УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ОДИНОЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 1997 года по МПК G01T1/28 

Изобретение относится к физике высоких энергий и может быть использовано в ядерной физике и физике космических лучей для выделения одиночных электронов.

Известны устройства для выделения одиночных электронов (Davidov V.A. et al. Nucl. Instr. and Meth. 1977, v. 145, р. 267). Оно содержит электромагнитный и адронный калориметры.

Недостатком данного устройства является заметный уровень фона, обусловленный конверсией гамма-квантов в электрон-позитронных парах из-за вещества на пути к детектору.

Наиболее близким к заявляемому объекту является устройство Alitti J. et al. Proceeding of Workshop on Scintillating Fiber Detector Development for the SSC, Fermilab, Batavia, Illinois, November, 14-16, 1988, p. 3). Оно содержит электромагнитный калориметр, перед которым размещены конверторы, прослоенные сцинтилляционными оптическими волокнами.

Данное устройство также имеет заметный фон от конверсионных пар из-за наличия вещества на пути частиц до детектора.

Техническим результатом изобретения является увеличение разделения электронов от е+е пар конверсии фотонов.

Технический результат достигается тем, что в устройство для выделения одиночных электронов, содержащее по крайней мере один конвертор, дополнительно введены вторичные электронные умножители (ВЭУ) с многоанодными выводами, источник высокого напряжения, вакуумный кожух и магнит, при этом ВЭУ расположены до и после каждого конвертора и подключены к источнику высокого напряжения, конверторы и ВЭУ помещены в вакуумный кожух, а сам кожух расположен между полюсами магнита.

На чертеже изображено устройство.

Оно содержит конверторы 1, до и после которых установлены ВЭУ 2 с многоанодными выводами 3, подключенные к источнику 4 высокого напряжения, при этом, конверторы 1 и ВЭУ 2 помещены в вакуумный кожух 5, а сам кожух расположен между полюсами магнита 6.

Структура расположения вторичных электронных умножителей 2 и конверторов 1 также показана на чертеже 1.

Вдоль трека частиц первую группу образуют слои ВЭУ 2 без конверторов 1. В качестве ВЭУ 2 могут использоваться, в частности, микроканальные пластины. Во второй группе расположены конверторы 1 с общим количеством вещества около двух радиационных длин, также прослоенные ВЭУ 2. Третья группа по структуре аналогична второй, но общее число радиационных длин составляет в ней около тридцати. Вся сборка помещается в вакуумный кожух 5 с уровнем вакуума около 10^-5 мм рт. ст. а кожух размещается между полюсами магнита 6. ВЭУ снабжены многоанодными выводами 3, аналогично описанным в работе (ПТЭ. 1984, 1, с. 14).

Устройство работает следующим образом.

Одиночный электрон, проходя через первую группу, дает в ней сигналы, обеспечивающие эффективность его регистрации около 100% При этом в силу многоанодности вывода обеспечивается также высокая координатная точность определения положения его трека. Во второй группе одиночный электрон дает сигнал не менее, чем в 10 раз больший, чем от других заряженных частиц. Характер изменения и величина амплитуды сигналов от одиночного электрона в этих слоях позволяет надежно отделять его как от мюонов, так и от адронов. И наконец, в третьей группе электрон выделяет всю энергию как в обычных электромагнитных калориметрах. Особенностью устройства является регистрация синхротронного излучения от электронов в магнитном поле, которые для возможных энергий электронов не менее, чем в 100 раз больше, чем для других заряженных частиц. В данном устройстве значительное уменьшение уровня фона от е+е пар конверсии фотонов, в первую очередь, обусловлено отсутствием вещества на пути частиц до регистрирующей части. Многоанодность вывода дает дополнительную возможность выделения одиночных электронов.

Практически устройство было реализовано следующим образом.

Вторичные электронные умножители 2 (микроканальные пластины) размером 43 х 63 мм² в первой группе были объединены в тройной шеврон. Во всех группах анодный вывод 3 каждого слоя ВЭУ состоял из двух частей проводящих слоев титана, напыленного на подложку из полиамидной пленки толщиной 100 мкм. Размеры анодов 43 х 43 мм² и 43х20 мм² с зазором между ними 300 мкм.

Во второй группе использовались пластины вольфрама с большими поперечными размерами и толщиной 0,5 радиационной длины (три слоя толщиной 1,75 мм каждый, прослоенные сдвоенными микроканальными пластинами). Остальная часть устройства состояла из слоев вольфрама, также прослоенных сдвоенными микроканальными пластинами и содержала 17 радиационных длин. Высоковольтные электроды были электрически изолированы от конвертора (вольфрама) полиамидной пленкой, толщиной 200 мкм. Соединение высоковольтных электронов и анодных выводов с вакуумными высоковольтными и сигнальными разъемами осуществлялось проводом марки МС 16-12 0,08 ТУ 16.К76-011-88. Вся сборка помещалась в корпус, выполненный из нержавеющей стали (сборка также изолировалась от корпуса полиамидной пленкой). Корпус вместе с содержимым откачивался до вакуума 10^-7. Устройство использовалось на электронных и адронных пучках и показало высокий уровень выделения одиночных электронов.

Таким образом в данном устройстве одиночный электрон в первой группе вторичных электронных умножителей дает дополнительный сигнал от синхротронного излучения. Высокий уровень сигнала от электрона во второй группе умножителей 2 по отношению к другим частицам обусловлен их большой избирательной чувствительностью к регистрации мягких электронов и гамма-квантов, которые в основном и образуются в электромагнитном ливне. Радиационная стойкость ВЭУ-2, так же, как и диодных систем в обычных фотоумножителях, на несколько порядков величины превосходит радиационную стойкость указанных активных сред. Большая величина сигнала ВЭУ 2 позволяет выводить их на большие расстояния к регистрирующей электронике (допустимы потери сигналов при транспортировке на 1-2 порядка величины). Указанное обстоятельство является крайне важным при больших радиационных дозах, поскольку известная полупроводниковая регистрирующая электроника также весьма критична к радиационным нагрузкам, что ограничивает область ее применения в непосредственной близости от регистрирующей части (из-за малой величины сигнала усилители приходится располагать в непосредственной близости от регистрирующей части детектора). И, наконец, быстродействие ВЭУ 2 на сегодняшний день является крайне высоким, поскольку длительность выходных сигналов составляет менее 1 нсек, что допускает регистрацию потоков частиц с плотностью до 10¹⁰ част/с.см² (см. Feller W.B. Annotation of talk presented on the London Conf. on position-sensitive detector, London, 1990, Sept. p. 18). Особенностью детектора является возможность его устойчивой работы в магнитных полях (микроканальные пластины и вторичные сеточные умножители с малыми размера ми умножающих систем 1-3 мм и электрическими полями в несколько киловольт работают в магнитных полях до нескольких килогаус (см. Kume H. et. al. IEEE Trans. NS-32, 1985, р. 355, р. 448). При этом дополнительная возможность лучшего выделения одиночных электронов в заявляемом устройстве заключается в регистрации с помощью ВЭУ 2 синхротронного излучения, которое на существующих и строящихся ускорителях заряженных частиц для электронов на много порядков величины больше, чем для других заряженных частиц. Диапазон энергий излучаемых гамма-квантов синхротронного излучения хорошо соответствует области чувствительности ВЭУ. Данное устройство также хорошо подавляет регистрацию фотонов, поскольку они дают сигналы лишь в тех частях устройства, где произошло их взаимодействие.

Устройство позволяет:
улучшить подавление е+е пар конверсии фотонов не менее, чем на порядок величины;
увеличить подавление адронов не менее, чем на порядок величины;
увеличить радиационную стойкость не менее, чем на три порядка величины;
увеличить быстродействие устройства не менее, чем на порядок величины.

Использование: в физике высоких энергий, в ядерной физике, в физике космических лучей. Сущность изобретения: устройство содержит по крайней мере один конвертор. Кроме того, в устройство дополнительно введены вторичные электронные умножители с многоанодными выводами, вакуумный кожух и магнит, источник высокого напряжения. Вторичные электронные умножители расположены до и после каждого конвертора и подключены к источнику высокого напряжения. Конверторы и вторичные электронные умножители помещены в вакуумный кожух, а сам кожух расположен между полюсами магнита. 1 ил.

Устройство для выделения одиночных электронов, содержащее по крайней мере один конвертор, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены вторичные электронные умножители с многоанодными выводами, источник высокого напряжения, вакуумный кожух и магнит, при этом вторичные электронные умножители расположены до и после каждого конвертора и подключены к источнику высокого напряжения, конверторы и вторичные электронные умножители помещены в вакуумный кожух, а сам кожух расположен между полюсами магнита.