Index of /rozprawy2/10283

Pełen tekst

(1)Praca doktorska. Stefan Koperny. Gazowe detektory w eksperymentach wysokich energii na przykładzie kalorymetru uzupełniającego eksperymentu ZEUS. Promotor: prof.dr hab. Kazimierz Jeleń. Kraków, 2010.

(2) Oświadczenie autora rozprawy: Oświadczam, świadomy odpowiedzialności karnej za poświadczenie nieprawdy, że niniejszą pracę doktorską wykonałem osobiście i samodzielnie, i że nie korzystałem ze źródeł innych niż wymienione w pracy.. data, podpis autora. Oświadczenie promotora rozprawy: Niniejsza rozprawa jest gotowa do oceny przez recenzentów.. data, podpis promotora rozprawy. II.

(3) Serdecznie. dziękuję. promotorowi. rozprawy. prof. dr hab. Kazimierzowi Jeleniowi za opiekę podczas pisania tej pracy, za czas poświęcony na dyskusję, za wiele cennych uwag. Dziękuję również wszystkim pracownikom Katedry Oddziaływań i Detekcji Cząstek, którzy wspierali, mobilizowali i pomagali mi podczas powstawania tej pracy. Stefan Koperny. III.

(4) SPIS TREŚCI Wstęp. 1. 1. Gazowe detektory promieniowania w eksperymentach fizyki cząstek wysokich energii. 4. 1.1. Systemy detekcji w zderzeniach wiązek przeciwbieżnych. 4. 1.2. Gazowe detektory śladowe. 7. 1.3. Gazowe detektory proporcjonalne jako warstwa aktywna kalorymetrów próbkujących. 12. 1.4. Gazowe detektory mionów. 13. 1.5. Wymagania stawiane gazowym detektorom w eksperymentach fizyki cząstek wysokich energii. 16. 2. Akcelerator HERA, detektor ZEUS. 18. 3. Kalorymetr uzupełniający BAC. 23. 3.1 Budowa kalorymetru. 23. 3.2 System odczytu elektronicznego. 25. 3.3 Energetyczna zdolność rozdzielcza kalorymetru BAC. 27. 4. Komora proporcjonalna jako element warstwy aktywnej kalorymetru BAC. 29. 4.1 Własności mieszaniny gazowej Ar + CO2. 29. 4.2 Przestrzenny rozkład natężenia pola elektrycznego, generacja sygnału i czas dryfu jonów w komorze kalorymetru 4.3 Czynniki wpływające na amplitudę sygnału z komory kalorymetru. 33 35. 5. Układ zasilania w mieszaninę gazową komór kalorymetru uzupełniającego. 39. 5.1 Budowa układu zasilania w mieszaninę gazową. 40. 5.2 Analiza jednorodności rozpływu gazu na poszczególne komory gałęzi gazowej. 43. 5.2.1 Wyznaczenie oporów przepływu mieszaniny w poszczególnych elementach gałęzi gazowej 5.2.2 Budowa analogu elektrycznego pojedynczej gałęzi gazowej. IV. 43 45.

(5) 5.2.3 Analiza rozpływu mieszaniny w gałęziach komór barrel’u i bottom’u. 46. 5.2.4 Analiza rozpływu mieszaniny w gałęziach komór end-cup’ów. 49. 5.2.5 Wykrywanie nieszczelnych komór w gałęziach. 50. 6. System monitorowania warunków pracy komór kalorymetru. 52. 6.1 Kontrola i sterowanie układu mieszającego. 52. 6.2 Kontrola jakości gazu. 53. 6.3 Monitorowanie przepływów i temperatur. 56. 6.4 Topologia systemu monitorowania warunków pracy komór kalorymetru. 57. 7. Proces starzenia gazowych liczników proporcjonalnych. 60. 7.1 Chemiczne aspekty procesu starzenia. 60. 7.1.1 Zmiany powierzchni anody. 62. 7.1.2 Zmiany powierzchni katody. 63. 7.1.3 Czynniki wpływające na proces starzenia. 64. 7.2 Uwzględnienie procesu starzenia na etapie projektu kalorymetru uzupełniającego. 64. 7.2.1 Analiza własności starzeniowych mieszaniny Ar + CO2. 64. 7.2.2 Dobór materiałów i metod czyszczenia. 65. 7.3 Efekty starzenia w licznikach kontrolnych. 66. 7.3.1 Zmiany wzmocnienia gazowego i energetycznej zdolności rozdzielczej. 69. 7.3.2 Zmiany powierzchni anody. 72. 7.3.3 Efekt częstościowy. 75. 7.4 Badanie efektów starzenia w komorach BAC. 78. 7.4.1 Laboratoryjne badania odporności komór kalorymetru na procesy starzenia. 78. 7.4.2 Długoczasowe badania odporności komór kalorymetru na procesy starzenia w rzeczywistych warunkach eksperymentu. 79. 7.4.3 Badania komór kalorymetru po zakończonym eksperymencie. 81. 7.5 Para wodna jako czynnik redukujący niekorzystne efekty starzeniowe. 86. 7.6 Wnioski. 89. Podsumowanie i wnioski końcowe. 91 V.

(6) Dodatek A Mechanizm pracy gazowych detektorów proporcjonalnych promieniowania jonizującego. 93. A.1 Detekcja cząstek naładowanych i fotonów. 93. A.2 Dryf i rekombinacja ładunków. 96. A.3 Lawinowe mnożenie elektronów w polu elektrycznym. 97. A.4 Efekty wtórne. 99. A.5 Energetyczna zdolność rozdzielcza. 100. A.6 Komora proporcjonalna jako źródło sygnału elektrycznego. 101. Dodatek B Wyznaczenie spadków ciśnień dla przepływów gazów lepkich przez rury o różnych, stałych przekrojach. 103. B.1 Rura o przekroju kołowym. 103. B.2 Rura o przekroju prostokątnym. 104. Literatura. 106. VI.

(7) WSTĘP. WSTĘP Fizyka cząstek dostarcza nam wiedzy na temat elementarnych składników materii i podstawowych oddziaływań zachodzących w przyrodzie. Sformułowane w latach 70-tych podstawy teoretyczne tzw. Modelu Standardowego zostały w większości potwierdzone doświadczalnie w latach 80-tych i 90-tych XX wieku. Niemniej jednak pozostało ciągle wiele pytań, które pozostają bez odpowiedzi. Podstawowym narzędziem eksperymentalnym, weryfikującym przewidywania teoretyczne fizyków, są akceleratory cząstek i detektory, rejestrujące produkty wzajemnych oddziaływań. W ostatnim okresie budowane są akceleratory wiązek przeciwbieżnych, dzięki którym można uzyskać bardzo dużą energię w układzie środka masy zderzających się cząstek. Punkty zderzeń (miejsca przecięć przeciwbieżnych wiązek) obudowywane są detektorami, mającymi wiele części składowych. Podstawowe typy detektorów, używanych we współczesnych eksperymentach fizyki cząstek, to detektory gazowe, półprzewodnikowe i scyntylacyjne, używane w różnych konfiguracjach, mających zapewnić identyfikację oraz pomiar odpowiednich parametrów kinematycznych i dynamicznych cząstek, będących produktem zderzenia. Zgodnie z Modelem Standardowym proton składa się z trzech kwarków walencyjnych oraz tzw. morza kwarków i antykwarków, które związane są przez silne krótkozasięgowe oddziaływania. Struktura protonu może być badana w procesie jego zderzeń z nieoddziaływującymi silnie leptonami np. elektronami. Akcelerator przeciwbieżny HERA (Hadron Elektron Ring Anlage) zbudowany został w DESY (Deutsches Elektronen SYnchrotron w Hamburgu, Niemcy) i umożliwiał przeprowadzanie eksperymentów nieelastycznego rozpraszania elektronów na wysokoenergetycznych protonach, a właściwie na jego składnikach. Punkty zderzeń budowane są zazwyczaj w międzynarodowych współpracach. Detektor ZEUS, jeden z punktów zderzeń na akceleratorze HERA, był efektem pracy fizyków i inżynierów wielu ośrodków naukowych z 12 państw. W ramach współpracy przy eksperymencie. ZEUS. pracownicy. Instytutu. Fizyki. Doświadczalnej. Uniwersytetu. Warszawskiego zobowiązali się do wykonania kalorymetru uzupełniającego BAC (BAcking Calorimeter). Zadaniem tej bardzo istotnej części superdetektora ZEUS była rejestracja późnych kaskad hadronowych oraz mionów. Kalorymetr uzupełniający składał się ze stalowego jarzma elektromagnesu, w szczelinach którego zostały umieszczone gazowe przepływowe komory proporcjonalne. Grupa pracowników Międzyresortowego Instytutu Fizyki Jądrowej AGH (obecna nazwa Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej) podjęła 1.

(8) WSTĘP zobowiązanie zaprojektowania i wykonania odpowiedniego systemu zasilania mieszaniną gazową Ar + CO2 komór kalorymetru. W skład systemu wchodził zestaw, wykonujący mieszaninę gazową o żądanej koncentracji, oraz system jej dystrybucji, zapewniający jednorodną wymianę we wszystkich komorach. Spełnienie tych wymagań dla 5061 komór kalorymetru o całkowitej objętości gazowej około 60 m3, które miały różne długości, a więc różne opory przepływu i objętości czynne, wymagało starannego zaprojektowania układu. Zobowiązano się również do prowadzenia prac, mających na celu właściwy dobór koncentracji składników mieszaniny, zapewniający odpowiednio duże wzmocnienie gazowe i stabilną pracę komór. Komory kalorymetru przed zamontowaniem były testowane. W trakcie testów wyznaczano między innymi charakterystyki częstościowe - liczba zliczeń promieniowania kosmicznego powyżej progu dyskryminacji w funkcji napięcia polaryzacji. Pomiędzy charakterystykami poszczególnych komór występowały różnice w przebiegu i długości plateau. Jeżeli komory kalorymetru pracowały przy tym samym napięciu polaryzacji anody to koniecznym było wyznaczenie przedziału napięć, dla którego wszystkie komory pozostawały w zakresie plateau charakterystyki oraz konieczna stawała się stabilizacja układu poprzez stałe monitorowanie wzmocnienia gazowego. W tym celu zostały zaprojektowane i wykonane przepływowe detektory kontrolne wraz z systemem elektronicznego odczytu. Zaprojektowano i wykonano system monitorowania i rejestracji parametrów, mających istotny wpływ na warunki pracy komór takich jak: temperatura komór, ciśnienie atmosferyczne, koncentracja składników mieszaniny i wielkości jej przepływu. W trakcie prowadzenia eksperymentu zespół odpowiadał za zbudowane elementy kalorymetru BAC. Modernizował, wymieniał i przeprowadzał kalibracje systemu monitorowania, zapewniając w sposób ciągły stabilną pracę komór. W trakcie pracy wszystkich detektorów gazowych zachodzą w nich niekorzystne procesy, powodujące pogorszenie energetycznej zdolności rozdzielczej i obniżenie wzmocnienia gazowego, tzw. efekty starzeniowe. Zespołowi z AGH zostało powierzone szczególne zadanie, polegające na kontroli i zapobieganiu efektom starzenia w komorach kalorymetru. Prace obejmowały testy laboratoryjne oraz testy prowadzone w trakcie eksperymentu z wykorzystaniem dodatkowych komór. Prowadzono również analizę procesu starzenia, obserwowanego w zamontowanych detektorach kontrolnych. W lipcu 2007 akcelerator HERA został wyłączony, eksperyment ZEUS zakończył zbieranie danych i przystąpiono do demontażu całego detektora. Powstała zatem dodatkowa możliwość wykorzystania danych, zebranych przed instalacją komór, danych kolekcjonowanych w trakcie pracy eksperymentu, a także danych uzyskanych z dedykowanych pomiarów 2.

(9) WSTĘP parametrów komór wymontowanych z kalorymetru uzupełniającego oraz wykonania analizy procesu starzenia. Autor rozprawy uczestniczył we wszystkich etapach prac zespołu począwszy od projektu budowy, instalacji i testów, po obsługę i konserwację w trakcie prowadzenia eksperymentu. W szczególności zajmował się problemami jednorodności przepływów w komorach kalorymetru, analizą procesów starzenia w licznikach kontrolnych, budową zestawu, wykonującego żądaną mieszaninę gazową, wraz z systemem zabezpieczeń. Samodzielnie zaprojektował i zbudował cały system do monitorowania i rejestracji warunków pracy komór BAC. Badanie zagadnienia procesu starzenia detektorów gazowych, przeprowadzone. po. zakończeniu. eksperymentu,. wymagało. stworzenia. stanowiska. pomiarowego w laboratorium w Krakowie, które umożliwiało przeprowadzenie testów wyeksploatowanych detektorów sprowadzonych z DESY.. 3.

(10) ROZDZIAŁ 1. ROZDZIAŁ 1 GAZOWE. DETEKTORY PROMIENIOWANIA W EKSPERYMENTACH FIZYKI CZĄSTEK WYSOKICH ENERGII Poznawanie coraz głębszych struktur materii metodą rozpraszania wiąże się z koniecznością stosowania w zderzeniach cząstek o coraz wyższych energiach. Wyższe energie zderzających się cząstek, a tym samym cząstek produkowanych, zmuszają eksperymentatorów do stosowania detektorów o coraz większych rozmiarach i lepszej przestrzennej zdolności rozdzielczej. Równocześnie bardzo małe prawdopodobieństwo interesujących wzajemnych oddziaływań wysokoenergetycznych cząstek skłania do wzrostu częstości zderzeń, co wiąże się z koniecznością poprawy czasowej zdolności rozdzielczej stosowanych detektorów. Zatem postęp w badaniach struktury materii przy wykorzystaniu cząstek wysokich energii jest ściśle związany z rozwojem detektorów cząstek i stowarzyszonej z detektorami elektroniki.. 1.1. SYSTEMY. DETEKCJI. W. ZDERZENIACH. WIĄZEK. PRZECIWBIEŻNYCH Miejsce zderzeń wysokoenergetycznych cząstek obudowane jest warstwową strukturą różnych detektorów. Typowy przykładowy układ systemu, pokazany schematycznie na rysunku 1.1, ma na celu identyfikację produktów zderzenia i pomiar ich parametrów kinematycznych oraz dynamicznych. Pęd cząstek naładowanych wyznacza się z pomiaru promienia krzywizny ich toru w polu magnetycznym. Dla wysokoenergetycznych cząstek, przy ograniczonej ze względów technicznych wartości pola magnetycznego, celem dokładnego wyznaczenia promienia krzywizny toru – śladu niezbędna jest odpowiednia jego długość i precyzja w jego przestrzennej rekonstrukcji. Wymagania te spełniają tak zwane detektory śladowe. W celu minimalizacji rozwoju kaskad elektromagnetycznych materiały i ich ilości stosowane do budowy detektora śladowego powinny cechować się małą liczbą dróg radiacyjnych. Dlatego jako detektory śladowe najczęściej w ostatnich latach używane są paskowe detektory krzemowe o grubości warstwy krzemu 0.3 mm lub różne odmiany konstrukcyjne detektorów gazowych. 4.

(11) ROZDZIAŁ 1. B B. RURA AKCELERATORA e KOMORY ŚLADOWE SOLENOID. p, Π+. KALORYMETR ELETROMAGNETYCZNY. B. KALORYMETR HADRONOWY. γ. y B. DETEKTORY MIONÓW n. x z. STALOWE JARZMO ELEKTROMAGNESU DETEKTORY MIONÓW. B μ+. TOR CZĄSTKI I ROZWIJAJĄCA SIĘ KASKADA CZĄST. WTÓRNYCH TOR CZĄSTKI BEZ ŚLADU JONIZACYJNEGO W DETEKTORACH. Rysunek 1.1. Schemat przekroju poprzecznego miejsca interakcji wraz z wykazem poszczególnych części składowych. Ślady jonizacyjne w poszczególnych częściach eksperymentu zaznaczone są dla: e – elektronu, p – protonu, Π+ - pionu, γ – fotonu, n – neutronu, μ+ – mionu. W celu poprawnej identyfikacji wysokoenergetycznych elektronów i pozytonów wykorzystywane jest zjawisko promieniowania przejścia, pojawiającego się przy przejściu naładowanej cząstki pomiędzy ośrodkami o różnych stałych dielektrycznych. Promieniowanie przejścia emitowane jest w zakresie energii od 1 do 30 keV. Detektory gazowe, pracujące z mieszaniną na bazie gazów szlachetnych, o dużej liczbie atomowej Z (najczęściej Xe ), doskonale nadają się do rejestracji fotonów w tym przedziale energii. Gazowy detektor śladowy z dodatkową funkcją rejestracji promieniowania przejścia to stosowane rozwiązanie. Dotychczasowe konstrukcje, gazowych detektorów śladowych z funkcją rejestracji promieniowania przejścia, nie przyniosły zadowalających rezultatów, niemniej jednak kolejna próba zastosowania została podjęta w eksperymencie ATLAS na akceleratorze LHC. Energię cząstek wysokoenergetycznych wyznacza się zwykle metodą pełnej absorpcji, czyli kalorymetryczną. Cząstka pierwotna wraz z wytworzoną kaskadą cząstek wtórnych zostają całkowicie zatrzymane w objętości kalorymetru. Proces rozwoju kaskady zależy od materiału użytego w kalorymetrze, rodzaju cząstki i jej energii. Rozróżniamy dwa rodzaje kaskad: elektromagnetyczną i hadronową. Kaskada elektromagnetyczna, inicjowana przez wysokoenergetyczny foton lub elektron, powstaje w wyniku następujących po sobie procesów hamowania elektronów i procesu tworzenia par elektron - pozyton. Kaskadę hadronową zapoczątkowuje hadron w wyniku nieelastycznego oddziaływania z jądrem, produkując wtórne hadrony, które w dalszych procesach tworzą następną generację. O ile rozwój kaskady 5.

(12) ROZDZIAŁ 1 elektromagnetycznej przebiega w oparciu o kilka procesów dobrze opisanych teoretycznie, kaskada hadronowa może rozwijać się przez dużo większą liczbę procesów, z możliwością kreacji szerokiego spektrum cząstek zarówno naładowanych, jak i obojętnych. Ten fakt jest przyczyną gorszej zdolności rozdzielczej kalorymetrów hadronowych w porównaniu z elektromagnetycznymi. Jedną z odmian kalorymetrów jest kalorymetr próbkujący (ang. sampling calorimeter), którego cechą jest naprzemienne ułożenie warstw absorbentu i warstw aktywnych. Warstwami aktywnymi najczęściej są płyty scyntylatorów, komory jonizacyjne wypełnione ciekłym argonem lub warstwy gazowych komór proporcjonalnych. Miony, jeżeli ich energia przekracza kilka GeV, z łatwością przenikają warstwy absorbentu, wchodzące w skład kalorymetru. Miony, które powstają w wyniku procesów rozpadów i wzajemnych oddziaływań wysokoenergetycznych cząstek oraz te, które docierają z promieniowania kosmicznego, wymagają w eksperymentach fizyki cząstek wysokich energii specjalnego systemu rejestracji. Systemy te w różnych eksperymentach oparte są na trzech głównych koncepcjach [1]. W pierwszym rozwiązaniu dokonuje się jedynie rejestracji przejścia wysokoenergetycznego mionu, a jego pęd wyznacza się na podstawie promienia krzywizny toru, w wewnętrznym detektorze śladowym. Wymagana w takim rozwiązaniu przestrzenna rozdzielczość wyznaczenia toru w systemie rejestracji mionów zawiera się w przedziale od 1 do 10 mm. Druga koncepcja – spektrometryczna, polega na pomiarze pędu rejestrowanych mionów przez wyznaczenie promienia krzywizny ich toru przy przejściu przez stalowy namagnesowany rdzeń (w innym kierunku niż wewnętrzny detektor śladowy) z wykorzystaniem wielu warstw detektorów śladowych. Ta koncepcja prezentowana jest na poglądowym przekroju eksperymentu fizyki cząstek wysokich energii na rysunku 1.1. Wymagana wówczas przestrzenna rozdzielczość rejestracji toru wynosi od 0.2 do 1 mm. To rozwiązanie zastosowano w eksperymentach ZEUS, H1, D0, CMS, LHCb. Trzecią koncepcją jest spektrometr mionów oparty na „powietrznym – rdzeniu” (ang. air-core). Wymagana w takim rozwiązaniu przestrzenna zdolność rozdzielcza powinna wynosić około 30 μm. Taki rodzaj spektrometru zastosowano w eksperymentach L3 i ATLAS. Detektory mionów posiadają zwykle budowę wielowarstwową i są rodzajem detektorów śladowych, przy czym ilości i rodzaj materiałów użytych do ich konstrukcji nie są istotne, ponieważ miony nie inicjują rozwoju kaskad. Wymagana duża powierzchnia tych detektorów wyklucza użycie drogich detektorów półprzewodnikowych i detektorów scyntylacyjnych, a zastosowanie znajdują prawie wyłącznie różne rodzaje detektorów gazowych.. 6.

(13) ROZDZIAŁ 1 Procesy zachodzące w gazowych detektorach, związane z rejestracją promieniowania i z lawinowym mnożeniem elektronów w polach elektrycznych o dużym natężeniu, omówione są w dodatku A.. 1.2 GAZOWE DETEKTORY ŚLADOWE W eksperymentach fizyki cząstek wysokich energii zastosowanie znajdują następujące gazowe detektory śladowe: wielodrutowe komory proporcjonalne (ang. Multiwire Proportional Chamber – MWPC)[2,3], komory dryfowe (ang. Drift Chamber – DC ), detektory słomkowe (ang. Straw Tube - ST) oraz komory z projekcją czasu (ang. Time Projection Chamber – TPC)[4]. W ostatnich kilkunastu latach nastąpił rozwój nowych konstrukcji w postaci gazowych detektorów mikro-strukturalnych (ang. Micro Pattern Gas Detector – MPGD ) [5,6,7]. Do nich zaliczyć należy mikropaskowe komory gazowe (ang. Micro Strip Gas Chamber – MSGC) [8,9], gazowe struktury z mikro-siatką (ang. MICROMEsh GAseous Structure – MICROMEGAS)[10] oraz detektory typu gazowe elektronowe powielacze (ang. Gas Electron Multiplier – GEM) [11]. Wymienione konstrukcje gazowych detektorów mikro-strukturalnych charakteryzują się wysoką rozdzielczością przestrzenną i dużą dopuszczalną częstością rejestracji promieniowania, dlatego coraz częściej znajdują zastosowanie jako detektory śladowe w eksperymentach fizyki cząstek wysokich energii. Wielodrutowe komory proporcjonalne MWPC, których schemat prezentowany jest na rysunku 1.2, zbudowane są z warstw drutów anodowych przedzielonych warstwami drutów katodowych lub folii. Pojedyncza warstwa równoległych drutów anodowych zapewnia określenie położenia śladu w dwóch wymiarach. Kolejne warstwy drutów anodowych rozpięte w innych kierunkach zapewniają prawidłową przestrzenną rekonstrukcję toru cząstki jonizującej przy ograniczonej częstości i gęstości przestrzennej śladów. Komory MWPC działają w reżimie pracy licznika proporcjonalnego z dobrą energetyczną zdolnością rozdzielczą. System odczytu może być oparty na rejestracji indukowanych impulsów prądowych jedynie z drutów anodowych lub równocześnie z drutów anodowych i katodowych. Przestrzenna zdolność rozdzielcza przy zastosowaniu analogowego odczytu z każdego drutu anodowego i przy wyznaczaniu środka ciężkości rozkładu amplitud odpowiedzi z sąsiednich drutów jest lepsza niż odległość między drutami anodowymi. Do komór dryfowych DC (rysunek 1.2) można zaliczyć całą gamę różnych rozwiązań konstrukcyjnych gazowych drutowych detektorów śladowych, w których, celem poprawy przestrzennej zdolności rozdzielczej, wyznacza się odległość pomiędzy drutem anodowym,. 7.

(14) ROZDZIAŁ 1 MWPC. KOMORA DRYFOWA DC hν. płaszczyzna katody folia lub druty. hν kierunek dryfu elektronów i rozwój lawiny elektronowej. d = (od3 do4)·s. elektroda ekranująca strefa dryfu. strefa dryfu. kierunek dryfu jonów powstałych w procesie mnożenia lawinowego. 2d. s. s. druty anodowe. min 1mm. elektroda ekranująca. drut anodowy. druty katodowe zapewniające płaskie pole E. linie ekwipotencjalne. płaszczyzna katody folia lub druty. z x. z x. kierunek dryfu jonów powstałych w procesie mnożenia lawinowego. PARAMETR. TPC katoda polaryzująca strefę dryfu, V~ - 50kV. y. kierunek dryfu elektronów i rozwój lawiny elektronowej. y. MWPC. DC. TPC. pojedyncza warstwa dru-. paski potencjałowe formujące jednorodne pole E. tów wyznacza jedynie 2 współrzędne z i y, współrzędna x wyznaczana jest z innej warstwy. B y. E. z. współrzędna/. z/600 (przy. z /500 (przy. x,y /800. przestrzenna. s=1mm). s=60mm). z /1000. y /2d. y /2d. (wartości. zdolność rozdzielcza [μm]. x. podane dla drogi dryfu. gazowe detektory o dużej rozdzielczości powierzchniowej. 2.5m). ślad jonizacyjny cząstki współrzędne x i y miejsc jonizacji wyznaczone detektorami 2D kierunek dryfu elektronów i rozwój lawiny elektronowej– pomiar czasu dryfu wyznacza wspłrzędną z. Rysunek 1.2. Schematy budowy gazowych detektorów śladowych typu MWPC, KOMORA DRYFOWA i TPC wraz z tabelą zawierającą wykaz podstawowych ich własności. Podane wymiary i parametry są typowe dla poszczególnych rodzajów detektorów. a punktem jonizacji pierwotnej, wynikającej z przejścia cząstki jonizującej. W celu wyznaczenia tej odległości wykorzystuje się pomiar czasu pomiędzy zderzeniem w punkcie interakcji, a sygnałem z detektora. Wynika stąd konieczność posiadania precyzyjnego referencyjnego sygnału czasowego. Dokładność tej metody wyznacza głównie precyzja pomiaru czasu i stałość prędkości dryfu elektronów. Prędkość dryfu elektronów zależy od składu mieszaniny gazowej, jej gęstości i od natężenia pola elektrycznego. Stabilność gęstości gazu wymaga zachowania dwóch parametrów ciśnienia i temperatury, co nie jest łatwe przy 8.

(15) ROZDZIAŁ 1 dużych rozmiarach komory. Kierunek dryfu elektronów od miejsca jonizacji pierwotnej jest uzależniony nie tylko od kierunku pola elektrycznego, ale również od kierunku i wartości pola magnetycznego. Fakt powyższy musi być uwzględniany przy rekonstrukcji toru rejestrowanej cząstki. Komory z projekcją czasu TPC są dużymi gabarytowo detektorami śladowymi zazwyczaj w kształcie walca, którego oś jest zgodna z osią z (rys.1.1). Jednorodne pole elektryczne o natężeniu około 400V/cm i jednorodne pole magnetyczne B, służące zakrzywianiu torów cząstek naładowanych jest skierowane równolegle do osi z. Rejestrowane cząstki jonizują atomy mieszaniny roboczej detektora. Wyznaczając współrzędne przestrzenne kolejnych miejsc jonizacji potrafimy dokonać rekonstrukcji przestrzennej toru. W oparciu o współczesne komory TPC rekonstrukcja oparta jest na 100 - 200 punktach pomiarowych. Podstawy walca pokryte są gazowymi detektorami o dużej rozdzielczości przestrzennej w dwóch wymiarach. Detektory te wyznaczają współrzędne x i y miejsc jonizacji pierwotnej. Współrzędna z wyznaczana jest z pomiaru czasu dryfu elektronów. Tor dryfujących elektronów jest zgodny z kierunkiem pola elektrycznego, gdyż równoległe pole magnetyczne nie zakrzywia ich toru. Rozdzielczość przestrzenną ogranicza zjawisko dyfuzji elektronów w gazie, w czasie dryfu. Komory z projekcją czasu TPC wymagają bardzo dobrej stabilizacji ciśnienia, temperatury oraz składu mieszaniny gazowej. Detektory słomkowe są cylindrycznymi licznikami proporcjonalnymi o małej średnicy katody z pojedynczym drutem anodowym. Najczęściej średnica katody wynosi od 4 do 8 mm (stąd nazwa tego typu detektora). Katoda zbudowana jest z cienkiej nawęglanej folii poliamidu (kapton), usztywnianej włóknami węglowymi [12]. Mała średnica słomki zapewnia krótki czas dryfu elektronów i jonów, a cylindryczna geometria zapewnia dobrą energetyczną zdolność rozdzielczą. Detektory słomkowe często używane są jako detektory śladowe z możliwością rejestracji promieniowania przejścia (ang. Transition Radiation Tracker – TRT). Grupę detektorów mikro-strukturalnych otwiera najwcześniej opracowana (w 1988 r) mikropaskowa komora gazowa MSGC, której schemat pokazany jest na rysunku 1.3. Komory te zbudowane są z płytki izolatora, z naniesionymi metalicznymi równoległymi paskami. Naprzemienne ułożenie w niewielkiej odległości pasków anodowych i katodowych zapewnia odpowiednio duże natężenie pola elektrycznego wokół paska anodowego w obszarze, którego zachodzi proces mnożenia lawinowego. Elektrony jonizacji pierwotnej, dzięki jednorodnemu polu elektrycznemu w strefie absorpcji, dryfują w kierunku powierzchni z paskami. Wytworzone. w. procesie. mnożenia. lawinowego. 9. jony dodatnie. pokonują. bardzo.

(16) ROZDZIAŁ 1. MSGC. MICROMEGAS hν. katoda formująca pole E strefy dryfu. kierunek dryfu elektronów i rozwój lawiny elektronowej. 3 mm. EDRYFU. hν. katoda formująca pole E strefy dryfu. kierunek dryfu elektronów i rozwój lawiny elektronowej. 1kV/cm. 3 mm. kierunek dryfu jonów powstałych w procesie mnożenia lawinowego. kierunek dryfu jonów powstałych w procesie mnożenia lawinowego. 0.1 mm. 50kV/cm. 200 μm. 80 μm. paski anodowe szer. 20 μm. paski anodowe szer. 60 μm. paski katodowe szer. 80 μm. mikrosiatka. płytka podłoża. płytka podłoża. GEM 3 mm STREFA DRYFU. PARAMETR hν. katoda formująca pole E strefy dryfu kierunek dryfu elektronów i rozwój lawiny elektronowej. EDRYFU. ETRANS. 2 mm STREFA TRANSFERU GEM2. 200 μm. ETRANS. 2 mm STREFA TRANSFERU. 140 μm. EINDUK. licz. zlicz./mm2·s. 2 mm STREFA INDUKCJI. paski anodowe szer. 200 μm płytka podłoża. 105. 105-3GEM. ~106. ~108. ~105. ~16%. ~12%. ~15%. słaba. dobra. b.dobra. średnia. dobra. b.dobra. Odporność na samoczynne Odporność na procesy starzeniowe. 500 μm kierunek dryfu jonów powstałych w procesie mnożenia lawinowego. 7x103. Energetyczna zdolność roz-. wyładowania. GEM3. 70 μm. wzmocnienie gazowe. GEM 103-1GEM. Maksymalne stabilne. dzielcza FWHM(dla 5.9keV). 200 μm 50 μm. MSGC MICROMEGAS. Max. częstość zliczeń GEM1. 5 μm Cu 50 μm KAPTON 5 μm Cu. gr. 5 μm. Typ dominującej składowej w impulsie prądowym indukowanym w obwodzie anody jonowa jonowa elektron. Powierzch. zdolność rozdzielcza (zbiór pasków równoległych wyznacza 1 wsp.). 80 μm. 60 μm. 250 μm. Rysunek 1.3. Schematy budowy gazowych detektorów mikro-strukturalnych typu MSGC, MICROMEGAS i GEM wraz z tabelą, zawierającą wykaz podstawowych ich własności. Podane wymiary i wartości natężenia pola elektrycznego są typowe dla poszczególnych typów detektorów.. 10.

(17) ROZDZIAŁ 1 krótki dystans do paska katodowego. Niweluje to w znacznej mierze problem wolno dryfującej składowej jonowej (efekt ładunku przestrzennego) i wynikających stąd ograniczeń częstości zliczeń detektorów gazowych. Podobną konstrukcję ma detektor typu MICROMEGAS (rysunek 1.3), który jest płaską komorą z kilkumilimetrową strefą absorpcji i dryfu oraz strefą mnożenia lawinowego o grubości do 0.1 mm. Strefy te oddzielone są bardzo cienką siatką metaliczną, której odległość do płaszczyzny anodowej zapewniają odpowiednie elementy dystansujące. Płaszczyzna anodowa może być podzielona na obszary odczytowe o żądanych wymiarach. Detektory tego typu charakteryzują się dużym bezpiecznym współczynnikiem wzmocnienia gazowego, bardzo dobrą energetyczną zdolnością rozdzielczą i bardzo dużą dopuszczalną częstością rejestracji bez widocznych efektów nasycenia. Gazowe, elektronowe powielacze GEM są detektorami zbudowanymi z równoległych warstw folii polimerowej ( kapton) dwustronnie metalizowanych cienką warstwą miedzi. W foliach tych trawione są profilowane otwory o niewielkiej średnicy. Przez zapewnienie różnicy potencjałów 300 – 500 V pomiędzy cienkimi warstwami miedzi natężenie pola elektrycznego w obszarze otworów dochodzi do 100 kV·cm-1, przy którym następuje zjawisko lawinowego mnożenia elektronów w gazach. W praktycznych rozwiązaniach, zazwyczaj stosuje się od 2 do 4 folii z zapewnionym dystansem około 2 mm pomiędzy foliami. Stosowanie kilku warstw folii, a co za tym idzie mniejszy współczynnik wzmocnienia gazowego dla pojedynczej folii (mniejsza różnica potencjałów między warstwami miedzi), przyczynia się do redukcji prawdopodobieństwa niekontrolowanego wyładowania. W detektorach typu GEM obserwowane jest negatywne zjawisko elektrostatycznego ładowania się powierzchni dielektryka wewnątrz otworu, co skutkuje zmniejszeniem natężenia pola elektrycznego i pociąga za sobą zmianę współczynnika wzmocnienia gazowego. Płaska elektroda zbiorcza, anoda może być dowolnie podzielona, zapewniając właściwą rozdzielczość powierzchniową. W detektorach typu GEM indukowany impuls prądowy w obwodzie anody wynika jedynie z ruchu elektronów. Większość jonów dodatnich pokonuje jedynie dystans równy grubości folii, co przyczynia się do zmniejszenia gęstości jonów w obszarze dryfu i skutkuje zmniejszeniem prawdopodobieństwa rekombinacji, co umożliwia rejestrację promieniowania o dużej częstości. Z powodzeniem wykonuje się nie tylko płaskie detektory typu GEM, ale również o kształcie cylindrycznym. Tabela 1.1 zawiera wykaz ważniejszych współczesnych eksperymentów fizyki cząstek wysokich energii, w których zastosowano gazowe detektory śladowe. Tabela została sporządzona z podziałem na wykorzystane typy detektorów gazowych. 11.

(18) ROZDZIAŁ 1 Akcelerator. Eksperyment. Zastosowane typy gazowych detektorów śladowych MWPC. LEP. ALEPH. (CERN) + -. DELPHI. e -e. OPAL. X X. H1. X. (DESY). ZEUS. X. X. X. HERA-B. X. ALICE. p-p. X. X X. (CERN). MPGD. X. HERMES ATLAS. TPC. X. HERA. LHC. ST. X. L3. e-p. DC. X X. X. X. LHCb. X X. TOTEM. X. SPS. NA58 COMPASS. X. (CERN). NA69 SHINE. p PS. X. NA62. X. PS212 DIRAC. X. (CERN). p TEVATRON. CDF. X. BELLE. X. (FERMILAB). p- p KEKB (KEK) + -. e -e. Tabela 1.1. Wykaz ważniejszych eksperymentów fizyki cząstek wysokich energii po 1990 r., w których zastosowano gazowe detektory śladowe.. 1.3 GAZOWE DETEKTORY PROPORCJONALNE JAKO WARSTWA AKTYWNA KALORYMETRÓW PRÓBKUJĄCYCH Gazowe. detektory. proporcjonalne. stosunkowo. rzadko. są. używane. w. kalorymetrii[13,14]. Wykorzystywane są wówczas, gdy kalorymetr jest również rodzajem detektora śladowego oraz gdy kalorymetr osiąga duże rozmiary. Często kalorymetr z warstwami aktywnymi w postaci detektorów gazowych stanowi jedynie uzupełnienie 12.

(19) ROZDZIAŁ 1 głównego kalorymetru. Proporcjonalne detektory gazowe jako warstwa aktywna w kalorymetrach stosowane są najczęściej w postaci wielosekcyjnych komór drutowych z katodą sygnałową. W systemie odczytu wykorzystuje się zarówno indukowane impulsy prądowe w obwodzie anody, jak i w obwodzie katody sygnałowej. Umożliwia to wyznaczenie współrzędnych miejsca jonizacji. Tabela 1.2 zawiera wykaz ważniejszych eksperymentów, w których zastosowano kalorymetry z gazowymi detektorami proporcjonalnymi. Akcelerator/ Doświadczenie Main Injector (Fermilab). Eksperyment. Budowa. Stosowana. mieszanina. kalorymetru. gazowa (koncentracja obj.%). p. MIPP. Pb/gaz.det.. Ar/CH4/CF4 (76.5/8.5/15). e-p. ZEUS. Fe/ gaz.det.. Ar/CO2. (87/13). L3. U/ gaz.det.. Ar/CH4. (92/8). EAS - TOP. Fe/ gaz.det.. Ar/i-C4H10. (50/50). HERA. (DESY). LEP. (CERN) e+ - e-. Badanie promieniowania kosmicznego (National Gran Sasso Laboratories). Tabela 1.2. Wykaz ważniejszych eksperymentów fizyki cząstek wysokich energii po 1990 r., w których zastosowano gazowe detektory proporcjonalne jako warstwa aktywna kalorymetrów próbkujących [15,16].. 1.4 GAZOWE DETEKTORY MIONÓW Ze względu na wymagane duże powierzchnie, systemy rejestracji mionów oparte są prawie wyłącznie na gazowych detektorach. Jedynie w eksperymentach DELPHI (LEP) i CDF ( Tevatron) użyto detektorów scyntylacyjnych. Stosowane gazowe detektory można podzielić na trzy zasadnicze grupy. Do pierwszej zaliczyć należy komory gazowe, zwykle wielosekcyjne, z pojedynczym drutem anodowym w każdej sekcji (ang. Single Wire Chamber – SWC). W stosowanych rozwiązaniach przekrój poprzeczny pojedynczej sekcji ma kształt prostokątny lub kołowy. Drugą grupę stanowią wielodrutowe komory (ang. Multi Wire Chamber – MWC), w których druty anodowe i katodowe rozpięte są w stosunkowo dużej objętości gazowej. Do trzeciej grupy zaliczamy komory z rezystywną warstwą (ang. Resistive Plate Counter – RPC)[17,18,19]. Komory RPC są płaskimi detektorami, mającymi kilkumilimetrową wspólną strefę absorpcji, dryfu i mnożenia lawinowego. W komorach tych stosuje się cienkie płyty (zazwyczaj o grubości 1-2 mm) z materiału posiadającego oporność właściwą w przedziale od 5·108 do 1013 Ω·cm. Najczęściej są to różne odmiany bakelitu lub szkła typu okiennego (materiały te charakteryzują się przewodnictwem jonowym) oraz 13.

(20) ROZDZIAŁ 1 specjalnego szkła o przewodnictwie elektronowym. W eksperymentach fizyki wysokich energii znajdują zastosowanie różne odmiany konstrukcyjne komór RPC. Z warstwą o wysokiej rezystancji po stronie anody lub katody, bądź po obu stronach. Elektrody odczytowe najczęściej w kształcie pasków, w których indukowany jest sygnał elektryczny mogą stanowić warstwę niezależną od elektrod potencjałowych, zapewniających odpowiedniej wielkości pole elektryczne w obszarze czynnym detektora. Duże natężenie pola elektrycznego w strefie czynnej komory przyczynia się do rozwoju lawin elektronowo-jonowych, a warstwy rezystancyjne zapobiegają wyładowaniom ciągłym w mieszaninie roboczej. Komory RPC pracują w zakresie ograniczonego wyładowania strimerowego lub w zakresie wyładowania lawinowego w gazie roboczym zapewniając stosunkowo duży sygnał indukowany w obwodzie elektrody odczytowej. Schemat budowy komory RPC z pojedynczą warstwą rezystywną i warstwą elektrod odczytowych (pasków), które jednocześnie formują pole elektryczne w komorze prezentowany jest na rysunku 1.4.. RPC hν. PARAMETR. katoda formująca pole E strefy dryfu i mnożenia lawinowego. S=2 mm. RPC. rozdzielczość powierzchniowa. E. (skrzyżowane paski) - najlepsza. 300 μm. rozdzielczość czasowa – typowa. 2 ns. - najlepsza przy S=0.1mm. ~50 ps. wielkość lawiny elektronowej generowanej przez pojedynczą cząstkę min. jon.(MIP) osiągana powierzchniowa gęstość. kierunek dryfu elektronów i rozwój lawiny elektronowej kierunek dryfu jonów powstałych w procesie mnożenia lawinowego. ~2 pC. 200 μm. rejestracji promieniowania. ~7kHz/cm2. paski anodowe szer. 140 μm wysokorezystywna płytka podłoża. Rysunek 1.4. Schematy budowy gazowego detektora typu RPC wraz z tabelą, zawierającą wykaz podstawowych ich własności. Podane wymiary i parametry są typowe dla współczesnych komór RPC. Dobrą przestrzenną rozdzielczość w systemach rejestracji mionów uzyskuje się dzięki dużej gęstości pasków odczytowych w komorach RPC lub dzięki pomiarowi czasu dryfu elektronów w komorach SWC i MWC. Rozwiązaniem, mającym na celu zapewnienie dobrej 14.

(21) ROZDZIAŁ 1 Akcelerator. Eksperyment Zastosowane. typy. gazowych. detektorów mionów. SWC LEP. Efektywna. Liczba. powierzchnia. MWC. RPC. kanałów. odczytu [w tyś.] 2. detektorów [m ]. DELPHI. X. 1800. 9. OPAL. X. 2200. 44. ALEPH. X. 1700. 140. L3. X. 18900. 22. ZEUS. X. 2200. 84. e-p. H1. X. 4200. 140. LHC. CMS. X. X. X. 26100. 690. (CERN). ATLAS. X. X. X. 46500. 1200. 1700. 120. (CERN) + -. e -e. HERA (DESY). p-p SPS. LHCb. X. X. UA1. X. 3900. 5. p- p TEVATRON CDF. X. 1000. 14. X. 6000. 39. (CERN). (FERMILAB). p- p. D0. ILC. LDC. X. 4000. 100. (w fazie proj.). SiD. X. 8600. ?. 6700. 73. e-e. 4thConcept. X. Tabela 1.3. Wykaz ważniejszych eksperymentów fizyki cząstek wysokich energii po 1990 r., w których zastosowano gazowe detektory w systemach rejestracji mionów. przestrzennej rozdzielczości, jest stosowanie w długich wielosekcyjnych komorach z pojedynczym drutem anodowym dodatkowych pasków metalicznych jako elektrod sygnałowych, umożliwiających lokalizację miejsca jonizacji wzdłuż drutu anodowego. Komory te są znane jako komory Iarocci’ego od nazwiska pomysłodawcy [20].Gazowe detektory mionów pracują zwykle w zakresie dużego współczynnika mnożenia lawinowego lub ograniczonego wyładowania strimerowego, a co za tym idzie dużej amplitudzie sygnałów wyjściowych. Dzięki temu w systemach rejestracji mionów można stosować stosunkowo proste elektroniczne układy stowarzyszone z detektorem, co przy dużej ilości kanałów odczytu w całym systemie jest bardzo istotne. Wykaz typów gazowych detektorów mionów i parametry, obrazujące wielkości systemów rejestracji mionów, zawiera tabela 1.3.. 15.

(22) ROZDZIAŁ 1. 1.5. WYMAGANIA. STAWIANE. GAZOWYM. DETEKTOROM. W. EKSPERYMENTACH FIZYKI CZĄSTEK WYSOKICH ENERGII Gazowe detektory promieniowania, stosowane w eksperymentach fizyki cząstek wysokich energii, charakteryzują się dużymi rozmiarami i stosunkowo lekką konstrukcją. Wielkość i użyte materiały, ze względu na procesy odgazowywania i dyfuzji przez ściany obudowy, zmuszają do częstej wymiany mieszaniny roboczej w objętości czynnej detektora. Dlatego też wszystkie stosowane rozwiązania opierają się na ciągłym przepływie gazu roboczego. W celu optymalizacji kosztów eksploatacji detektorów gazowych stosowane mieszaniny robocze oparte są głównie na najtańszym gazie szlachetnym – argonie. Wówczas mieszanina gazowa po jednokrotnym przepływie przez detektor zostaje wypuszczona do atmosfery. W przypadku użycia mieszanin opartych na innych gazach szlachetnych (hel, neon w komorach TPC, ksenon w detektorach TRT) stosuje się zamknięte systemy gazowe, w których znajdują się zestawy oczyszczające mieszaninę roboczą. W eksperymentach fizyki cząstek wysokich energii wymagana jest duża stabilność pracy wszystkich typów detektorów. Stabilność pracy detektorów gazowych zależy głównie od stabilności napięć polaryzacji, składu mieszaniny roboczej, jej temperatury i ciśnienia. Przykładem bardzo wysokich wymagań stabilności pracy mogą być komory TPC ze względu na żądaną precyzję pomiarów. I tak przykładowo dla TPC, w eksperymencie ALICE, dla nadciśnienia 0.4 mbara względem ciśnienia atmosferycznego, dopuszczalna zmiana nadciśnienia nie powinna przekroczyć 0.01 mbara, dopuszczalna zmiana temperatury 0.1 K w całej objętości komory (95 m3), a koncentracja tlenu powinna być poniżej 5 ppm [21]. Eksperymenty fizyki cząstek wysokich energii prowadzone są przez kilka lub kilkanaście lat. Wymagana jest zatem stabilna, długoterminowa praca wszystkich elementów składowych eksperymentu. Stabilność długoterminowa detektorów gazowych związana jest głównie ze zjawiskiem starzenia, które polega na zmianie powierzchni elektrod, na których osadzają się warstwy polimerów różnych związków chemicznych. Osady polimerów zmieniają wartość współczynnika wzmocnienia gazowego, zmniejszają energetyczną zdolność rozdzielczą, przyczyniają się do zwiększenia efektu częstościowego i wzrostu prądu ciemnego detektora gazowego. Szybkość zmian starzeniowych uzależniona jest od konstrukcji detektora, składu użytej mieszaniny gazowej, rodzaju i koncentracji zanieczyszczeń gazowych. W każdym eksperymencie fizycznym, w którym stosowane są gazowe detektory promieniowania, należy podjąć prace badawcze mające na celu zapewnienie ich stabilnej 16.

(23) ROZDZIAŁ 1 pracy. Zapewnienie stabilnej, krótko i długoterminowej pracy detektora gazowego, z pominięciem całego spektrum zagadnień związanych ze stabilnością elektronicznego toru rejestracji, wiąże się z: - zapewnieniem stabilnego składu mieszaniny gazowej, - zapewnieniem jednorodnego przepływu mieszaniny gazowej wewnątrz komory, - zapewnieniem równomierności rozpływu gazu pomiędzy komorami w układach, gdy duża liczba pojedynczych komór jest równolegle przyłączona do systemu zasilania w gaz, - doborem składu mieszaniny roboczej, zapewniającym stabilną pracę komór przy zazwyczaj wymaganym dużym współczynniku wzmocnienia gazowego i mającym dobre własności starzeniowe, - doborem odpowiednich materiałów konstrukcyjnych do budowy detektora i systemu dystrybucji gazu, celem minimalizacji efektów starzeniowych. W celu spełnienia wymienionych warunków konieczna staje się również budowa systemu monitorowania parametrów, mających wpływ na stabilną pracę detektorów gazowych.. 17.

(24) ROZDZIAŁ 2. ROZDZIAŁ 2 AKCELERATOR HERA, DETEKTOR ZEUS Akcelerator HERA, którego poglądowy schemat jest przedstawiony na rysunku 2.1, jest jedynym na świecie zderzaczem przeciwbieżnych wiązek elektron - proton (ep). Decyzja o jego budowie została podjęta w maju 1984 r. Budowę ukończono w listopadzie 1990 r., a latem 1992 r. rozpoczęły się pierwsze zderzenia wraz ze zbieraniem danych fizycznych z detektorów. Tunel akceleratora o przekroju kołowym ma średnicę wewnętrzną 5.2 m i długość 6.3 km. Przebiega na głębokości od 10 do 25 m pod powierzchnią ziemi [22,23]. 360 m. HALA PÓŁNOCNA. H1. R=779 m HALA WSCHODNIA. HERMES. p. e. HALA ZACHODNIA. HERA B DESY HALA POŁUDNIOWA PETRA. ZEUS. Rysunek 2.1. Schemat akceleratora HERA z zaznaczonymi miejscami eksperymentów: ZEUS, H1, HERA B i HERMES. Do zakrzywiania wiązki protonowej zostały użyte magnesy nadprzewodzące, wytwarzające pole magnetyczne o natężeniu do 4.6 T. Natomiast w torze wiązki elektronowej wykorzystano magnesy, pracujące w temperaturze pokojowej. Ring elektronowy był wykorzystywany 18.

(25) ROZDZIAŁ 2 również do przyspieszania pozytonów. Energia wiązki elektronowej lub pozytonowej, po modernizacji w 1994 r., wynosiła 27.5 GeV, natomiast wiązki protonowej 920 GeV od 1998 r. Cząstki na obu ringach pogrupowane były w tzw. pęczki (ang. bunch). Na obwodzie pierścieni znajdowało się 210 pęczków, każdy posiadał od 1010 do 1011 cząstek. Pęczki przecinały się w punktach oddziaływania (eksperyment ZEUS i H1), co 96 ns pod kątem 0 radianów. Średnia uzyskiwana świetlność w latach 1992 – 2000 wynosiła około 1.5·1031 cm-2s-1. W wyniku modyfikacji, polegającej na wprowadzeniu nadprzewodzących magnesów, umożliwiających lepsze ogniskowanie wiązek w obszarze zderzeń, nastąpił około 4-krotny wzrost świetlności, skutkujący wzrostem częstości rejestracji interesujących oddziaływań. Detektor ZEUS był tak zaprojektowany, aby możliwe były badania różnych procesów w oddziaływaniach ep, z możliwością identyfikacji i precyzyjnego pomiaru rozproszonego leptonu oraz końcowych stanów hadronowych [24,25]. Był detektorem o budowie asymetrycznej ze względu na dużą różnicę energii między protonami i elektronami, która powodowała, że produkty interesujących oddziaływań były rejestrowane w wąskim stożku wokół wiązki protonowej. Detektor w kierunku wylotu z detektora wiązki protonowej charakteryzował się większą segmentacją i większą głębokością kalorymetrów (lepsza zdolność rozdzielcza torów i możliwość pomiaru większych energii zarówno w części elektromagnetycznej, jak i hadronowej). Kalorymetry dla cząstek i pęków o energii kilkuset GeV powinny mieć odpowiednio dużą głębokość. Ze względu na koszty niemożliwa była budowa odpowiednio głębokiego głównego kalorymetru. Dlatego otoczono kalorymetr główny kalorymetrem uzupełniającym BAC o mniejszej zdolności rozdzielczej. Rysunek 2.2 przedstawia szkic detektora wraz z jego częściami składowymi i skrótami nazw w języku angielskim. Detektor wierzchołka (ang. Vertex Detector - VXD) był najbliższym punktu interakcji składnikiem ZEUS-a. Jego zadaniem było wykrywanie cząstek o krótkim czasie życia i pomiar współrzędnych przestrzennych torów cząstek. Detektor torów (śladów) cząstek zbudowany z części CTD, FDET, RTD (CTD – Central Tracking Detector, FDET – Forward Detector, RTD – Rear Tracking Detector) umiejscowiony był w centrum detektora ZEUS, dookoła punktu interakcji. FDET składał się z dwóch typów detektorów FTD i TRD (FTD – Forward Tracking Detector, TRD – Transition Radiation Detector). CTD, RTD i FTD były wielodrutowymi komorami dryfowymi,. 19.

(26) ROZDZIAŁ 2. 1m. Rysunek 2.2. Szkic detektora ZEUS [25] pracującymi z mieszaniną gazową Ar, CO2, C2H6 o składzie objętościowym 90:8:2. TRD był gazowym. detektorem,. przystosowanym. do. rejestracji. promieniowania. przejścia,. zoptymalizowanym w kierunku identyfikacji elektronów, których pęd zawarty był w przedziale od 1 do 30 GeV/c. Zespół detektorów śladowych, umożliwiających pomiar pędu cząstek naładowanych za pomocą wyznaczenia krzywizny ich torów w polu magnetycznym, otoczony był nadprzewodzącą cewką, zapewniającą osiowe pole magnetyczne o natężeniu 1.43 T. Kalorymetr główny ZEUS-a umożliwiał pomiar energii cząstek wtórnych, będących produktami oddziaływania ep. W jego skład wchodziły części oznaczone skrótami BCAL,. 20.

(27) ROZDZIAŁ 2 FCAL, RCAL (Barrel, Forward, Rear Calorimeter). Zbudowany był z warstw absorbentu i plastikowych scyntylatorów. Absorbentem był zubożony uran o odpowiednio dobranej grubości, zapewniając jednakową odpowiedź kalorymetru dla składowej hadronowej i elektromagnetycznej mierzonych dżetów (pęków). Głębokość poszczególnych części była różna i wynikała z potrzeb podyktowanych kinematyką zderzeń. Kalorymetr zapewniał precyzyjny pomiar depozytu energii, uzyskując w czasie testów energetyczną zdolność rozdzielczą σ(E)/E = 0.18(0.35) /E-1/2 dla elektronów (hadronów). Kalorymetr zbudowany był z podobnych modułów, z których każdy składał się z wielu warstw uranu o grubości 3.3 mm, przedzielonych warstwami scyntylatora o grubości 2.6 mm. FCAL i BCAL podzielone były na trzy sekcje: elektromagnetyczną i dwie następujące po sobie sekcje hadronowe. Wewnętrzna elektromagnetyczna część kalorymetru miała całkowicie absorbować kaskady inicjowane przez rozproszone elektrony w spodziewanym zakresie energii. Wewnątrz części elektromagnetycznej umieszczona była warstwa krzemowych detektorów płytkowych, której zadaniem była identyfikacja elektronów w dżetach (HES – Hadron Electron Separator). Kalorymetr uzupełaniajacy BAC (BAcking Calorimeter) otaczał z zewnątrz główny kalorymetr. Jego zadaniem był pomiar energii wysokoenergetycznych kaskad hadronowych, wypływających z kalorymetru uranowego. W następnym rozdziale przedstawiony jest dokładniejszy opis jego funkcji i budowy. Spektrometr mionów był najbardziej zewnętrzną warstwą detektora ZEUS. Podobnie jak pozostałe komponenty był bardziej rozbudowany w kierunku wylotu wiązki protonowej z detektora ZEUS („do przodu”). Ta część oznaczona jest skrótem FMUON. Część boczną BMUON i tylną RMUON stanowiły warstwy wielosekcyjnych, z pojedynczym drutem anodowym, dryfowych komór gazowych, umieszczonych odpowiednio wewnątrz i na zewnątrz jarzma elektromagnesu. Komory te posiadały katodowe paski odczytu, umożliwiające wyznaczenie położenia miejsca jonizacji wzdłuż drutu anodowego. Warstwy komór wewnątrz i na zewnątrz elektromagnesu wyznaczały kierunek ruchu mionu. Na podstawie zmiany kierunku ruchu mionu, przy przejściu przez jarzmo elektromagnesu, określany był jego pęd. Każdy segment BMUON i RMUON stanowiły cztery warstwy gazowych. komór,. pracujących. przy niewielkim. nadciśnieniu. względem. ciśnienia. atmosferycznego, w zakresie ograniczonego wyładowania strimerowego (ang. limited streamer). Mieszaniną roboczą był argon i 2 – metylopropan (izobutan) o składzie objętościowym 30 – 70 %. Detekcyjnym elementem FMUON były wielodrutowe komory dryfowe, które pracowały również w zakresie ograniczonego wyładowania strimerowego przy. 21.

(28) ROZDZIAŁ 2 niewielkim nadciśnieniu z mieszaniną gazową Ar, CO2, CH4, o koncentracji poszczególnych składników 90:9:1. Pozostałe najistotniejsze elementy składowe detektora ZEUS, niezaznaczone na schemacie, to monitor świetlności LUMI (zaprojektowany przez prof. L. Suszyckiego MIFiTJ AGH, a wykonany przez grupę fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie), ściana Veto i spektrometr wiodących protonów. Do pomiaru świetlności wykorzystano proces hamowania elektronu w polu elektromagnetycznym protonu (proces Bethego – Heitlera), ep → eγp, którego przekrój czynny jest znany teoretycznie z bardzo dużą precyzją. W skład monitora świetlności weszły dwa detektory. Oddalony o 107 m od punktu interakcji detektor fotonów oraz oddalony o 35 m detektor elektronów (pozytonów), usytuowany za magnesem zaginającym wiązkę, który działał jako spektrometr, wydzielający z wiązki elektrony, które utraciły część swojej energii na emisję fotonu. Ściana Veto to detektor, który miał na celu wykrywanie cząstek, poruszających się poza wiązką protonową (tzw. halo wiązki). W momencie wykrycia takiego przypadku, dane z tego zderzenia były odrzucane. Zbudowany był z dwóch warstw detektorów scyntylacyjnych umieszczonych po obu stronach stalowego bloku o grubości 87 cm jako pasywnego absorbentu. Spektrometr wiodących protonów LPS (Leading Proton Spectrometer), którego zadaniem było wykrywanie i pomiar pędu rozproszonych protonów, których pęd poprzeczny był mniejszy niż 1 GeV/c, a pęd całkowity nie mniejszy niż 0.3 pędu protonu w wiązce. W skład LPS wchodziło 6 hodoskopów, zbudowanych z krzemowych detektorów paskowych, umieszczonych w odległości od 24 do 90 m od punktu interakcji.. 22.

(29) ROZDZIAŁ 3. ROZDZIAŁ 3 KALORYMETR UZUPEŁNIAJĄCY BAC Rolą kalorymetru uzupełniającego BAC był pomiar energii dżetów hadronowych, wychodzących z kalorymetru głównego oraz poprawa wydajności detekcji w spektrometrze mionów. W eksperymencie ZEUS kalorymetr główny i kalorymetr uzupełniający były kalorymetrami próbkującymi, których cechą jest naprzemienne ułożenie warstw absorbentu i warstw aktywnych. Warstwy aktywne, będące detektorami promieniowania, są źródłem sygnału elektrycznego, którego amplituda powinna być miarą energii absorbowanej cząstki pierwotnej wraz z wytworzoną przez nią kaskadą cząstek wtórnych.. 3.1 BUDOWA KALORYMETRU Warstwami absorbentu kalorymetru uzupełniającego były stalowe płyty, a warstwami aktywnymi wielosekcyjne gazowe komory proporcjonalne z pojedynczym drutem anodowym w każdej sekcji. Stalowe płyty o grubości 73 mm stanowiły równocześnie jarzmo elektromagnesu spektrometru mionów. Pomiędzy płytami znajdowały się szczeliny o grubości 37 mm, w których zostały umieszczone detektory gazowe. Jarzmo, którego szkic przedstawiony jest na rysunku 3.1, miało kształt zbliżony do graniastosłupa ośmiokątnego. Rura akceleratora przechodziła przez otwory w podstawach graniastosłupa. Ściany boczne graniastosłupa (ang. barrel, bottom) zbudowane były z 10 płyt i 9 warstw komór. Jedna podstawa graniastosłupa (ang. end-cup) w kierunku wylotu protonów z detektora ZEUS składała się z 11 płyt i 10 warstw komór, natomiast druga podstawa z 8 płyt i 7 warstw komór. W szczeliny ścian bocznych (barrel’u) zostały z obu stron wsunięte komory o długości 4.5 i 5.5 m, umieszczone w ten sposób, że w kolejnej szczelinie jarzma komory krótsze leżą nad dłuższymi. Taki sposób ułożenia minimalizował powierzchnię stref martwych w kalorymetrze. W szczeliny bottom’u zostały wsunięte komory długości 7.3 m. Ze względu na kształt podstaw ich szczeliny wypełnione były komorami o długości od 1.8 do 3.6 m.. 23.

(30) ROZDZIAŁ 3. Rysunek 3.1. Szkic jarzma elektromagnesu [25]. Pojedyncza komora stanowiła 7 lub 8 sekcyjny detektor gazowy, o przekroju poprzecznym pojedynczej sekcji 11 x 15 mm. Komory posiadały wyjścia sygnałowe z drutów anodowych i z katod sygnałowych. Na rysunku 3.2 pokazany jest schemat budowy komory. Specjalny profil duraluminiowy był zarówno katodą detektora, jak i głównym elementem konstrukcyjnym. Do zamontowanych na obu końcach komory płytek drukowanych przylutowane były naciągnięte druty anodowe z wolframu złoconego o średnicy 50μm. Ścieżki na przedniej płytce drukowanej zapewniały wyprowadzenie sygnałów z drutów anodowych na zewnątrz komory. Druty anodowe podpierane były, co około 50 cm, specjalnie ukształtowanym elementem plastikowym, który równocześnie zapewniał izolację i właściwe położenie katody sygnałowej. Katody sygnałowe wykonane były z blachy duralowej o grubości 0.7 mm i długości około 50 cm i dzieliły długość całej komory na segmenty, umożliwiając lokalizację przejścia cząstki lub kaskady wzdłuż drutu anodowego z dokładnością do długości segmentu. Całość zamknięta była pokrywą i odpowiednimi korkami na obu końcach. W korku przednim, oprócz wyprowadzeń sygnałów z drutów anodowych, znajdowały się dwa złącza gazowe. Wewnętrzna rurka poliuretanowa doprowadzała gaz ze 24.

(31) ROZDZIAŁ 3 złącza wejściowego na przeciwległy koniec komory, zapewniając przepływ gazu licznikowego od tyłu w kierunku przodu.. Rysunek 3.2. Elementy montażowe 8 sekcyjnej komory kalorymetru BAC.. 3.2 SYSTEM ODCZYTU ELEKTRONICZNEGO Komory kalorymetru BAC posiadały odczyt zarówno z drutów anodowych, jak i katod sygnałowych. Schemat blokowy systemu odczytu prezentowany jest na rysunku 3.3. Rezystor o wartości 12 MΩ, wpięty szeregowo w obwodzie polaryzacji anody, spełniał rolę ogranicznika prądu w przypadku zwarcia elektrycznego wewnątrz komory, jak i zapewniał przekaz indukowanego impulsu prądowego w obwodzie anody prawie w całości do przedwzmacniacza prądowego (konwertera prądowo-napięciowego). Przedwzmacniacz prądowy posiadał wyjścia symetryczne, z których jedno było wykorzystywane w systemie rejestracji toru cząstek, drugie w systemie pomiaru kalorymetrycznego. Dalszymi elementami systemu rejestracji toru były dyskryminatory z ustawionym progiem dyskryminacji poniżej poziomu sygnału, odpowiadającemu przejściu cząstki minimalnie jonizującej, odpowiednio głęboki rejestr przesuwny oraz układy transmisji i obróbki danych. Część kalorymetryczna składała się z sumatorów analogowych, do których podłączone były sygnały z drutów anodowych, tworząc tzw. wieże drutowe oraz układów kształtowania impulsów i przetworników analogowo – cyfrowych (ADC). W celu rozszerzenia dynamicznego zakresu 25.

(32) ROZDZIAŁ 3. Zasilacz wysokiego napięcia HVPS (0-3000V). Drut anodowy 12MΩ 1nF. SYSTEM REJESTRACJI TORU VME. NH 19-6112. DYSKRYMINATOR. TRANSPUTERY. REJESTR PRZESUWNY. ADC(FLASH). BUFOR Katody sygnałowe sąsiadujących czterech komór. ~100Ω. k=2x12,5 mV/μA 1 8. 1. Σ. 10. Σ. 1 ~120Ω 10. Σ. OBW. KSZTAŁT. (SHAPER) KV=10 OBW. KSZTAŁT. (SHAPER). 1 16. OBW. KSZTAŁT. (SHAPER) KV=1. Σ. OBW. KSZTAŁT. (SHAPER). CZĘŚĆ KALORYMETRYCZNA – WIEŻE DRUTOWE, WIEŻE KATODOWE. Rysunek 3.3. Schemat blokowy systemu odczytu elektronicznego z komór gazowych kalorymetru BAC. pomiarowego, sygnały były rozdzielane na dwa równoległe tory o małym ( KV = 1) i dużym ( KV = 10) wzmocnieniu napięciowym, co odpowiadało depozytowi energii odpowiednio około 100 GeV i 10 GeV. Sąsiadujące cztery ( w niektórych przypadkach 3 lub 2) komory jednej warstwy miały połączone równolegle ze sobą kolejne katody sygnałowe, tworząc obszary o wymiarach 50 cm x 50 cm i dołączone były do przedwzmacniaczy prądowych. Przedwzmacniacze te miały inną budowę niż przedwzmacniacze pracujące w obwodzie anodowym, ze względu na dużą pojemność połączonych równolegle katod sygnałowych, dochodzącą do 1.5 nF, jak i inne parametry amplitudowe oraz czasowe indukowanych impulsów. Dalsza budowa toru była zbliżona do kalorymetrycznej części odczytu z drutów anodowych, tworząc tzw. wieże katodowe. Depozyt energii w kalorymetrze był wyznaczany na postawie amplitudy sygnału z wież drutowych, które rozciągały się na pełną głębokość kalorymetru. Natomiast lokalizacja depozytu energii wzdłuż drutu dokonywana była na postawie sygnałów z wież katodowych. Czas dryfu elektronów w kierunku anody jest uzależniony od miejsca jonizacji pierwotnej i wynosił w geometrii pojedynczej sekcji komory kalorymetru, przy napięciu polaryzacji 1785V, maksymalnie około 220 ns. Tak duże rozmycie czasowe, w stosunku do czasu pomiędzy kolejnymi zderzeniami elektron - proton w punkcie interakcji (co 96 ns), wymagało odpowiednio zawansowanego systemu obróbki danych i ekstrakcji potrzebnych wielkości.. 26.

(33) ROZDZIAŁ 3 System ten również rozpoznawał i odrzucał przypadki bardzo dużych sygnałów, wykreowanych przez kaskady, zapoczątkowane wysokoenergetycznymi neutronami lub przez możliwe wyładowania iskrowe w komorze.. 3.3 ENERGETYCZNA ZDOLNOŚĆ ROZDZIELCZA KALORYMETRU BAC Pomiar energii cząstki w kalorymetrze oparty jest na pomiarze energii zdeponowanej w jego objętości przez cząstkę pierwotną i cząstki wykreowanej kaskady. Suma długości śladów T w kalorymetrze wszystkich cząstek kaskady jest proporcjonalna do energii E cząstki pierwotnej, T  E [26]. W kalorymetrze próbkującym o grubości d pojedynczej warstwy absorbentu, ilość przecięć warstw aktywnych wynosi średnio T/d. Z każdym przejściem cząstki przez warstwę aktywną wiąże się jonizacja średnio n atomów gazu roboczego, zatem średni całkowity ładunek N, wykreowany we wszystkich warstwach aktywnych, przy pełnym pochłonięciu cząstki i współczynniku wzmocnienia gazowego A, jest proporcjonalny do. N  E  n  A d . Rozwój kaskad hadronowych w warstwach absorbentu oraz proces jonizacji pierwotnej i wtórnej w komorze proporcjonalnej ma charakter statystyczny. Oznacza to, że sygnał kalorymetru dla identycznych cząstek o tej samej energii podlega fluktuacjom. Fluktuacje statystyczne, związane są z: fluktuacjami rozwoju kaskady hadronowej, fluktuacjami próbkowania (to jest ze statystyką podziału depozytu energii absorbent warstwa aktywna), statystycznym rozkładem strat jonizacyjnych pojedynczej cząstki w warstwie aktywnej (rozkład Landaua) oraz statystycznym charakterem rozwoju lawin elektronowo - jonowych w obszarze mnożenia lawinowego, gazowego detektora proporcjonalnego.. Przyjmując,. że. wszystkie. wymienione. procesy. są. niezależne,. otrzymujemy, że odchylenie standardowe  ( N )  N   ( E )  E . Zatem energetyczna zdolność rozdzielcza kalorymetru zależy od statystycznego charakteru procesów, które przyczyniają się do względnego rozmycia sygnału i wynosi  ( E ) E  a. E , gdzie a jest. współczynnikiem proporcjonalności. Sygnał kalorymetru uzależniony jest również od kąta padania cząstki (różne długości drogi w absorbencie i w warstwie aktywnej), od jednorodności budowy kalorymetru (występujące obszary nieaktywne) dając stały niezależny od energii cząstki σ0 przyczynek do względnego rozmycia sygnału. Szumy toru elektronicznego, stowarzyszonego z komorami, są niezależne od amplitudy sygnału wejściowego, który jest proporcjonalny do energii cząstki. Zatem kontrybucja do 27.

(34) ROZDZIAŁ 3 względnego rozmycia sygnału wynosi b E , gdzie b jest współczynnikiem proporcjonalności, zależnym od średniokwadratowej amplitudy szumów toru elektronicznego. Energetyczna zdolność rozdzielcza hadronowego kalorymetru próbkującego jest wypadkową wszystkich wymienionych czynników i może być wyrażona w postaci równania:.  (E) E. 2. 2.  a  b         02 .  E  E. (3.1). W celu przetestowania i kalibracji kalorymetru uzupełniającego został zbudowany prototyp tzw. moduł testowy, składający się z 11 płyt stalowych o wymiarach 2 m x 2 m i grubości identycznej, jak w kalorymetrze docelowym. Szczeliny modułu testowego wypełnione były krótkimi komorami 8-sekcyjnymi. Moduł testowany był w Europejskim Ośrodku Fizyki Jądrowej (CERN) wysokoenergetycznymi elektronami, mionami i hadronami. Szczegółowe wyniki zawarte w [27] można podsumować następująco: odpowiedź kalorymetru była liniową funkcją energii cząstki, w przedziale energii dla elektronów od 10 do 30 GeV, dla hadronów od 10 do 100 GeV, energetyczna zdolność rozdzielcza wynosiła 85 %·E -1/2 dla elektronów i 120 %·E -1/2 dla hadronów, (E w GeV). Dla kalorymetru BAC energetyczną zdolność rozdzielczą w sposób dominujący wyznaczał składnik statystyczny, stąd prezentowane wartości liczbowe uzależnione są jedynie od E -1/2.. 28.

(35) ROZDZIAŁ 4. ROZDZIAŁ 4 KOMORA. PROPORCJONALNA JAKO ELEMENT WARSTWY AKTYWNEJ KALORYMETRU BAC Działanie każdego gazowego detektora proporcjonalnego uzależnione jest od rodzaju i ciśnienia użytej mieszaniny roboczej, od napięcia polaryzacji elektrod oraz od geometrii detektora. Dla detektora przepływowego, jakim były komory kalorymetru, istotne są również zmiany ciśnienia mieszaniny roboczej, wynikające ze zmian ciśnienia atmosferycznego, zmiany temperatury pracy detektora i koncentracja gazów resztkowych (zanieczyszczeń). Zagadnienia te są kolejno omówione w kolejnych częściach rozdziału.. 4.1 WŁASNOŚCI MIESZANINY GAZOWEJ AR + CO2 Przepływowe komory kalorymetru BAC pracowały z mieszaniną na bazie argonu, w której czynnikiem gaszącym był tlenek węgla (IV). Zestaw mieszający mógł wytwarzać mieszaninę roboczą w szerokim zakresie koncentracji CO2, niemniej jednak przez prawie cały okres eksploatacji kalorymetru BAC była ona utrzymywana na poziomie 13%. Tabela 4.1 zawiera wykaz własności gazów Ar i CO2 jako składników mieszaniny roboczej detektora proporcjonalnego. Dane te umożliwiają analizę procesów, zachodzących w mieszaninie w czasie pracy detektora. W obszarze jonizacji pierwotnej i w obszarze mnożenia lawinowego, oprócz jonizacji atomów lub cząsteczek gazu opisanych równaniem (A.3, A.11), zachodzi też proces ich wzbudzania, co wyraża równanie ( A.1, A.2). Pierwszy potencjał jonizacji CO2 jest wyższy od energii obu poziomów metastabilnych argonu, co wyklucza możliwość zajścia metastabilnego efektu Penninga opisanego równaniem (A.15), który wydatnie zwiększa liczbę swobodnych ładunków jonizacji pierwotnej, całkowitej i lawinowej. Dwa rezonansowe stany wzbudzone atomów argonu o energiach wyższych niż pierwszy potencjał jonizacji CO 2 umożliwiają wystąpienie nie-metastabilnego efektu Penninga (proces opisany równaniem (A.13) z niskim prawdopodobieństwem zajścia, niemniej obserwowany dla tej mieszaniny [28]). Średnia energia na parę jonów WJ nie jest stała i zmienia się w niewielkim zakresie w zależności od rodzaju cząstki jonizującej i jej energii. Dla argonu WJ wynosi 26.4 eV w przypadku jonizacji przez cząstkę α, a 26.66 eV w przypadku jonizacji przez proton [29]. Dla 29.

(36) ROZDZIAŁ 4 Gaz Ar. Z 18. A. ρ. E*/Em. EJ. WJ. dE/dx. nP. nT. [kg/m3]. [eV]. [eV]. [eV]. [keV/cm]. [n/cm]. [n/cm]. 15.76. 26.4. 2.44. 29.4. 93. 13.78. 34. 3.01. 34. 91. 39,95 1.784 - poziomy rezonansowe 3p5(2P03/2)5s – 3p6 14.09 3p5(2P01/2)5s – 3p6 14.26 3p5(2P03/2)4s – 3p6 11.62 3p5(2P1/20)4s – 3p6 11.83 - poziomy metastabilne. CO2. 22. 3p5 4s 3P2. 11.55. 3p5 4s 3P0. 11.72. 44.01 1.980 - poziom rezonansowy 5.2. Tabela 4.1. Własności argonu i tlenku węgla (IV) w warunkach normalnych (1013 hPa, 293 K). Tabela przedstawia kolejno liczbę atomową, liczbę masową, gęstość, energię poziomów wzbudzeń, pierwszy potencjał jonizacji, średnią energię na parę jon-elektron i średnią energię traconą, średnią liczbę jonizacji pierwotnej (nP) oraz średnią liczbę jonizacji całkowitej (nT) na jednostkę długości drogi cząstki minimalnie jonizującej.[2, 29, 30] dwuskładnikowych mieszanin gazów wielu autorów (Bortner, Hurst, Stricler) podjęło próby ustalenia formuły na WJ, ale wszystkie one zawierają czynnik wyznaczany doświadczalnie. W mieszaninach, w których zachodzi efekt Penninga WJ, ulega obniżeniu i tak dla mieszaniny Ar + 13%C02, ze względu na możliwość zajścia nie-metastabilnego efektu Penninga, wynosi on około 26.2 eV. W komorach kalorymetru BAC, o przekroju pojedynczej sekcji 11x15 mm2, minimalna długość toru cząstki wynosi 11mm. Cząstka minimalnie jonizująca na tej długości toru pozostawi średnio 102 pary jonów. Niższy pierwszy potencjał jonizacji molekuły CO2 niż atomu Ar sprawia, że w czasie dryfu jonów Ar+ następuje, w wyniku wzajemnego oddziaływania, proces transferu ładunku opisany równaniem (A.6). Przy uwzględnieniu koncentracji molekuł CO2 w mieszaninie, ich prędkości i średniej drogi swobodnej w warunkach normalnych otrzymano, że proces transferu ładunku zachodzi w czasie do 1.8 μs ( przy założeniu, że prawdopodobieństwo transferu w pojedynczym zderzeniu wynosi nie mniej niż 0.001 [2]). Dokonujący się proces transferu sprawia, że docierające do katody jony to w większości jony CO2+. Ruchliwość jonów Ar+ i CO2+ ma wartości zbliżone (tabela 4.2), a więc proces transferu nieznacznie wpływa na zmianę prędkości dryfu ładunków dodatnich w detektorze. 30.

(37) ROZDZIAŁ 4. JON. GAZ. Ar+. Ar. RUCHLIWOŚĆ [cm2 V-1 s-1] 1.7. Ar. 1.72. CO2+. CO2. 1.09. CO2+. Ar + 13%CO2. 1.60. CO2. +. Tabela 4.2. Ruchliwość jonów Ar+ i CO2+ w różnych gazach w warunkach normalnych. Dla mieszanin ruchliwość można wyznaczyć na podstawie prawa Blanc-a. [2]. PRĘDKOŚĆ DRYFU ELEKTRONÓW [cm/s]. 5. 4. 5% 3. 10%. 2. 15%. 21%. 1. 0. 0. 100. 200. 300. 400. NATĘŻENIE POLA ELEKTRYCZNEGO [V/cm]. Rysunek 4.1. Prędkość dryfu elektronów w mieszaninie Ar + CO2 w funkcji natężenia pola elektrycznego przy ciśnieniu 1013,25 hPa dla różnych koncentracji CO2.[31] Prędkość dryfu elektronów jest uzależniona zarówno od natężenia pola elektrycznego, jak i od koncentracji CO2 w mieszaninie. Zależności te prezentowane są na rysunku 4.1. W zakresie koncentracji CO2 od 5 do 21 % prędkość dryfu elektronów maleje ze wzrostem koncentracji przy ustalonym natężeniu pola elektrycznego. Powrót do stanu podstawowego wzbudzonych do poziomu rezonansowego atomów argonu, opisany równaniem (A.12), wiąże się z emisją fotonów o energiach zależnych od energii wzbudzeń, które wyszczególnione są w tabeli 4.1. Energie tych fotonów przekraczają energię dysocjacji cząsteczki CO2 do CO i O, która wynosi 4.5 eV. W związku z tym proces absorpcji tych fotonów przez molekułę CO2 związany jest z jej dysocjacją (równanie A.20).. 31.

(38) ROZDZIAŁ 4 Również proces zobojętniania docierających do katody jonów CO2+ będzie się wiązał z dysocjacją cząsteczki CO2 ( równanie A.21). Mieszanina Ar + 13% CO2 zapewnia możliwość uzyskania wysokich stabilnych wzmocnień gazowych. Wyznaczone wartości współczynnika wzmocnienia gazowego Aγ, w zależności od napięcia polaryzacji anody w geometrii pojedynczej sekcji komory kalorymetru dla różnych koncentracji CO2, prezentowane są na rysunku 4.2. Elektron w strefie silnych pól wskutek zderzeń z molekułami CO2 traci energię na rotacyjno – wibracyjne stany wzbudzone cząsteczki, a więc przy wzroście koncentracji CO2 w mieszaninie, przy ustalonym napięciu polaryzacji, maleje wartość współczynnika wzmocnienia gazowego. Komory kalorymetru przez cały czas trwania eksperymentu pracowały przy napięciu polaryzacji 1785 V. co. WARTOŚĆ WSPÓŁCZYNNIKA WZMOCNIENIA GAZOWEGO A. zapewniało wartość współczynnika wzmocnienia gazowego na poziomie 4.3·104.. 10. 5. 10. 4. 10. 3. 15% 14% 13% 12% 11% 10%. 1400. 1500. 1600. 1700. 1800. 1900. NAPIĘCIE POLARYZACJI [V] Rysunek 4.2. Współczynnik wzmocnienia gazowego Aγ dla mieszaniny Ar + CO2, dla sekcji komory kalorymetru uzupełniającego BAC, przy ciśnieniu 1020 hPa i temperaturze 22.3 0C.. 32.

(39) ROZDZIAŁ 4. 4.2 PRZESTRZENNY ROZKŁAD NATĘŻENIA POLA ELEKTRYCZNEGO, GENERACJA. SYGNAŁU. I. CZAS. DRYFU. JONÓW. W. KOMORZE. KALORYMETRU Pojedyncza sekcja komory kalorymetru o przekroju poprzecznym 11x15 mm 2 jest układem trójelektrodowym, składającym się z anody, katody zbiorczej i katody sygnałowej. Rysunek 4.3A prezentuje rozkład potencjału w pojedynczej sekcji komory przy zasilaniu anody napięciem 1785V. Wyznaczony rozkład natężenia pola elektrycznego umożliwia wyznaczenie rozkładu przestrzennego prędkości dryfu elektronów i jonów. Niezbędna przy   korzystaniu z twierdzenia Ramo-Shockley’a (równanie A.26) jest znajomość rozkładu Wk (r ) ,  który jest natężeniem pola elektrycznego, w punkcie określonym wektorem położenia r , wytworzonym przez jednostkowe napięcie polaryzacji elektrody k detektora, przy uziemieniu wszystkich pozostałych. Rozkład potencjału prezentowany na rysunku 4.3 B posłużył do   wyznaczenia rozkładu natężenia pola elektrycznego Wk (r ) i umożliwił określenie kształtu impulsu prądowego z katody sygnałowej. Wyznaczone przebiegi czasowe indukowanych impulsów w obwodzie anody i katody sygnałowej prezentowane są na rysunku 4.4. A. B. Rysunek 4.3. Linie ekwipotencjalne na powierzchni przekroju pojedynczej sekcji 11x15 mm, drut anodowy rA=25 μm. A – potencjał drutu anodowego 1785V (napięcie robocze komór kalorymetru uzupełniającego), katoda zbiorcza i sygnałowa na potencjale 0V, linie wykreślono co 57.58V, B – katoda sygnałowa na potencjale 1V, anoda i katoda zbiorcza na potencjale 0V, linie wykreślono co 0.032V. (Obliczeń dokonano pakietem programowym Poisson Superfish z LANL.). 33.

(40) ROZDZIAŁ 4. A. B. 0. 0,30 -1. 0,25 0,20. -3. IK [A]. IA [A]. -2. -4 -5. 0,15 0,10. -6. 0,05. -7. 0,0. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. 0,00 0,0. 0,7. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. 0,7. 0,8. 0,9. 1,0. CZAS [s]. CZAS [s]. Rysunek 4.4. Kształt impulsu prądowego, indukowanego w obwodzie elektrycznym danej elektrody w pojedynczej sekcji komory kalorymetru, wyznaczonego z twierdzenia Ramo przy założeniach: jonizacja pierwotna punktowa nT=102 par elektron-jon, wzmocnienie gazowe Aγ=4.3·104, zerowa rezystancja obwodu stowarzyszonego z elektrodami, zaniedbana składowa elektronowa impulsu, ładunek wykreowany wokół anody ma rozkład symetryczny, drut anodowy rA=25 μm, napięcie polaryzacji anody 1785 V, mieszanina robocza Ar + 13% CO2 w warunkach normalnych. A – natężenie prądu indukowanego w obwodzie anody, B – natężenie prądu indukowanego w obwodzie katody sygnałowej.. A. B CZAS W NS. CZAS W S. 4. 4. 2. 2. 0. 5. 0 20. 40 60 80. 1. -2. 2. -2. 200. 100. -4. 3. 10. 15. 4. -4. 300 -6. -4. -2. 0. 2. 4. 6. -6. -4. -2. 0. 2. 4. 6. Rysunek 4.5. Linie jednakowego czasu dryfu na powierzchni przekroju pojedynczej sekcji 11 x 15 mm2, drut anodowy rA=25 μm, mieszanina robocza Ar + 13% CO2 w warunkach normalnych, potencjał anody 1785 V. A - linie jednakowego czasu dryfu elektronów w kierunku powierzchni anody, B – linie jednakowego czasu dryfu jonów Ar+/CO2+ od anody do powierzchni katody.. 34.