Разработка дрейфовой камеры для измерения скорости дрейфа электронов в газовых смесях детекторов частиц
|
Введение 4
1 Большие экспериментальные установки CERN с ГРД 7
1.1 Детекторы и газовые смеси 7
1.2 Взаимодействие заряженных частиц в газовых средах 11
1.2.1 Удельные потери энергии 11
1.2.2 Ионизационные потери тяжелой заряженной частицы в среде 11
1.2.3 Ионизационные потери для электронов 12
1.2.4 Радиационная длина 13
1.2.5 Образование ионных пар 14
1.3 Основные характеристики газовых смесей 15
1.3.1 Коэффициент Таунсенда 15
1.3.2 Скорость дрейфа 16
1.3.3 Диффузия 16
1.3.4 Диффузия ионов и электронов в нулевом магнитном поле 16
1.3.5 Подвижность ионов 19
1.3.6 Угол Лоренца 20
1.4 Принцип работы газоразрядного детектора с усилением - пропорционального счетчика 20
1.5 Метод исследования скорости дрейфа электронов 24
1.5.1 Дрейфовые камеры 24
1.5.2 Примеры установок измерения скорости дрейфа из литературы 26
2 Разработка дрейфовой камеры 30
2.1 Описание методов моделирования 30
2.2 Моделирование детектора в программе Garfield 30
2.3 Конструкция дрейфовой камеры 31
2.4 Выбор и оптимизация геометрических параметров детектора 32
2.5 Вычисление скорости дрейфа 36
2.6 Оценка вклада факторов, влияющих на точность определения скорости дрейфа40
2.7 Оценка толщины сцинтилляторов 45
Заключение 47
Список литературы
1 Большие экспериментальные установки CERN с ГРД 7
1.1 Детекторы и газовые смеси 7
1.2 Взаимодействие заряженных частиц в газовых средах 11
1.2.1 Удельные потери энергии 11
1.2.2 Ионизационные потери тяжелой заряженной частицы в среде 11
1.2.3 Ионизационные потери для электронов 12
1.2.4 Радиационная длина 13
1.2.5 Образование ионных пар 14
1.3 Основные характеристики газовых смесей 15
1.3.1 Коэффициент Таунсенда 15
1.3.2 Скорость дрейфа 16
1.3.3 Диффузия 16
1.3.4 Диффузия ионов и электронов в нулевом магнитном поле 16
1.3.5 Подвижность ионов 19
1.3.6 Угол Лоренца 20
1.4 Принцип работы газоразрядного детектора с усилением - пропорционального счетчика 20
1.5 Метод исследования скорости дрейфа электронов 24
1.5.1 Дрейфовые камеры 24
1.5.2 Примеры установок измерения скорости дрейфа из литературы 26
2 Разработка дрейфовой камеры 30
2.1 Описание методов моделирования 30
2.2 Моделирование детектора в программе Garfield 30
2.3 Конструкция дрейфовой камеры 31
2.4 Выбор и оптимизация геометрических параметров детектора 32
2.5 Вычисление скорости дрейфа 36
2.6 Оценка вклада факторов, влияющих на точность определения скорости дрейфа40
2.7 Оценка толщины сцинтилляторов 45
Заключение 47
Список литературы
Актуальность. Газоразрядные детекторы ионизирующих излучений применяются в различных областях современной физики. Они просты по конструкции, компактны, удобны в работе, но во время работы необходимо следить за такими процессами, как взаимодействие газа с материалами, очистка газа, загрязнение газовой смеси и т.д. [1-7].
Большая часть газовых детекторов, используемых в физике высоких энергий, работает на основе смесей, содержащих парниковые газы, которые обеспечивают необходимо временное разрешение и газовое усиление. Для оценки вклада этих газов в атмосферный парниковый эффект используется потенциал глобального потепления (GWP) - параметром, численно определяющим радиационное (разогревающее) воздействие молекулы определенного парникового газа относительно молекулы СО2. К примеру, GEM-детекторы [8] (газовые электронные умножители), которые используются в экспериментальной установке CMS (Компактный мюонный соленоид) Большого Адронного Коллайдера (БАК), работают на основе Ar/CO2газовой смеси [9]. Однако для достижения высокого временного разрешения к данной смеси добавляется CF4[10]. Нужно отметить, что потенциал глобального потепления CF4 составляет 7390 [11]. Камеры с резистивными пластинами (Resistive Plate Chamber) [12] работают на основе R134a/CJ L/SE. газовых смесей, средний GWP которых равен 1430. В настоящее время возникла необходимость исследовать новые газовые смеси, характеристики которых соответствовали бы предъявляемым требованиям. Основные газовые смеси, активно используемые в физики высоких энергий, и их транспортные свойства при меньшем содержании фреонов представлены в работах [13,14].
Сегодня проблема выбросов парниковых газов в атмосферу стала актуальной для всей современной индустрии. Поэтому при разработке газоразрядных детекторов необходимо принимать во внимание экологическое воздействие используемых газовых смесей на атмосферу. К тому же было показано, что наиболее часто используемые в детекторах газы R134a, CF4 и SF6 вносят наибольший вклад в парниковый эффект. В настоящее время основным решением данной проблемы является поиск новых экологически безопасных газовых смесей.
Целью данной работы является разработка и оптимизация параметров дрейфовой камеры для исследования характеристик новых газовых смесей в детекторах частиц.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Для создания модуля дрейфовой камеры для исследования скорости дрейфа электронов в газовых смесях при £'500:5000 В/см разработана модель детектора в программном пакете GARFIELD.
2. Проведена оптимизация электрического поля, и определены диапазоны рабочих положений источника 90Sr, в которых обеспечивается требуемая однородность электрического поля.
3. Построены временные зависимости для газовой смеси 60%Ar + 30%CO2+ 10%CF4во всем рабочем диапазоне напряженностей электрического поля.
4. Проведена успешная проверка алгоритма определения скорости дрейфа для указанной газовой смеси, и определены вклады основных ошибок.
Научная новизна. Особенностью установки является возможность перемещения источника 90Sr вдоль модуля с малым шагом 200 мкм ч- 1 мм, т.е. получения ряда экспериментальных точек и соответственно более точной аппроксимации данных, по сравнению с аналогами. Кроме этого, компактность детектора позволяет поместить его в соленоид небольшого размера для измерения скорости дрейфа от напряженности магнитного поля.
Научная и практическая значимость. Разработанный дрейфовый детектор позволяет исследовать характеристики новых рабочих газовых смесей, в частности измерения скорости дрейфа электронов при напряженностях полей £500-5000 В/см с высокой точностью.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на Школе ПИЯФ по физике конденсированного состояния (ФКС-2016).
Публикации. По результатам конференции опубликованы:
1. Валиярова, А. Р. Разработка дрейфовой камеры для измерения скорости дрейфа электронов в газовых смесях детекторов частиц / А.Р. Валиярова, Г.Е. Гаврилов, Д. С. Ильин // Сборник тезисов и список участников: 5 0 - я Школа ПИЯФ по физике конденсированного состояния (ФКС-2016), 14-19 марта 2016 г., Санкт-Петербург / ФГБУ «ПИЯФ» НИЦ «Курчатовский институт». - Гатчина, 2016. - 216 с.
2. Валиярова А. Р, Гаврилов Г.Е., Ильин Д. С. Модель дрейфовой камеры для измерения скорости дрейфа электронов в газовых смесях детекторов частиц / Валиярова А.Р., Гаврилов Г.Е., Ильин Д. С. - Гатчина, 2016. - 20 с. - (Препринт / «ПИЯФ» НИЦ «Курчатовский институт»; №29914)
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, двух глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 51 страницу, 27 рисунков и 8 таблиц.
Большая часть газовых детекторов, используемых в физике высоких энергий, работает на основе смесей, содержащих парниковые газы, которые обеспечивают необходимо временное разрешение и газовое усиление. Для оценки вклада этих газов в атмосферный парниковый эффект используется потенциал глобального потепления (GWP) - параметром, численно определяющим радиационное (разогревающее) воздействие молекулы определенного парникового газа относительно молекулы СО2. К примеру, GEM-детекторы [8] (газовые электронные умножители), которые используются в экспериментальной установке CMS (Компактный мюонный соленоид) Большого Адронного Коллайдера (БАК), работают на основе Ar/CO2газовой смеси [9]. Однако для достижения высокого временного разрешения к данной смеси добавляется CF4[10]. Нужно отметить, что потенциал глобального потепления CF4 составляет 7390 [11]. Камеры с резистивными пластинами (Resistive Plate Chamber) [12] работают на основе R134a/CJ L/SE. газовых смесей, средний GWP которых равен 1430. В настоящее время возникла необходимость исследовать новые газовые смеси, характеристики которых соответствовали бы предъявляемым требованиям. Основные газовые смеси, активно используемые в физики высоких энергий, и их транспортные свойства при меньшем содержании фреонов представлены в работах [13,14].
Сегодня проблема выбросов парниковых газов в атмосферу стала актуальной для всей современной индустрии. Поэтому при разработке газоразрядных детекторов необходимо принимать во внимание экологическое воздействие используемых газовых смесей на атмосферу. К тому же было показано, что наиболее часто используемые в детекторах газы R134a, CF4 и SF6 вносят наибольший вклад в парниковый эффект. В настоящее время основным решением данной проблемы является поиск новых экологически безопасных газовых смесей.
Целью данной работы является разработка и оптимизация параметров дрейфовой камеры для исследования характеристик новых газовых смесей в детекторах частиц.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Для создания модуля дрейфовой камеры для исследования скорости дрейфа электронов в газовых смесях при £'500:5000 В/см разработана модель детектора в программном пакете GARFIELD.
2. Проведена оптимизация электрического поля, и определены диапазоны рабочих положений источника 90Sr, в которых обеспечивается требуемая однородность электрического поля.
3. Построены временные зависимости для газовой смеси 60%Ar + 30%CO2+ 10%CF4во всем рабочем диапазоне напряженностей электрического поля.
4. Проведена успешная проверка алгоритма определения скорости дрейфа для указанной газовой смеси, и определены вклады основных ошибок.
Научная новизна. Особенностью установки является возможность перемещения источника 90Sr вдоль модуля с малым шагом 200 мкм ч- 1 мм, т.е. получения ряда экспериментальных точек и соответственно более точной аппроксимации данных, по сравнению с аналогами. Кроме этого, компактность детектора позволяет поместить его в соленоид небольшого размера для измерения скорости дрейфа от напряженности магнитного поля.
Научная и практическая значимость. Разработанный дрейфовый детектор позволяет исследовать характеристики новых рабочих газовых смесей, в частности измерения скорости дрейфа электронов при напряженностях полей £500-5000 В/см с высокой точностью.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на Школе ПИЯФ по физике конденсированного состояния (ФКС-2016).
Публикации. По результатам конференции опубликованы:
1. Валиярова, А. Р. Разработка дрейфовой камеры для измерения скорости дрейфа электронов в газовых смесях детекторов частиц / А.Р. Валиярова, Г.Е. Гаврилов, Д. С. Ильин // Сборник тезисов и список участников: 5 0 - я Школа ПИЯФ по физике конденсированного состояния (ФКС-2016), 14-19 марта 2016 г., Санкт-Петербург / ФГБУ «ПИЯФ» НИЦ «Курчатовский институт». - Гатчина, 2016. - 216 с.
2. Валиярова А. Р, Гаврилов Г.Е., Ильин Д. С. Модель дрейфовой камеры для измерения скорости дрейфа электронов в газовых смесях детекторов частиц / Валиярова А.Р., Гаврилов Г.Е., Ильин Д. С. - Гатчина, 2016. - 20 с. - (Препринт / «ПИЯФ» НИЦ «Курчатовский институт»; №29914)
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, двух глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 51 страницу, 27 рисунков и 8 таблиц.
Газоразрядные детекторы частиц широко используются в самых различных физических экспериментах, в том числе и на Большом Адронном Коллайдере (БАК) в CERN. Состав рабочей газовой смеси для детекторов обычно выбирается исходя из ряда взаимосвязанных факторов: конструкции, планируемой радиационной загрузки, набора требуемых характеристик детектора. На сегодняшний день интерес к разработке новых газовых смесей обусловлен ещё и экологическими требованиями.
Для изучения характеристик новых рабочих газовых смесей, в частности измерения скорости дрейфа электронов при низких напряженностей полей Е = 500 : 5000 В/см, коэффициента газового усиления была разработана компактная дрейфовая в программном пакете GARFIELD.
Особенностью установки является возможность перемещения источника 90Sr вдоль модуля с малым шагом 200 мкм ^ 1 мм, т.е. получения ряда экспериментальных точек и соответственно более точного фитирование данных, по сравнению с аналогами. Кроме этого, компактность детектора позволяет поместить его в соленоид небольшого размера для измерения скорости дрейфа от напряженности магнитного поля.
Проведена оптимизация электрического поля, и определены диапазоны рабочих положений источника 90Sr, при котором обеспечивается заданная однородность электрического поля. Построены временные зависимости для газовой смеси 60%Ar + 30%CO2+ 10%CF4во всем рабочем диапазоне напряженностей электрического поля. Проведена успешная проверка алгоритма определения скорости дрейфа для указанной газовой смеси, и определены вклады основных ошибок.
Проведенная работа будет использована в дальнейшем при разработке прототипа дрейфового детектора для установки по измерению скорости дрейфа.
Благодарности. Выражаю особую благодарность научному руководителю к. ф.-м. н. Д. С. Ильину за помощь на всех этапах выполнения диссертации и помощь при оформлении диссертации, а также к. ф.-м. н. Г.Е. Гаврилову за участие в обсуждении полученных результатов.
Для изучения характеристик новых рабочих газовых смесей, в частности измерения скорости дрейфа электронов при низких напряженностей полей Е = 500 : 5000 В/см, коэффициента газового усиления была разработана компактная дрейфовая в программном пакете GARFIELD.
Особенностью установки является возможность перемещения источника 90Sr вдоль модуля с малым шагом 200 мкм ^ 1 мм, т.е. получения ряда экспериментальных точек и соответственно более точного фитирование данных, по сравнению с аналогами. Кроме этого, компактность детектора позволяет поместить его в соленоид небольшого размера для измерения скорости дрейфа от напряженности магнитного поля.
Проведена оптимизация электрического поля, и определены диапазоны рабочих положений источника 90Sr, при котором обеспечивается заданная однородность электрического поля. Построены временные зависимости для газовой смеси 60%Ar + 30%CO2+ 10%CF4во всем рабочем диапазоне напряженностей электрического поля. Проведена успешная проверка алгоритма определения скорости дрейфа для указанной газовой смеси, и определены вклады основных ошибок.
Проведенная работа будет использована в дальнейшем при разработке прототипа дрейфового детектора для установки по измерению скорости дрейфа.
Благодарности. Выражаю особую благодарность научному руководителю к. ф.-м. н. Д. С. Ильину за помощь на всех этапах выполнения диссертации и помощь при оформлении диссертации, а также к. ф.-м. н. Г.Е. Гаврилову за участие в обсуждении полученных результатов.
Подобные работы
- Разработка дрейфовой камеры для измерения скорости дрейфа электронов в газовых смесях детекторов частиц
Магистерская диссертация, физика. Язык работы: Русский. Цена: 4930 р. Год сдачи: 2016