小型活性靶時間投影室性能研究

許金艷，陽黎升，李奇特，葉沿林，韓家興，白世偉，高 見

(北京大學(xué) 物理學(xué)院 核物理與核技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871)

在過去幾十年里，核物理和粒子物理相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)中，氣體探測器被廣泛用于探測實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的各種粒子。這些氣體探測器中較典型的類型有多絲正比室[1-3]、阻性板氣體室[4-6]以及漂移室[7]。20世紀(jì)70年代，尼爾森發(fā)明了一種具有出色成像能力的新型氣體漂移室——時間投影室(time projection chamber, TPC)[8]。TPC的優(yōu)點(diǎn)在于它具有很好的位置分辨和很高的探測效率以及接近4π的立體角覆蓋范圍。因?yàn)門PC的上述優(yōu)點(diǎn)，它很快被廣泛應(yīng)用于高能核物理實(shí)驗(yàn)的探測中[9-12]，在低能核物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域也有著不少的應(yīng)用[13-15]。近年來，隨著放射性核束技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，各種束流裝置能提供越來越豐富的放射性核素束流，這為核物理研究打開了更廣闊的領(lǐng)域。核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)也成為了這個領(lǐng)域更廣泛使用的工具，如共振散射、轉(zhuǎn)移反應(yīng)、庫侖激發(fā)和破碎反應(yīng)等[16-18]。放射性核束較穩(wěn)定核束的流強(qiáng)弱得多，要得到同樣的反應(yīng)事件數(shù)需增加靶的厚度，但增大靶厚會對反應(yīng)后粒子出射角度和能量產(chǎn)生干擾，尤其會降低靶外部探測器對反應(yīng)中產(chǎn)生的低能粒子的探測效率并增大反應(yīng)粒子位置不確定度。

活性靶時間投影室(AT-TPC)將工作氣體介質(zhì)作為靶材料使用，反應(yīng)點(diǎn)位于TPC內(nèi)部，TPC可探測到入射束流和出射反應(yīng)產(chǎn)物的徑跡。這種設(shè)計(jì)可大幅提高反應(yīng)產(chǎn)生的低能粒子的探測效率和位置、能量分辨[19-20]。本文設(shè)計(jì)研發(fā)一種小型AT-TPC，用于不穩(wěn)定核集團(tuán)結(jié)構(gòu)研究中低能出射粒子的測量[18]，并對其性能進(jìn)行測試。

1 探測器設(shè)計(jì)和搭建

1.1 探測器結(jié)構(gòu)和氣體電子倍增器(GEM)膜讀出

TPC本質(zhì)上是1個氣體探測器。當(dāng)帶電粒子穿過探測器的氣體腔室時，沿粒子路徑的氣體分子將被電離。電離產(chǎn)生的電子在外加均勻電場(將外加電場方向定義為三維直角坐標(biāo)系的z方向)作用下將沿z軸方向向陽極漂移，漂移時間由電子產(chǎn)生的位置與電極之間的距離決定。另一方面，電子漂移到達(dá)的陽極設(shè)計(jì)為二維平面讀出(該平面與外加電場方向垂直，定義為三維直角坐標(biāo)系的x-y平面)。根據(jù)漂移電子到達(dá)時二維讀出板感應(yīng)信號的位置可定位電子在x-y平面上的位置，從而確定帶電粒子徑跡在x-y平面上的投影。因此，TPC可作為帶電粒子的三維成像系統(tǒng)探測帶電粒子徑跡。TPC的性能依賴于氣體腔室中外加電場的均勻性、氣體增益的穩(wěn)定性、信號放大和讀出技術(shù)等。

圖1 AT-TPC裝置示意圖Fig.1 Schematic view of AT-TPC

本文設(shè)計(jì)的AT-TPC是一簡化的二維成像系統(tǒng)。該探測器由氣體腔室、場籠和1套端蓋及相關(guān)電子學(xué)讀出構(gòu)成，裝置示意圖如圖1所示。場籠安裝在頂部的陰極平行板和底部的讀出板之間，場籠體積為14 cm×14 cm×14 cm，場籠四周由4塊相同的印刷電路板(PCB)組成，每塊電路板內(nèi)表面有14根平行銅條，條寬7 mm，間距3 mm，構(gòu)成的漂移區(qū)長度為14 cm?；贕EM的TPC是1種具有良好位置分辨和快時間響應(yīng)的新型粒子徑跡探測器。底部的放大級使用2層厚GEM[21]，其靈敏面積為10 cm×10 cm，GEM膜厚200 μm。從2層厚GEM膜放大出來的電子在讀出電路板上產(chǎn)生感應(yīng)信號，讀出條長度為100 mm、寬度為1 mm、間隔為0.562 mm，共64條。通過圖2所示的電路給場籠和GEM膜加高壓。本文所有測試中場籠電壓設(shè)置為-2 700 V，GEM膜電壓設(shè)置為-880 V。漂移電場電勢通過電路中一系列電阻實(shí)現(xiàn)均勻下降。兩片GEM膜之間以及下層GEM膜和底部讀出板之間間距均為3 mm。在場籠底部和上層GEM膜之間放置1圈由15 mm寬的銅條構(gòu)成的場籠偏壓環(huán)用于修正漂移電場。

圖2 場籠和GEM膜高壓電路Fig.2 High voltage circuit for field cage and GEM foil

為對TPC性能進(jìn)行定量分析，定義這樣1個坐標(biāo)系：z軸沿漂移電場中電場方向，坐標(biāo)零點(diǎn)位于最上層GEM膜表面，x軸平行于GEM膜平面且垂直于一維讀出條(圖2)。

1.2 工作氣體

TPC的工作氣體通常需具備介電常數(shù)低、擴(kuò)散系數(shù)小以及電子漂移速度較快等特性。具備這些特性的Ar、CH4、CO2或CF4等氣體及它們的混合物被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)測試中。不過對于AT-TPC，工作氣體同時要作為靶材料，這樣氣體的選擇就受更多限制。設(shè)計(jì)中，因?yàn)槲锢砟繕?biāo)定位在探測不穩(wěn)定集團(tuán)結(jié)構(gòu)的母核衰變產(chǎn)生的低能輕粒子碎片(如能量幾MeV的α粒子)，所以He氣作為氣體的主要成分是理想選擇。實(shí)驗(yàn)中采用96%He+4%CO2混合氣體，從文獻(xiàn)[22]和實(shí)驗(yàn)測試均發(fā)現(xiàn)，少量CO2的加入有利于穩(wěn)定工作氣體的增益。

1.3 場籠

場籠的主體框架為一邊長14 cm的由PCB構(gòu)成的立方體。漂移電場由場籠頂部的平行電極板和固定于四周的分壓電勢條共同形成(圖1)。實(shí)際電場分布通常會在場籠邊緣附近發(fā)生扭曲。漂移電場的這種變形會使TPC的時間和位置分辨變差。為改善漂移電場的均勻性，采用Garfield程序模擬了場籠內(nèi)電場分布。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用加場籠環(huán)[12]的方法改善場籠邊緣的電場分布。場籠環(huán)固定在上層GEM膜上方3 mm處(圖2)。場籠環(huán)引出1個電壓接口單獨(dú)調(diào)節(jié)。

2 測試結(jié)果和討論

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)裝置和信號處理電路如圖3所示。小型AT-TPC放置在1個封閉的靶室中，實(shí)驗(yàn)時靶室內(nèi)采用流氣式氣體循環(huán)，96%He+4%CO2混合氣體氣壓為8×105Pa。在場籠外部一側(cè)z=70 mm處放置α粒子放射源241Am(α粒子能量為5.49 MeV)，通過1個直徑4 mm的孔射入場籠。場籠外正對著放射源的另一側(cè)，放置1個多絲正比室，用于探測α粒子和觸發(fā)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。為對TPC探測器進(jìn)行電子漂移速度刻度，在放射源對面?zhèn)萈CB場籠板上z=70 mm處打出1個直徑4 mm的中心孔，然后以此為中心，在z=50、60、80、90 mm處打出4個直徑為2 mm的刻度孔。這樣只有α粒子穿過這幾個孔的徑跡可被觸發(fā)記錄下來。來自這幾個孔的粒子的位置差和時間差，即可用于測量漂移速度。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置和電子學(xué)示意圖Fig.3 Diagram of experimental setup and signal processing circuit

64路讀出條得到的信號由排線引出靶室，接入北京大學(xué)亞原子粒子探測實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的電荷靈敏型前置放大器。該前置放大器已多次成功用于核物理實(shí)驗(yàn)中[23-24]。前放信號經(jīng)過MSCF-16主放后的時間和能量信號分別輸出到CAEN V1190和CAEN V785中記錄。

2.2 α粒子徑跡測試

圖4 場籠環(huán)加不同高壓時單個α粒子x-z平面徑跡和每根讀出條ADC收集的電荷信號幅度Fig.4 Measured tracks of α particles in x-z plane and quantity of electric charge (ADC value) collected by readout strip with different voltages applied to guard ring

α粒子穿過TPC的場籠產(chǎn)生的徑跡，在z軸方向的位置，是由電子從產(chǎn)生的位置向下漂移至GEM放大后在讀出條產(chǎn)生感應(yīng)信號之間的時間決定的。起始時間由觸發(fā)的多絲計(jì)數(shù)器給出。時間和位置對應(yīng)關(guān)系的刻度通過測量α粒子穿過場籠與放射源正對的側(cè)壁上的一系列等間距孔(平行于z軸)的徑跡實(shí)現(xiàn)。圖4a示出了其中1條α粒子徑跡，從圖4a可看出，當(dāng)場籠環(huán)偏壓為0時，α粒子徑跡兩端出現(xiàn)彎曲，原因是場籠漂移電場在靠近邊緣區(qū)域出現(xiàn)扭曲；當(dāng)場籠環(huán)偏壓為-950 V時，從實(shí)驗(yàn)測得的α粒子徑跡可明顯看到徑跡邊緣彎曲的狀況得到了明顯改善。圖4b示出了當(dāng)α粒子穿過場籠時讀出條收集到的電荷信號(模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的值)。從圖中也能看出場籠環(huán)對電場均勻性有明顯的改善作用。在這個電壓設(shè)置下，可觀察到5條接近直線的α粒子的徑跡包絡(luò)(圖5)，分別對應(yīng)PCB場籠上5個刻度孔。通過刻度孔和對面入射孔幾何中心連線的位置以及每根條上實(shí)際測量的時間譜得到漂移時間的對應(yīng)關(guān)系，從而可求出這個電壓下電子沿z軸的漂移速度為830 m/s。

圖5 場籠環(huán)電壓為-950 V時α粒子穿過場籠徑跡Fig.5 Measured track of α particles with voltage applied to guard ring of -950 V

2.3 小型AT-TPC探測系統(tǒng)性能

圖6 64根讀出條z軸方向位置分辨Fig.6 Position resolution along z axis for 64 strips

通過測量α粒子穿過場籠得到的徑跡數(shù)據(jù)，采用殘差法[25]對64根讀出條逐條分析其沿z軸漂移方向的位置分辨。圖6所示為對64根條的殘差分布分別作高斯擬合后各自對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σz。從圖6可看出，σz在0.06～0.17 mm之間變化。該結(jié)果顯示了該探測系統(tǒng)z軸方向很好的位置分辨能力。通過前面所述的時間-位置刻度關(guān)系可算出此系統(tǒng)對α粒子時間分辨在7～20 ns之間，不同讀出條分辨能力略有差別。當(dāng)然，這個時間分辨應(yīng)包含了整個探測系統(tǒng)的測量誤差，如電子漂移時間漲落、GEM膜引起的時間誤差和前放及電子學(xué)的噪聲等。

x軸方向的位置不確定性主要由讀出條的寬度決定，根據(jù)文獻(xiàn)[26-27]公式，σx=1.56 mm/121/2=0.45 mm，本文的1.56 mm是64根一維讀出條的空間排列周期間隔。

在上述α粒子徑跡中，對每個徑跡，將64根條得到的位置徑跡分成前、后兩部分，即前32路(0 mm≤x<50 mm)和后32路(50 mm≤x<100 mm)。對這兩部分分別進(jìn)行直線擬合得到傾角θ1和θ2，它們的差值Δθ=θ1-θ2的分布如圖7所示，其誤差為0.6°。由此可看出該AT-TPC具有很好的角度分辨。

圖7 前、后兩段徑跡擬合角度后得到的角度差值分布Fig.7 Distribution of difference in track angle between upstream and downstream regions

圖8 單個α粒子在He氣中彈性散射的事件成像Fig.8 Example of α+α elastic scattering

通過這套搭建完成的AT-TPC探測系統(tǒng)，成功觀察到了α粒子在He氣中的彈性散射事件成像。圖8所示為其中1個事件的徑跡，圖中藍(lán)點(diǎn)表示α粒子從左邊入射AT-TPC的徑跡，在x=17 mm處與工作氣體中的He發(fā)生散射，黑點(diǎn)和紅點(diǎn)對應(yīng)發(fā)生彈性散射后兩個出射He粒子的徑跡。

3 結(jié)論和展望

本文設(shè)計(jì)完成了小型AT-TPC。通過在第1層GEM膜上引入場籠環(huán)并調(diào)節(jié)到合適的電壓，明顯改善了漂移電場靠近場籠邊緣區(qū)域的扭曲問題，從而提高了整套探測系統(tǒng)的性能并擴(kuò)大了可用區(qū)域。AT-TPC的時間分辨小于20 ns，z軸方向位置分辨小于0.2 mm。x軸方向位置不確定度由讀出條排列的周期間隔決定，在本實(shí)驗(yàn)中結(jié)果為0.45 mm。通過對x-z平面α粒子徑跡分析，得到探測系統(tǒng)的角度分辨為0.6°。得益于這套系統(tǒng)良好的性能參數(shù)，α+α粒子彈性散射事件的成像能被清晰地觀察到。測試結(jié)果表明，這套AT-TPC場籠和電子學(xué)的性能參數(shù)能滿足對集團(tuán)結(jié)構(gòu)研究中產(chǎn)生的低能粒子的測量要求。

本文主要介紹AT-TPC對低能粒子徑跡的二維成像。若將目前的一維讀出條設(shè)計(jì)改造成二維讀出塊或二維讀出條的設(shè)計(jì)，即能實(shí)現(xiàn)對低能粒子徑跡的三維成像。目前高集成度的數(shù)字化波形獲取系統(tǒng)如XIA獲取系統(tǒng)或AGET獲取系統(tǒng)正在發(fā)展，后期將高集成度的獲取系統(tǒng)應(yīng)用到AT-TPC中，有利于得到高分辨率的三維粒子徑跡成像。