液氬探測(cè)器

劉　靜　王發(fā)芽　王子華　江向東

摘要：本文通過(guò)對(duì)液氬探測(cè)器的設(shè)計(jì)，對(duì)其設(shè)計(jì)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題，談一下個(gè)人看法。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)；探測(cè)器；液氬

一個(gè)液氬飛行時(shí)間探測(cè)器(LAr-TPC)像電氣泡室一樣，能夠連續(xù)地感應(yīng)和觸發(fā)，它可以給出3維的電離軌跡同時(shí)產(chǎn)生很好的能量響應(yīng)，該裝置是由諾貝爾獎(jiǎng)得主魯比亞(Rubbia)在1977年首先提出的。以后幾年內(nèi)的工作就是為了證明該探測(cè)器的可行性。這需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：

1、必須保證液氬的純度，即要求它里面的負(fù)電分子含量在0.1ppb左右，這樣才能保證電離產(chǎn)生的電子有足夠長(zhǎng)的射程；

2、探測(cè)器所用的材料必須絕對(duì)清潔，同時(shí)要求能夠保證純氬和外界的隔離，避免由于放氣和泄漏產(chǎn)生的干擾；

3、絲室能夠完整地讀出幾個(gè)毫米內(nèi)的絲平面信號(hào)(為了得到三維軌跡)：這需要高精度、高可靠性的信道以及對(duì)探測(cè)器內(nèi)的電場(chǎng)詳細(xì)了解：

4、發(fā)展低噪聲的前級(jí)放大器，這樣可以得到較好的信噪比。1989年(ICARUS)聯(lián)合提出了建造一個(gè)大型的液氬時(shí)間探測(cè)室，以上4個(gè)問(wèn)題在小型探測(cè)器的試驗(yàn)中都得到了解決。當(dāng)時(shí)他們所面臨的問(wèn)題以及相關(guān)的解決途經(jīng)已經(jīng)很清楚了，即簡(jiǎn)化和選擇技術(shù)路線。

目前一個(gè)3噸的探測(cè)器已在歐洲核子研究中心(CERN)穩(wěn)定工作了幾個(gè)月。從小體積到大體積的探測(cè)器主要有以下幾個(gè)方面的改進(jìn)：

(1)對(duì)和純氬接觸的材料進(jìn)行特別的工業(yè)清潔：

(2)利用再流通系統(tǒng)，不斷地凈化泄漏氣體并使之液化到探測(cè)器內(nèi)。這樣就避免了由于在探測(cè)器高溫區(qū)域的內(nèi)部材料放氣而產(chǎn)生的干擾：

(3)信號(hào)的饋通是通過(guò)印刷電路板，將每個(gè)電極焊在上面。

一、主體外形

對(duì)于這臺(tái)3噸重的大型探測(cè)器的外形，我們?cè)诖酥饕榻B以下幾個(gè)方面。

(一)它是由兩個(gè)獨(dú)立的，相互呈鏡像對(duì)稱(chēng)的半圓柱部分構(gòu)成。

(二)每部分都被一個(gè)絲室覆蓋，該絲室由3層平行絲面構(gòu)成，每層的面積為2.4xO.9m²。漂移電子會(huì)連續(xù)地通過(guò)如下絲面：1一個(gè)對(duì)電子透明的屏幕；2一個(gè)絲面，這里電子可以給出一個(gè)感應(yīng)信號(hào)(這個(gè)面對(duì)電子也是透明的)；3一個(gè)絲面，該絲面的絲和前絲面上的絲相互垂直，它用于收集電荷。絲間距為2mm，同時(shí)絲面間距也為2mm。最長(zhǎng)的漂移距離為42cm。該絲室由3600根長(zhǎng)為2.4m的垂直絲(不銹鋼，直徑100μm)和4800根長(zhǎng)為0.9m的平行絲構(gòu)成。探測(cè)器內(nèi)部的信號(hào)電纜為低電容(40pf／m)的長(zhǎng)為3.5m的Kapton扁平電纜。2100個(gè)信號(hào)通道均布在杜瓦瓶頂部的8個(gè)法蘭上。低噪聲前級(jí)放大器安裝在信號(hào)通道法蘭上的冷室中。

(三)在探測(cè)器內(nèi)部的電子壽命可通過(guò)測(cè)量光照電子云衰減而連續(xù)監(jiān)測(cè)，該電子云是通過(guò)紫外激光脈沖照射金屬陰極并使激光在小的漂移間隙移動(dòng)。電子壽命在注入期間穩(wěn)定增長(zhǎng)且達(dá)到高于5ms的穩(wěn)定值(相對(duì)衰減長(zhǎng)度超過(guò)10mm)。這個(gè)結(jié)果主要?dú)w功于以上介紹的再流通系統(tǒng)。

(四)該探測(cè)器也具有重要的特征，也就是可以自觸發(fā)。這個(gè)現(xiàn)象在迅速提高電流信號(hào)時(shí)被發(fā)現(xiàn)。

一個(gè)顯示該探測(cè)器特點(diǎn)的事件：一個(gè)210MeV的宇宙u介子的俘獲伴隨電子的衰減。由此以及許多我們觀測(cè)的事件表明，LAr-TPc探測(cè)器是一個(gè)高空間分辨率(222mm3／單元)、低電子學(xué)噪聲(約為25KEY)的電磁量能計(jì)。實(shí)際上該探測(cè)器也可以測(cè)量沿軌跡的單位距離能損(dE／dx)，以及衰減軌跡附近的電離。電子的總能量約為21MeV。

二、探測(cè)器的響應(yīng)

已經(jīng)收集了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這包括在小型LAr-TPC對(duì)電子束以及3噸的大型探測(cè)器對(duì)宇宙射線和6MeV單能光子的探測(cè)響應(yīng)，整個(gè)測(cè)量的能量范圍從幾個(gè)MeV到幾個(gè)GeV。u介子通過(guò)漂移空間產(chǎn)生3MeV的6光子。這個(gè)事件可在兩個(gè)直角坐標(biāo)系內(nèi)表示：感應(yīng)平面(非破壞性讀出)以及收集平面(破壞性讀出)，兩個(gè)平面的感應(yīng)絲相互垂直。這兩個(gè)坐標(biāo)系的時(shí)間軸是相同的。由上面的數(shù)據(jù)以及沿軌跡上的能量損失就可以實(shí)現(xiàn)3維的重建。對(duì)感應(yīng)絲和收集絲的信噪比分別為6和10。漂移空間的電場(chǎng)強(qiáng)度為330V／cm，則相應(yīng)的電子漂移速度為1.25mm／μs。采樣時(shí)間為200ns。在一個(gè)4040cm2的平面給出一個(gè)宇宙射線的二維軌跡情況。

通過(guò)分析5GeV的π介子和μ介子通過(guò)24cmTPC，可以得到一個(gè)高能的朗道(Landau)分布。通過(guò)對(duì)漂移方向坐標(biāo)的線性擬合的誤差，得到均方根空間分辨為58μm，此時(shí)的S／N=IO。通過(guò)隔離高能6光子軌跡，可以得到有如dE／dx等信息，這樣就可以重建低能電子軌跡。這些信息都要寫(xiě)到一個(gè)基于GEANT的MC程序中，它主要用于產(chǎn)生單能電子和光子。通過(guò)這些數(shù)據(jù)對(duì)能量為幾個(gè)MeV的電子和光子的能量分辨率為3％。識(shí)別在探測(cè)器內(nèi)部的帶電粒子是觀測(cè)比較它沿軌跡的dE／dx：預(yù)測(cè)區(qū)分n／u介質(zhì)在100MeV左右的dE／dx差為1％。

所有數(shù)據(jù)的取得都?xì)w功于3噸的探測(cè)器的自觸發(fā)特性。某些在屏幕絲面上感應(yīng)的信號(hào)是可見(jiàn)的：最快的器件用于觸發(fā)數(shù)據(jù)的獲得。慢的器件用于給出探測(cè)器內(nèi)電離事件發(fā)生的絕對(duì)位置。目前可以對(duì)能量低到1MeV粒子產(chǎn)生的電離進(jìn)行隔離觸發(fā)。例如，一個(gè)6MeV的光子在探測(cè)器內(nèi)的軌跡被單獨(dú)隔離，可在x，y方向進(jìn)行二維探測(cè)。一個(gè)大型的探測(cè)器內(nèi)部自觸發(fā)能力和電極的分段提供了一個(gè)減少數(shù)據(jù)的有效途徑，因?yàn)樗瑫r(shí)選擇了一個(gè)時(shí)間和空間窗口在一定的域值內(nèi)探測(cè)事件。

我們相信，一種創(chuàng)新的探測(cè)器現(xiàn)在可以應(yīng)用于地下物理實(shí)驗(yàn)室和加速器／對(duì)撞機(jī)了，即液氬成像竄。