устройство для регистрации заряженных частиц

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащее микроканальные пластины, анод в виде системы K расположенных параллельно друг другу и аноду полосковых проводников, линию задержки и блок регистрации, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и одновременного получения двух пространственных и одной временной координат трека заряженной частицы, анод снабжен плоской линией задержки, проводники которой перпендикулярны полосковым проводникам.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано в прикладных и научных исследованиях по ядерной физике и физике высоких энергий для прецизионного измерения временных и пространственных координат треков заряженных частиц.

Известно устройство для детектирования излучения [1] содержащее мишень-конвертер, микроканальные пластины (МКП) как размножитель вторичных электронов и регистратор зарядового рельефа выходной поверхности МКП, по которому выявляют активированные излучением каналы и по их положению судят о координатах регистрируемых ионизирующих частиц.

Недостатком известного устройства является невозможность получения временной отметки о прохождении частицы наряду с координатами трека, а также невозможность применения данного устройства в качестве пролетного детектора с минимальным количеством вещества на пути частицы.

Известно устройство для детектирования излучения [2] включающее МКП, конвертер и узел регистрации электронов, состоящий из потенциально запоминающей пластины и датчика для съема сигналов в режиме реального времени. Устройство обеспечивает возможность одновременной регистрации изображения объекта с радиоактивными участками в оптическом и гамма-диапазонах.

Недостатком известного устройства является невозможность получения прецизионной временной отметки о прохождении частицы и невозможность работы в высокоинтенсивных потоках частиц и в пролетном варианте.

Известно устройство для регистрации заряженных частиц, а именно электронов [3] содержащее МКП, стрипы для съема сигналов с МКП и линии задержки в системе считывания информации со стрипов. Известное устройство обеспечивает пространственное разрешение при регистрации электронов с энергией 1-15 кэВ на уровне 250 мкм. Временная отметка прохождения частицы в данном устройстве получается от дополнительной пластины рефлектора, располагающейся за стрипами.

Известное устройство является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и может быть принято в качестве прототипа. Общими признаками с предлагаемым изобретением являются: микроканальные пластины и блок регистрации, имеющий анод, включающий плоскую линию задержки и стрипы (полосковые проводники).

Недостатками прототипа являются:

принципиальная невозможность работы в высокоинтенсивных пучках в качестве координатно-чувствительного стартового детектора вследствие того, что в нем не предусмотрена возможность одновременного получения временной отметки и хотя бы одной пространственной координаты, а кроме того предельные загрузки быстрого триггера в данном случае определяются всей поверхностью рабочей зоны МКП (дополнительной пластины-рефлектора) и, следовательно, не могут быть высокими при работе с детектором большой площади;

определение двух пространственных координат трека может быть произведено только после прихода двух сигналов с линии задержки, после вычисления центра тяжести распределения, следовательно, отбор событий в заданной области координат не может быть произведен непосредственно вместе с временной отметкой;

линия задержки, расположенная рядом со стрипами, вносит нежелательное дополнительное вещество в область вблизи мишени. Вследствие этого при создании координатного детектора, предназначенного для работ в широком диапазоне углов, близком к 4 появляются дополнительные трудности с размещением основных элементов устройства-прототипа.

Для регистрации слабоионизирующих (длиннопробежных) частиц ни одно из известных устройств-аналогов не применялось.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей и одновременное получение прецизионных двух пространственных и одной временной координат трека заряженной частицы. Дополнительная цель изобретения детектирование слабоионизирующих (длиннопробежных) частиц.

Для этого в известном устройстве для регистрации заряженных частиц, содержащем микроканальные пластины и блок регистрации, имеющий анод, включающий плоскую линию задержки и стрипы, в соответствии с изобретением в блоке регистрации анод выполнен в виде комбинации линии задержки с продольными стрипами, расположенными внутри линии перпендикулярно к виткам.

Кроме того, для детектирования слабоионизирующих заряженных частиц микроканальные пластины выбраны в качестве мишени-конвертера.

На фиг. 1 представлена схема расположения основных узлов устройства; на фиг. 2 блок-схема опыта по измерению эффективности регистрации заряженных пионов с импульсом 800 мэВ/c; на фиг. 3 спектр амплитуд импульсов, полученный для сборки из 2 МКП. На пучке положительных заряженных пионов с импульсом 800 МэВ/с; на фиг. 4 результаты измерений пространственного разрешения по оси Z, проведенных с помощью предлагаемого устройства.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Применение в качестве анода в блоке регистрации комбинации плоской линии задержки и набора стрипов дает возможность одновременной регистрации трех параметров трека частицы, прошедшей через многоканальные пластины (МКП): прецизионное измерение времени (t) и двух пространственных координат (Х и Z) точки пересечения трека с плоскостью МКП.

Компоновка МКП и блока регистрации такова, что указанные возможности достигаются за счет следующего разделения и совмещения функций применяемых элементов: точка попадания трека на поверхность МКП проецируется электронной лавиной на поверхность плоской линии задержки, точнее на один виток линии задержки, так как размеры лавины не превышают диаметра одного канала, т.е. 10 мкм, а диаметр проволоки в линии задержки 50 мм. Сигнал, индуцированный на одном из продольных стрипов, оказавшихся под местом попадания электронной лавины на виток линии задержки, появляется с задержкой порядка нескольких пикосекунд и представляет собой прецизионную временную отметку момента прохождения частицы через детектор, а номер стрипа дает одну пространственную координату трека. Вторая пространственная координата получается путем измерения времени прихода сигнала от электронной лавины с линии задержки. Причем использование линии задержки непосредственно в качестве анода дает возможность повысить разрешающую способность при определении координаты в сравнении с дискретной системой стрипов и линией задержки в системе считывания сигналов со стрипов, применяемых в прототипе.

В детектирующих устройствах МКП обычно играют роль электрического усилителя, а роль непосредственного детектора ионизирующего излучения играет та или иная мишень-конвертер (в зависимости от типа регистрируемого излучения), располагающаяся перед МКП. Свободные электроны, образовавшиеся вследствие того или иного процесса взаимодействия излучения с веществом в месте прохождения ионизирующего излучения через мишень-конвертер, далее попадают на поверхность МКП.

Для сильноионизирующих частиц известно применение МКП непосредственно в качестве мишени-конвертера. Для слабоионизирующих частиц выбор МКП непосредственно в качестве мишени-конвертера не был очевиден. Оценки, проведенные авторами, показали, что для заряженных пионов с импульсом 1 ГэВ/с в веществе одной МКП на пути частицы должно образовываться в среднем 10 тыс.пар зарядов, что в принципе позволяет зарегистрировать такого сорта частицы с помощью МКП в качестве мишени-конвертера, помимо ее основной функции электронного умножителя.

При этом уменьшается количество вещества на пути длиннопробежной частицы и, что важно при последующих координатных измерениях, соответственно увеличивается точность координатных измерений непосредственно детектором на основе МКП.

Вторичные электроны, образовавшиеся при прохождении длиннопробежной частицы через материал МКП (SiO₂PbO), образуют в канале или в соседних каналах лавину, которая регистрируется системой съема. При этом достигается эффективность регистрации выше, чем для короткопробежных частиц, так как в последнем случае фактор геометрической эффективности не превосходит 65-70% В данном случае работает весь объем МКП.

Ранее аналогичные конструкции для одновременной прецизионной регистрации пространственно-временных координат треков частиц не были описаны. В силу этого устройство соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия".

Устройство содержит МКП 1, смонтированные на специальных изолирующих оправках с токовводами (фиг. 1). За пластинами установлен блок регистрации, состоящий из линии задержки 2 с расположенными внутри параллельными полосковыми проводниками (стрипами) 3. МКП располагаются одна за другой с зазором, образуя шевронную сборку с противоположно направленными каналами. К торцам пластин МКП подается высокое напряжение с делителя 4. Сигнал, возникающий в стрипах 3, усиливается зарядовочувствительным предусилителем 6. R-5 согласующее сопротивление. Устройство вместе с системой регистрации помещено в специальную вакуумную камеру (не показана).

Пластины 1 расположены на расстоянии десять-несколько сотен микрон одна от другой. (В конкретном примере расстояние составляло 800 мкм). При этом направление (ориентация) каналов МКП выбирается таким образом, чтобы исключить соосность каналов, относящихся к разным МКП. Применение большего числа МКП (N > 2) дает известную возможность увеличения внутреннего коэффициента усиления сборки.

К проводящим плоским торцам пластин по кабелям подается высокое напряжение с делителя 4 (кабели на фиг. 1 обозначены, но не специфицированы).

Под пластинами на расстоянии 500 мкм установлен анод, состоящий из системы параллельных полосковых проводников С 3 и плоской линии задержки DL 2. Полосковые проводники С анода располагаются на пластине из диэлектрика и могут иметь ширину от десяти до сотен микрон или миллиметров, их число К определяется необходимым пространственным разрешением и доступной электроникой многоканальной регистрации сигналов. Полосковые медные проводники С в конкретном примере имели длину 100 мм, ширину 800 мкм с шагом 200 мкм, и были выполнены на плате из фольгированного текстолита длиной 100 мм и шириной 35 мм.

Плоская линия задержки с витками, перпендикулярными к полосковым проводникам, образует систему съема второй координаты сигнала с МКП. В конкретном примере плоская линия задержки представляла собой спираль из медной изолированной проволоки диаметром 50 мкм, витки которой были уложены рядом без зазора поверх полосок и пластины из диэлектрика перпендикулярно к полоскам.

Полосковые проводники и один конец линии задержки соединены высокочастотными сигнальными кабелями с зарядовочувствительными предусилителями 6. (Сигнальные кабели на фиг. 1 обозначены, но не специфицированы). Второй конец линии задержки также может быть соединен с предусилителем и включен в схему считывания второй координаты, либо как на фиг. 1 подключен к согласующему сопротивлению R 5.

МКП и анод помещены в вакуумную камеру, обеспечивающую рабочий вакуум около 10^-5 мм рт.ст.

Зарядовочувствительные предусилители располагаются вне вакуумной камеры и соединяются с сигнальными кабелями через герметичный вакуумный разъем (вакуумная камера и разъем на фиг. 1 не указаны).

Сигналы, индуцируемые электронной лавиной в проводящих полосках, и сигналы, приходящие с выхода линии задержки, поступают с зарядовочувствительных предусилителей по сигнальным кабелям на блок регистрации 7. (На фиг. 2 содержится вариант блока регистрации на три канала, который применялся в данной работе).

Устройство работает следующим образом.

На торцы находящихся в вакууме МКП 1 с делителя 4 подают такой ускоряющий потенциал, что в каналах формируется ускоряющее электрическое поле, направленное вдоль оси канала. Вторичные электроны, образовавшиеся при прохождении длиннопробежной частицы через материал МКП (SiO₂PbO) и попавшие в канал, ускоряются в нем и, ударяясь о стенки канала, образуют лавину. Заряд электронной лавины, вылетевшей из МКП 1, попадает непосредственно на проводник линии задержки 2 и индуцирует на продольном стрипе 3, находящемся под точкой попадания лавины, сигнал. Этот сигнал усиливается зарядовочувствительным предусилителем 6 и являет собой временную отметку, характеристики которой целиком определяются используемой электроникой, так как продолжительность непосредственно электронной лавины после МКП, как известно, составляет величины порядка пикосекунд. Номер стрипа определяет одну пространственную координату трека. Измерив время прихода сигнала от электронной лавины с линии задержки 2, определяют вторую пространственную координату трека.

П р и м е р конкретного выполнения. Проверяли эффективность регистрации длиннопробежных слабоионизирующих частиц на пучках пионов с импульсом 800 МэВ/с синхрофазотрона ЛВЭ ОИЯИ. Координатное и временное разрешение устройства схема сигналов с МКП проверялось на -частицах низкой энергии ( -источник Ро²¹⁰).

Блок-схема опыта по измерению эффективности регистрации заряженных пионов с импульсом 800 МэВ/с (см. фиг. 2) содержит МКП 1 шевронную сборку из двух МКП в вакуумной камере (зазор между пластинами 0,8 мм, вакуум 10^-5 мм рт. ст.), С 2 и 3 систему съема сигналов с МКП комбинация линии задержки 2 с продольными стрипами 3, R1-R5 высоковольтный делитель 4, быстрый усилитель 5, СSPA зарядовочувствительный предусилитель 6, РМ фотоэлектронный умножитель (ФЭУ-87), РA эмиттерный повторитель 8 сигналов ФЭУ, AFA спектрометрический усилитель-формирователь 9, ADC кодировщик (ПА24К) 10, СFD формирователь 11 со следящим порогом (ВФ-21К), СС схему совпадений (2СС-1511) 12, ТАС преобразователь время-амплитуда (ПВА-322А) 13, контроллер ККОЭ 14, связанный с ЭВМ ("Правец") М1, М2 пластиковые сцинтилляторы 15 и 16 и блок регистрации, включающий блоки 5, 9-15.

В опыте использованы две стандартные МКП-34-10 диаметром 34 мм и толщиной 400 мкм. Пластины сделаны из свинцового стекла (SiO₂PbO) плотностью 3,84 г/см³. Каналы диаметром 10 мкм имеют угол наклона оси пластины 10^о. К торцам пластины подавали высокое напряжение с делителя 4. Система съема сигналов с МКП представляла собой плоскую линию задержки 2 длиной 100 мм и шириной 35 мм, намотанную проволокой 50 мкм виток к витку поверх продольных стрипов 3. Последние выполнены в виде проводников шириной 0,8 мм на расстоянии 0,2 мм друг от друга на плате из фольгированного текстолита. В качестве предварительных усилителей 6 использованы стандартные зарядовочувствительные предусилители, обычно используемые с полупроводниковыми детекторами. Временная привязка, совпадения, амплитудный и временной анализ осуществлялись электронными блоками в стандарте КАМАК, связанными с ЭВМ "Правец" 15 посредством контроллера КК09 14,

Амплитудный спектр импульсов, полученный для этой сборки МКП в данном опыте показан на фиг. 3. Для определения эффективности регистрации применены дополнительно два сцинтилляционных детектора 15 и 16 (М1 и М2), расположенных в пионном пучке до и после устройства. Эффективность определялась как соотношение числа тройных совпадений (МКП + 2 сцинтиллятора) к числу совпадений сцинтиллятор-сцинтиллятор. Было получено значение эффективности = (8010)% при положении порога формирователя временной привязки в канале МКП, указанном стрелкой на фиг. 3. При более тщательной настройке порога возможно повышение эффективности регистрации (без ухудшения отношения сигнал/шум, поскольку экспоненциальная часть амплитудного спектра сигналов с МКП обусловлена, в основном, полезным сигналом).

Проверка временного и пространственного разрешения системы съема сигналов проводилась на -частицах низкой энергии на -источнике Ро²¹⁰. Для этой цели применялось маскирование части чувствительной области поверхности МКП путем применения специальной щелевой диафрагмы, расположенной непосредственно на поверхности МКП. Таким путем достигалось сведение к пренебрежимо малой величине пространственного размытия края тени маски, связанного с неточечностью -источника.

Временная привязка и сигнал "Старт" для времяамплитудного преобразователя ТАС 13 задавались сигналом с одного из продольных стрипов, на котором он индуцировался после попадания электронной лавины на определенное место линии задержки. Номер данного стрипа определял координату точки пересечения трека с поверхностью МКП вдоль оси Х обычным образом.

Сигнал, пришедший с линии задержки 2 и обработанный преобразователем время-амплитуда 13, определял координату Z трека. Результат измерений пространственного разрешения по оси Z, проведенных с помощью устройства, представлен на фиг. 4, представляющей участок спектра конвертера время- амплитуда 13 в области, соответствующей краю диафрагмы (цена канала 0,07 нс или 30 мкм).

Пространственное разрешение, определенное с использованием стандартной регистрирующей аппаратуры со средними параметрами, составляет 150 мкм, что превосходит результат прототипа. Соответственно, временное разрешение составляет 0,5 нс. И временное, и пространственное разрешение в данном случае определялись параметрами использованной регистрирующей аппаратуры. Применение специальных электронных блоков позволяет достичь временной привязки на уровне единиц пикосекунд, а также улучшить пространственное разрешение.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет получить более высокое пространственное разрешение за счет применения линии задержки непосредственно в качестве элемента съема сигнала с МКП (регистрирующий анод) и получить прецизионную временную отметку вследствие использования индуцированных сигналов продольных стрипов, что дает возможность применения устройства в высокоинтенсивных пучках заряженных частиц. Для прототипа такая возможность отсутствует, так как в нем применена методика расфокусирования электронной лавины после второй МКП и поиска центра тяжести распределения, зарегистрированного двумя наборами взаимно перпендикулярных стрипов с линиями задержки в системе считывания информации со стрипов.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства заключается в возможности регистрации пространственно-временных характеристик для широкого класса ионизирующих излучений. Предлагаемое устройство хорошо компонуется в виде отдельного блока на современной технологической базе и может найти применение в различных научных и прикладных исследованиях в области ядерной физики, физике элементарных частиц, биологии и медицине. Эффективность предлагаемого устройства обуславливается также известными достоинствами используемых в нем элементов, такими как быстродействие, низкий уровень собственных шумов, малое количество вещества, возможность работы в интенсивных магнитных полях, высокая радиационная стойкость, работы в вакууме непосредственно вблизи мишени, возможность перекрытия больших площадей.