Установка "КАСПИЙ" в ЛВЭ ОИЯИ.................. 16

1.3. Установка Е-217 в КЕК ( Цукуба ).................. 19

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДРЕЙФОВЫХ ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ КАМЕР ( ДПК ) С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ В СПЕКТРОМЕТРАХ "ПИОН" И "КАСПИЙ"...................................... 25

2.1. Представление характеристик ДПК с помощью классической теории движения электронов в газах......... 25

2.2. Исследование характеристик ДПК с помощью коллими-рованного /?- источника........................... 42

2.3. Исследование и испытание блоков ДПК для установок "ПИОН" и "КАСПИЙ"............................. 59

Глава 3. РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОПРОВОЛОЧНЫХ ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ КАМЕР ( МПК ) ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКА ПРОТОНОВ И СЕЧЕНИЙ ВЫХОДОВ ПИОНОВ, КАОНОВ И АНТИПРОТОНОВ НА УСТАНОВКЕ "КАСПИЙ"........................... 67

3.1. Основные свойства и принципиальные ограничения

МПК, работающих в условиях высоких загрузок............68

3.2. Тренировка многопроволочных детекторов на воздухе. . 71

3.3. Планарные пропорциональные камеры установки "КАСПИЙ"..............................................................................81

3.4. Кассетные пропорциональные камеры установки "КАСПИЙ"............................................................................87

Глава. 4. ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА БАЗЕ МНОГОПРОВОЛОЧНЫХ ДЕТЕКТОРОВ, ВЫПОЛНЕННЫЕ СОВМЕСТНО С РЕШЕНИЕМ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ЭНЕРГИЙ........................................95

4.1. Выбор газовой смеси для многопроволочных детекторов, работающих в условиях высоких загрузок. . . 95

4.2. Исследование характеристик ограниченного стримерного режима работы цилиндрического газоразрядного детектора. .102

4.3. Многопроволочная пропорциональная камера для моно-хроматора мягкого рентгеновского излучения..........112

4.4. Пропорциональный счетчик для поиска бесфотонной аннигиляции ортопозитрония........................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................131

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................135

Введение.

Многопроволочные детекторы, впервые предложенные Шарпаком и др. более четверти века назад [1], в настоящее время стали одними из самых распространенных инструментов в исследованиях по физике заряженных частиц, в том числе в области промежуточных энергий при рассмотрении пион-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий.

Обладая целым рядом привлекательных для экспериментаторов качеств, а именно [2]:

1) постоянная чувствительность;

2) высокое пространственное разрешение (0,1-1 мм);

3) высокое временное разрешение (20-50 нсек), следовательно, малое мертвое время и отсюда возможность работать при больших загрузках (до 106 имп/сек на проволочку);

4) малое количество вещества, образующего камеру;

5) способность работать в магнитном поле;

6) возможность измерять ионизацию;

газовые многопроволочные детекторы нашли широкую область применения:

а) использование на первичных пучках (мониторирование, определение профиля пучка, настройка пучков, точное определение направления первичной частицы). Для этих целей используются, как правило, камеры небольших размеров [до (15x15) см2] с небольшим числом проволочек (до 60);

б) измерение пространственного или углового распределения заряженных частиц в больших спектрометрах с высоким разрешением. Здесь применяются камеры средних размеров [(50x50) см2];

в) в установках с большим телесным углом для детектирования вторичных частиц. Для этих установок создаются большие и сложные

системы, состоящие из многих камер, причем, размеры самих камер достигают величины более 5-ти метров;

г) детектирование частиц в фокальной плоскости магнитных спектрометров. Здесь применяются специальные камеры, учитывающие форму полюсов магнитов и обеспечивающие высокое пространственное разрешение.

В основу работы детекторов такого типа положено превращение ионизационного эффекта заряженных частиц, проходящих через активную область газонаполненной среды, в измеряемый электрический сигнал с максимальной эффективностью и минимальным разбросом пространственной и временной информации. Используя обычную схему считывания сигнала, в многопроволочных пропорциональных камерах (МПК) трудно получить пространственное разрешение лучше 1 мм., что соответствует шагу намотки сигнальных проволок. В многопроволочных дрейфовых камерах (МДК), в которых пространственная координата определяется временем дрейфа следа от прошедшей частицы, пространственная точность получается на порядок величины лучше, а именно 100-150 мкм. для детекторов средних размеров. В МПК с катодным съемом информации с помощью метода считывания по центру тяжести от наведенного заряда пространственная точность достигается равной несколькими десятками мкм., хотя при этом прибор становится менее быстрым. Получение высоких координатных точностей связано не только с улучшением считывающей электроники или конструкции детекторов. Многие процессы участвуют в создании физической пространственной картины в проволочных газовых детекторах, в частности, образование и распределение ионизационных кластеров, их диффузия в газовых смесях, лавинное размножение в присутствии электроотрицательных примесей и т.д.

Поэтому исследование различных источников внутренних ограничений в локализации места прохождения заряженных частиц и

разработка новых детектирующих систем по мере развития ускорительной техники как в сторону увеличения энергий ускоряемых частиц наряду с возможностями магнитной оптики, так и в сторону увеличения интенсивностей потоков заряженных частиц на мезонных фабриках или коллайдерах типа ШС представляется одной из актуальных задач в настоящее время.

Основной целью диссертационной работы являлось создание координатных многопроволочных детекторов в составе ядерно-физических установок, на которых проводились экспериментальные исследования процессов пион-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий с энергией частиц в несколько Гэв/нуклон при загрузках падающих частиц до 104 частиц/мм нити-сек.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Разработка и исследование характеристик МПК и МДК в стендовых условиях и на пучках заряженных частиц для получения необходимого пространственного, временного и энергетического разрешения в экспериментах "ПИОН" (ЛЯП, Дубна) и Е-217 (КЕК, Цукуба).

2. Развитие методики тренировки многопроволочных детекторов.

Апробация и публикации.

Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на Международных конференциях по проволочным детекторам в Вене в 1992 г., в 1995 г., Международном симпозиуме по координатным детек-

торам в физике высоких энергий в Дубне в 1988 г., опубликованы в журналах Nuclear Physics, Physics Letters В, Nucl.Instr.Meth., Nuovo Cimento, Письма в ЖЭТФ, ПТЭ, а также в виде препринтов ОИЯИ и ИЯИ. По материалам диссертации опубликовано 22 работы [3],[4],[5],[6],[7],[8],[9], [Ю],[11],[12],[13]5[1731[20],[213,[30],[31]Д4Т],[51],[553,[65],[743>[7Т].

Научная новизна диссертационной работы.

Являясь составной частью физической программы исследований на установках "ПИОН", "КАСПИЙ", Е-217 и др., разработанная методика многопроволочных детекторов способствовала получению впервые таких экспериментальных физических результатов, как измерение сечений рождения тг и мезонов при столкновении релятивистских ядер с энергией 3,65 ГэВ/нуклон с ядрами углерода, меди и свинца [3-4]; измерение выходов антипротонов при столкновении ядер углерода с ядрами меди при энергии 3,65 ГэВ/нуклон [5]; подпороговое рождение антипротонов в ядро-ядерных столкновениях [6]; исследование массовой зависимости рождения антипротонов в ядро-ядерных столкновениях при 3,65 ГэВ/нуклон [7]; исследование двухядерного поглощения пионов в 4Не при 1 ГэВ/с [8]; измерены сечения рождения каонов и пионов в р+С, d+C, С+С столкновениях как функция энергии налетающих частиц в диапазоне энергий 2,5-8,1 ГэВ/нуклон [9].

Прикладная цель проведенной работы была реализована в эксперименте по поиску бесфотонной аннигиляции ортопозитрония на стендовой установке в ИЯИ РАН [10], а также в решении задачи регистрации мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергий 2-20 КэВ на установке типа "ТОКАМАК" в ИАЭ им.Курчатова [11].

Практическую ценность для развития методики многопроволочных детекторов как в физике промежуточных энергий, так и в физике низких и высоких энергий, имеют проведенные в работе исследования различных способов тренировки многопроволочных детекторов [12], а также выбора оптимального состава газовых смесей в условиях высоких загрузок [13].

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения (139 стр. печатного текста, 73 рис. и 2"х таблиц).

В первой главе, состоящей из трех разделов, проведен обзор и показаны результаты экспериментальных исследований на ядерно-физических установках, созданных в ИЯИ РАН и в других научных центрах, в которых нашла развитие и применение методика многопроволочных детекторов.

Во второй главе, состоящей из трех разделов, представлены методические исследования в области многопроволочных дрейфовых камер (МДК), которые легли в основу создания высокоточных координатных детекторов для измерений сечений выходов протонов, пионов и каонов.

В третьей главе, состоящей из четырех разделов, представлены методические решения, которые легли в основу разработки и применения многопроволочных пропорциональных камер (МПК) для измерения параметров пучка протонов и сечений выходов пионов, каонов и антипротонов.

В четвертой главе, состоящей из четырех разделов, представлены результаты методических исследований по выбору газовых смесей для многопроволочных детекторов, работающих в условиях высоких загрузок, рассмотрены некоторые аспекты природы ограниченного стримерного режима, изложены результаты применения многопроволочной пропорциональной камеры для регистрации мягкого рентгеновского излучения, а

также изложена методика поиска бесфотонной аннигиляции ортопо-зитрония на основе многонитяного пропорционального счетчика.

В заключении изложены перспективы развития методики многопроволочных детекторов и сформулированы основные выводы диссертации.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Предложенные в диссертации методические разработки многопроволочных координатных детекторов в составе ядерно-физических установок позволили получить новые физические данные о сечении рождения 7Г, /г-мезонов при столкновении релятивистских ядер с энергией 3,65 ГэВ/нуклон с ядрами углерода, меди и свинца; измерить выходы антипротонов при столкновении ядер углерода с ядрами меди при энергии 3,65 ГэВ/нуклон; исследовать подпороговое рождение антипротонов в ядро-ядерных соударениях; исследовать массовую зависимость рождения антипротонов в ядро-ядерных столкновениях при 3,65 ГэВ/нуклон; исследовать двухядерное поглощение пионов в 4Не при 1 ГэВ/с, измерить сечения рождения каонов и пионов в р+С, б+С, С+С столкновениях как функцию энергии налетающих частиц в диапазоне энергий 2,5-8,1 ГэВ/нуклон.

Глава 1. Ядерно-физические установки, созданные в лаборатории мезоядерных взаимодействий ИЯИ РАН и других научных центрах, в которых нашла развитие и применение методика проволочных детекторов.

1.1. Установка "ПИОН" в ЛЯП ОИЯИ.

Интерес к экспериментальному исследованию мезоядерных взаимодействий определяется как наличием экспериментальных возможностей в связи с запуском мезонных фабрик, в том числе Московской мезонной фабрики, так и с пониманием роли пионов или каонов как пробных частиц. Например, наличие каналов и спектрометров пионов высокого разрешения позволяет исследовать взаимодействие пионов с достаточно тяжелыми ядрами с возможностью разрешения отдельных уровней ядра от самых низких энергий величиной в несколько десятков мегаэлектронвольт до энергии порядка 1 ГэВ. Условно энергетический диапазон, в котором исследуется взаимодействие пионов с ядрами можно разделить на три части [14]: область низких энергий с Ел<100 МэВ;

область энергий пионов в районе /4-резонанса с 100<Ете<300 МэВ; область относительно высоких энергий пионов с 300<ЕЯ<1000 МэВ.

Программа исследований на установке "ПИОН" осуществлялась на протонном пучке синхроциклотрона ЛЯП ОИЯИ и включала в себя изучение процессов рождения пионов в соударениях нуклонов с ядрами в качестве основного источника информации о механизме пион-ядерного взаимодействия и о структуре ядра. Для регистрации пионов были использованы сцинтилляционный время-пролетный спектрометр [15], спектрометр полного поглощения [16], система мониторирования пучка на базе многопроволочных пропорциональных камер [17], разработанные в ЛЯП ОИЯИ совместно с ИЯИ РАН по программе "ПИОН".

Программа исследований предусматривала получение отсутствующих данных как по когерентному, так и по инклюзивному рождению пионов в интервале энергий падающих протонов 200-350 МэВ, что также имело прикладные цели по определению возможных интенсивностей низкоэнергетичных пучков пионов и их спектральный состав при использовании для генерации пионов в сильноточных ускорителях с более низкой энергией. Разработанные детектирующие устройства позволили регистрировать и спектрометрировать лг-мезоны с энергиями до 100 МэВ.

Схема эксперимента представлена на рис.1.

Выведенный пучок протонов синхроциклотрона с энергией 650 МэВ замедлялся с помощью углеродных фильтров до требуемой в эксперименте энергии. Для получения пучков протонов с энергиями от 240 до 500 МэВ в условиях проведенных измерений толщина углеродного замедлителя (/>=1,8 г/см2) изменялась от 86 до 36 см. соответственно. После замедления пучок протонов проходил через отклоняющий магнит, стальной коллиматор в четырехметровой бетонной стене и попадал в экспериментальный зал. Юстировка первичного пучка относительно оси входного в магнит коллиматора проводилась с помощью специальных выводных магнитных линз (на рис. 1 не показаны) и контролировалась путем облучения располагаемых перед коллиматором фотопластин. Отклоняющий магнит также служил в качестве дополнительного импульсного анализатора, очищая пучок от посторонних частиц (главным образом, электронов, пионов и дейтронов). Так, например, при установленном импульсе =700 МэВ/с (ТР=240 МэВ) примесь в пучке ;г-мезонов и других более мелких частиц полностью отсутствовала, а примесь дейтронов с энергией 130 МэВ составляла пренебрежимо малую величину.

Отклоняющий магнит

( / Регистрирующая электроника

ЭВМ НР-2116С И

Тр = 240-500 МэВ

Рис.1 Блок-схема экспериментальной установки бля изучения рождения тт+-мезоноБ на ябрах при энергии протоноБ 2^0-500 МэВ.

После прохождения системы фокусирующих магнитных линз пучок протонов попадал на ми