Współczynnik wzmocnienia gazowego zależy od takich parametrów jak rodzaj mieszaniny gazowej oraz jej gęstość, która z kolei zależy od temperatury i ciśnienia gazu wewnątrz ko-mory. W przypadku detektora wyposażonego w przepływowy system zasilania gazem istotne znaczenie ma również ciśnienie atmosferyczne. Dla mieszaniny gazowej Ar/CO2współczynnik zmian wzmocnienia gazowego w funkcji temperatury wynosi 2 %/◦C. Z kolei zmiana wzmoc-nienia gazowego odpowiadająca zmianie temperatury o 1◦C jest równoważna zmianie ciśnie-nia gazu o 3,53 hPa, co wynika ze zmian gęstości samego gazu. Oznacza to, że współczynnik korekty wzmocnienia gazowego związany z fluktuacjami ciśnienia gazu wynosi 0,57 %/hPa.
Wykonany został pomiar wzmocnienia gazowego detektora dla różnych napięć detektora GEM. Dla każdej wartości napięcia zasilania ustawiony został ten sam próg
dyskrymina-Parametryzacja wzmocnienia gazowego 79 cji. Pomiary wykonano w zakresie 3 950-4 010 V, każdy trwał 1,5 godziny. Podczas pomiarów monitorowane były zmiany temperatury otoczenia oraz zmiany ciśnienia atmosferycznego. Warunki te były stabilne, temperatura wahała się jedynie w zakresie 1◦C/dobę, zaś ciśnienie w granicach 5 hPa/dobę. Pomiary zostały przeprowadzone po uprzednim, długotrwałym na-świetlaniu detektora z użyciem źródła 55Fe, co pozwoliło uniknąć wpływu efektu ładowania folii GEM na zmianę wzmocnienia gazowego.
Współczynnik wzmocnienia gazowego został oszacowany na podstawie wyznaczenia po-łożenia piku głównego widma źródła55Fe. Znając wzmocnienie ładunkowe toru analogowego układu GEMROC, jego odpowiedź można wyznaczyć w jednostkach ekwiwalentnego ładunku wejściowego. Pozwala to oszacować liczbę elektronów generowanych w otworach folii GEM dla energii 5,9 keV przy średniej energii jonizacji mieszaniny gazowej Ar/CO2 równej 26 eV. Zależność współczynnika wzmocnienia gazowego w funkcji napięcia pracy detektora przed-stawiona jest na rysunku 7.5. Zgodnie z oczekiwaniami współczynnik wzmocnienia gazowego rośnie wraz ze wzrostem napięcia pracy detektora, zaś zmierzone wartości współczynnika wzmocnienia są zgodne z tymi wyznaczonymi dla jednego z detektorów GEM testowanych do eksperymentu COMPASS [18].
3,90 3,92 3,94 3,96 3,98 4,00 4,02 4,04 Napięcie pracy detektora [kV]
104 3x103 4x103 5x103 6x103 7x103 8x103 9x103 Współczynnik wzmo cnienia gazowego [-]
Rysunek 7.5:Zależność współczynnika wzmocnienia gazowego od napięcia pracy detektora GEM (przy polaryzacji poszczególnych elementów detektora z wykorzystaniem dzielnika napięcia
pokazanego na rysunku 4.5).
W przypadku detektorów gazowych wzmocnienie gazowe ma istotny wpływ na energetycz-ną zdolność rozdzielczą osiągaenergetycz-ną dla danego systemu detekcyjnego. Z jednej strony zwiększa-nie współczynnika wzmoczwiększa-nienia gazowego powoduje, iż rosną fluktuacje ładunku generowane-go w komorze detektora, co przekłada się na pogenerowane-gorszenie energetycznej zdolności rozdzielczej. Z kolei z drugiej strony zwiększenie wzmocnienia gazowego zwiększa również poziom rejestro-wanych sygnałów przy zachowanym praktycznie nie zmienionym poziomie szumów. Jest to niezmiernie istotne, gdyż w przypadku detektora GEM chmura elektronów, wygenerowana dla jednego rejestrowanego fotonu, która dociera do struktury odczytowej, jest zbierana na kilku jej paskach. Dla skrajnych pasków danego klastra amplituda sygnałów jest najniższa, a dla niewystarczająco dużej wartości współczynnika wzmocnienia gazowego amplituda ta może nie przekroczyć zadanego progu dyskryminacji. Tracona jest w ten sposób część informacji
80 Parametryzacja systemu detekcyjnego o sygnale, co oczywiście wpływa na pogorszenie energetycznej zdolności rozdzielczej detekto-ra. W celu zbierania maksymalnie dużej części ładunku generowanego na paskach struktury odczytowej detektora można zatem obniżyć próg dyskryminacji lub zwiększyć współczyn-nik wzmocnienia gazowego. Należy jednak pamiętać, iż ustawienie progu dyskryminacji jest ograniczone przez poziom szumów systemu detekcyjnego.
Dla przedstawionego powyżej pomiaru współczynnika wzmocnienia gazowego w funkcji napięcia pracy detektora wykonano analizę rekonstruowanych klastrów. Dla każdego napięcia pracy wyznaczono procentowy udział klastrów rekonstruowanych na 1-5 kanałach odczyto-wych. Ich zależność od napięcia pracy detektora przedstawiona jest na rysunku 7.6a. Wraz ze wzrostem napięcia pracy wyraźnie widoczny jest spadek udziału klastrów 2- i 3-paskowych, zaś rośnie udział klastrów 4- i 5-paskowych. Oznacza to, iż wzrost współczynnika wzmocnienia gazowego znacznie zmniejsza straty informacji o ładunku generowanym na paskach odczyto-wych detektora. To z kolei powinno wpływać na poprawę energetycznej zdolności rozdzielczej ze wzrostem napięcia pracy detektora (rysunek 7.6b). Klastry 1-paskowe odpowiadają sygna-łom o małej amplitudzie (np. dla niecałkowitej depozycji energii przez fotoelektron w strefie dryfu lub dla cząstek generowanych przez promieniowanie kosmiczne) lub szumom, ich udział nieznacznie się zwiększa dla wyższych napięć pracy detektora.
3,90 3,94 3,98 4,02 4,06
Napięcie pracy detektora [kV] 0 10 20 30 40 50 60 70 Udział klastrów [%] 1-paskowe 2-paskowe 3-paskowe 4-paskowe 5-paskowe
(a)Procentowy udział klastrów w funkcji napięcia pracy detektora.
3,90 3,95 4,00 4,05
Napięcie pracy detektora [kV] 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Energetyczna zdolno ść rozdzielcza [%]
(b)Energetyczna zdolność rozdzielcza w funkcji napięcia pracy detektora.
Rysunek 7.6:Zależność udziału procentowego 1-paskowych do 5-paskowych klastrów oraz energetycznej zdolności rozdzielczej od napięcia pracy detektora GEM.
Podsumowując, ze względu na pogorszenie energetycznej zdolności rozdzielczej ze wzro-stem współczynnika wzmocnienia gazowego, napięcie pracy detektora powinno być stosunko-wo niskie. Dlatego też, o czym już wspomniano w rozdziale 6, wybrano konfigurację wzmoc-nienia ×2 układu GEMROC. Z drugiej strony należy pamiętać o tym, aby współczynnik wzmocnienia gazowego był odpowiednio wysoki, zaś próg dyskryminacji odpowiednio niski, co przekłada się na ilość zbieranego przez system detekcyjny ładunku. W związku z tym, dla wszystkich prezentowanych w niniejszej pracy pomiarów, próg dyskryminacji został usta-wiony na najniższą możliwą wartość, zapewniającą supresję szumów (częstotliwość impulsów
Optymalizacja energetycznej zdolności rozdzielczej 81 szumowych nie przekraczała 1 Hz). Z kolei napięcie pracy detektora było dobierane tak, aby zapewnić jak największe wzmocnienie gazowe, ale równocześnie takie, które nie doprowadzi do saturacji sygnału w elektronice odczytowej.