Детектор заряженных частиц

(19) 01) 01 Л 49 4 Т 1/ ГО САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТЕЛЬСТВУ ВТОРСНОМУ АРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1.А 1 йашап А.1. ей а 1 "Н 3.д 11епегяу рагг.с 1 е ддеп 12 сагьоп Ьушеапз оЕ х-гау, СгапеС 1 оп гад 1 а 11 оп(54)(57) 1. ДЕТЕКТОР ЗАРЯЖЕННЫХЧАСТИЦ, содержащий рабочую среду,имеющую толщину, обеспечивающуюотсутствие эффекта плотности вней, и регистратор вторичных излучений, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью определения координат регистрируемых частиц, а такжеповьппения эффективности регистрациипри детектировании ультрарелятивистских частиц с одновременным определением их Лоренц-Фактора в областиего значений10 , он содержитрасположенные концентрично друготносительно друга магнитную иаксиально-симметричную электроннофокусирующие системы, регистратор вторичных излучений выбран с позиционно-чувствительным элементом, расположенным перпендикулярно оси фокусирующих систем, а рабочая среда представляет собой пористый эмиссионный слой, выполненный из негигроскопического диэлектрика, расположенный параллельно позиционно-чувствительному элементу регистратора, и помещена между двумя электродами, подключенными к делителю напряжений, причем пористый диэлектрический слой и позиционно- чувствительный элемент регистратора расположены по ходу детектируемых частиц.2. Детектор по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, позиционно-чувствительный элемент регистратора вторичных излучений выполнен в виде двусторонней мишени с накоплением заряда, а регистратор состоит из системы формирования узкоаппертурного электронного луча, отклоняющей системы, вторичного элек тронного умножителя обратного тока сканирующего луча, коллектор которого подключен к сопротивлению нагрузки.40 45 50 55 Изобретение относится к технике эксперимента физики элементарных частиц и атомного ядра, в частности к устройствам детектирования и идентификации заряженных частиц и спектрометрии ионизирующих излучений высоких энергий. Оно может найти применение при решении широкого круга задач как в физике космических лучей, так и при постановке экспериментов на ускорителях высоких энергий, для определения Лоренц-фактораультрарелятивистских заряженных частиц с) 10 и координат детектируемых частиц в широком диапазоне их энергий.Известны устройства для определения Лоренц-фактора ультрарелятивистских заряженных частиц, состоящие из радиаторов переходного излучения и его регистраторов Я , В таких устройствах о величине Лоренц-фактора частиц судят по интенсивности фотонов переходного излучения, регистрируемых известными счетчиками.Однако детекторы переходного излучения не позволяют определять координат регистрируемых частиц, а припорядка 10 - 10 испольбзование их весьма затрудняется, так как сильно возрастают зоны формирования излучения в вакууме и в веществе 2. Это приводит к тому, что общая толщина пластин радиатора приближается к радиационной единице длины, не говоря о том, что увеличивается число вакуумных отсеков установки и, как следствие, усложняется ее конструкция.Наиболее близким к заявляемому является детектор заряженных частиц содержащий рабочую среду, имеющую толщину, обеспечивающую отсутствие эффекта плотности в ней и регистратор вторичных излучений 31 . Известное устройство позволяет определять Лоренц-фактор ультра релятивистских заряженных частиц при10 , основано на отсутствии эффекта плотности в тонких средах. Оно представляет собой вакуумную камеру с входным для детектируемых частиц окном, в которой расположена тонкая сцинтиллирующая мишень, оптически связанная с находящимся вне камеры фотоумножителем. В таком 5 10 15 20 25 30 35 устройстве для определенияиспользуют тот факт, что при толщинах пльастического сцинтиллятора меньше 10 см имеет место логарифмический рост потерь энергии в зависимости отрегистрируемой частицы. Исследуемую частицу пропускаютчерез сцинтилляционную мишень,толщина которой обеспечивает отсутствие эффекта плотности, и изме-ряют фотоумножителем интенсивностьизлучения среды, зависящую от энергетических потерь на столкновения.Однако потери энергии в стольтонкой пленке по абсолютной вели),чине очень малы, что обуславливаетнизкую эффективность регистрациичастиц. Так минимально ионизирующий релятивистский электрон с энергией 4 0,7 мэВ, проходя черезтакую пленку, образует в ней - 0,3электрона. В связи с этим описываемый детектор не получил практического применения. Кроме того 1 и внем, как и в описанных аналогах,не представляется возможным измерение координат частицы.Цель изобретения - определениекоординат регистрируемых частиц,а также повышение эффективностирегистрации при детектированииультрарелятивистских заряженныхчастиц с одновременным определениемих Лоренц-фактора в области егозначений ) 101,Поставленная цель достигается тем, что в детекторе заряженных частиц, содержащем рабочую среду, имеющую толщину, обеспечивающую отсутствие эффекта плотностей в ней, и регистратор вторичных излучений, регистратор вторичных излучений выбран с позиционно-чувствительным элементом, расположенным перпендикулярно оси фокусирующих систем,а рабочая среда представляет собой пористый эмиссионный слой, выполненный из негигроскопичного диэлектрика, расположенный параллельно позиционно-чувствительному элементу регистратора и помещена между двумя электродами с высоким коэффициентом прозрачности, подключенными к делителю напряжений, причем пористый диэлектрический слой и позиционно-чувствительный элемент регистратора расположены по ходу детектируемых частиц35 40 45 50 55 а также тем, что позиционно-чувствительный элемент регистратора вторичных излучений выполнен в виде двусторонней мишени с накоп" лением заряда, а регистратор состоит из системы формирования узкоаппертурного электронного луча, отклоняющей системы, вторичного электронного умножителя обратного тока сканирующего луча, коллектор которого подключен к сопротивлению нагрузки.Цель реализуется за счет совместного применения негигроскопичных пористйх диэлектрических слоев (например, окиси магния или криолита), помещенных в сильное электростатическое поле (10 - 10 В/см) с4 6 толщиной обеспечивающей отсутствие эффекта плотности в ней (10 см при плотности слоя 0,7 - 2 Е относительно его нормальной плотности), и позиционно чувствительного элемента с накоплением заряда, на который осуществляется параллельный электронный. перенос области ионизации слоя, с последующим сканированием его поверхности узкоаппертурным электронным лучом. Принцип работы предлагаемого устройства основан на том, что при прохождении ионизирующей частицы через рабочую среду, толщина которой обеспечивает отсутствие эффекта плотности в ней, радиус области ионизации частицы линейно зависит от ее Лоренц- фактора:= -где 0 - ионизационный радиус полязаряда частицы,С - скорость света,- Лоренц-фактор детектируемой частицы;И - средняя атомная частота. Причем припорядка 10,становится порядка сантиметра. Лорис" тые диэлектрические слои толщиной ( 100 мкм и плотностью 0,7-27 относительно нормальной плотности, содержащие Ф 10 г/см вещества на пути частицы удовлетворяют условию отсутствия в них эффекта плотности, а помещение их в сильное электростатическое поле ( л 10 10 В/см) позволяет увеличить число эмиссионных электронов ( й в 100 раз) приходящихся на одну прошедшую через такой слой релятивистскую части 5 1 О 15 20 25 30 цу за счет уменьшения поглощенияэлектронов первичной ионизации иускорения и размножения их в порах диэлектрика. Временные отметчики на основе таких слоев регистри вруют факт прохождения релятивистскихминимально ионизирующих частиц сдостаточно высокой эффективностью( = 65 .). Однако пористые диэлектрические слои на основе таких веществкак, например, КС 1 или КВ в силу их гигроскопичности сильно ухудшают свои эмиссионные свойствасо временем, что обуславливаеттехнические трудности, возникающиепри их использовании, в то времякак слои из негигроскопичных веществ (МО, криолит) таких трудностей не вызывают. Таким образом,детектируемая частица, проходя через указанный слой, вызывает вторичную, усиленную полем, электронную эмиссию слоя из области, радиус которой линейно зависит отЛоренц-фактора частицы, и остается лишь, не допустив "размытия"такого "изображения" (с минимальными абберациями), определить его радиус и центрПо значению первогоможно судить о величине Лоренц-фактора частицы, а второй соответствует ее координате.На чертеже показан предлагаемыйдетектор в разрезе,Детектор состоит из стеклянного вакуумированного баллона 1, внутренняя торцовая поверхность 2 которого покрыта тонкой алюминиевой подложкой 3 с нанесенным на нее рыхлым негигроскопичным диэлектрическим слоем 4 (например, ИО или криолита) толщиной в 100 мкм и плотностью относительно нормальной 0,7 - 2 Х. На расстоянии 400 мкм от поверхности слоя вдоль оси детектора расположена мелкоструктурная сетка 5 с высоким коэффициентом прозрачности (л 907), за которой на расстоянии 50 мкм находится мишень 6, представляющая собой полупроводящую стеклян ную пленку толщиной 5 мкм. Между слоем 4 и сеткой 5 расположен фокусирующий цилиндрический электрод 7, а по другую сторону от мишени 6-тормозящий электрод 8, имеющий также цилиндрическую форму. На противоположном конце баллона 1расположен электронный прожектор,50382 Ь12 соответственно равны и составляютпримерно +200 В, Третий анод 13прожектора находится под потенциаломпорядка (20 - 25)В.Детектор работает следующим образом. 10 15 20 25 30 35 50 5 10 состоящий из катода 9 модулятора 10 и трех цилиндрических анодов 11, 12 и 13 соответственно (первый, второй и третий аноды), расположенных вдоль оси детектора, причем первый анод 11, одновременно является и аппертурой прожектора и первым динодом вторично-эпектронного умножителя 14, расположенного вокруг прожектора. Выходной сигнал детектора снимается с коллектора 15 умножителя 14, Вне баллона 1 на одной оси с ним расположены катушки 16, 17 и 18 соответственно. Катушка 16 создает в объеме детектора однородное магнитное поле, обеспечивающее совместно с ускоряющим электростатическим полем, образованным электродом 7, фокусировку электронно го изображения слоя 4 на мишень 6, Кроме того, поле этой катушки 16 совместно с полем третьего анода 13 прожектора обеспечивает фокусировку считывающего электронного пучка 19. Последний отклоняется по закону, например, телевизионной развертки, двумя парами отклоняющих катушек 17. Пара корректирующих катушек 18 создает поперечное магнит ное поле, предназначенное для корректирования траектории считывающего пучка 19 при движении его в продольном фокусирующем магнитном поле, образованном катушкой 16, Это необходимо для обеспечения нормаль,ного падения считывающего пучка 19 на мишень 6 при любом его положении, Распределение потенциалов на электродах детектора определяет режим его работы и примерно сводится к следующему: аллюминиевая подложка 3 и фокусирующий электрод 7 находятся под потенциалом -2500 В, а мелкоструктурная сетка 5 под потенциалом +(1 - 2) В. Такая разность потенциалов необходима для создания в рыхломдиэлектрическом слое 4 напряженности поля порядка 10Ф 10 В/см, которой соответствует коэффициент вторичной электронной эмиссии для электронов с энергией 0,7 мэВ 100, с одной стороны, и для уменьшения углового разброса эмиссионных электронов при их движении от слоя 4 к сетке 5 - с другой.Собственно мишень 6 и катод 9 находятся под потенциалом нуля В. Потен .циалы первого и второго анодов 11 и После подачи питающих напряжений при прохождении ультрарелятивистской заряженной частицы через пористый диэлектрический слой 4 в последнем возникает область ионизации с радиусом, линейно зависящим от Лоренц-фактора частицы. Возникающие в пределах этой зоны электроны первичной ионизации, ускоряясь в поле пор слоя 4, размножаются и выходят в промежуток: слой 4 - сетка 5, в котором благодаря наличию высокой ускоряющей разности потенциалов поля фокусирующего электрода 7 и однородного магнитного поля, создаваемого катушкой 16, осуществляется параллельный перенос электронного изображения этой зоны на мишень 6 с одновременным осевым ускорением эмиссионных электронов. Ударяясь с большими скоростями о стеклянную мишень 6, электроны выбивают с ееповерхности вторичные электроны, которые отсасываются сеткой 5, благодаря эому что она находится под более высоким потенциалом, чем мишень 6. В результате ухода вторичных электронов участок поверхности мишени 6, на который попали эмиссионные электроны, вышедшие из слоя 4, заряжается поло жительно. Таким образом, на поверхности мишени 6 со стороны слоя 4образуется потенциальный рельеф, со40ответствующий области ионизации вслое 4. Считывание записанного такимобразом потенциального рельефапроизводится одновременно с записьюпутем "развертки" обратной поверх-,45ности мишени 6 считывающим пучком электронов, Толщина мишени 6, еепоперечное сопротивление и емкость между ее поверхностями выбираютсятак, чтобы потенциальный рельеф,возникающий на ней во время записи,передавался на ее противоположнуюповерхность без потерь. Эта передача осуществляется при коммутацииобратной стороны мишени 6 развертывающим лучом. Медленные электроныосуществляющие развертку мишени 6,возникают следующим образом. Электроны, выходящие из катода 9 электронного прожектора, ускоряютсяполями первого 11 и второго 12 анодов, но тормозятся в области третьегоанода 13. Приближаясь к мишени 6,эти электроны дополнительно замедляются полями тормозящего электрода 8 и мишени 6, потенциал которой приблизительно равен нулю. Образуется луч медленных электронов,которым и производится разверткамишени 6, осуществляемая двумя парами отклоняющих катушек 17. Попадаяна мишень 6, электроны развертывающего луча нейтрализуют ее положительный заряд, обегая последовательно (построчно) в течение одногокадра всю поверхность мишени. Таккак заряды различных участков мишени 6 различны, то и на нейтрализацию их требуется различное количество электронов развертывающего лучаи, следовательно, от различных участков возвращается разное количество электронов, образующих обратныйлуч. Ток обратного луча оказываетсяпромодулированным по амплитуде всоответствии с распределением зарядов по поверхности мишени 6. Придвижении от мишени 6 к катоду 9 прожектора электроны обратного луча,образующие на коллекторе 15 временную последовательность электрических сигналов, амплитуда которыхпропорциональна распределению зарядов на поверхности мишени 6, приобретают в ускоряющих для них полях 50382 8тормозящего электрода 8 и анодов13 и 12 большую скорость. Попадая напервый анод 11 прожектора, которыйодновременно является первым динодом 5 электронного умножителя 14, электроны обратного луча размножаются приблизительно в 1000 раэ. С коллектора 15 умножителя 14 последовательность сигналов снимается на сопро О тивление нагрузки известным способом и подается на ЭВМ, где по размеру изображения определяется радиусобласти ионизации в рабочей среде 4и ее центр.15 Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипомпозволит определить координатычастицы с одновременным измерениемЛоренц-фактора в области10 в 20 одном устройстве, кроме того, позволит сильно уменьшить поглощение вторичных электронов в рабочей средедетектора и добиться увеличенияих числа за счет размножения впорах диэлектрического слоя, находящегося в электрическом поле, чтоповысит эффективность регистрациидетектора при детектировании ультрарелятивистских частиц, Это упрос тит конструкцию экспериментальнойустановки в целом и сократит время.ее экспозиции в экспериментах приизучении, например, редких событийили решении задач, в которых требуется восстановить пространственнуютраекторию частицы.