Пропорциональная камера. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Пропорциональная камера - электронный координатный детектор частиц, представляющий собой множество пропорциональных счётчиков, имеющих общий катод и заключённых в газовый объём. Действие П. к. основано на определении координаты точки траектории частицы по срабатыванию одного из счётчиков.

Имеется большое кол-во разновидностей П. к.- плоские, цилиндрические и т. п. [1-4]. Принцип действия можно объяснить на примере плоской пропорциональной камеры, в к-рой имеются 2 плоских катода и в центре между ними анод в виде тонких параллельно натянутых сигнальных проволочек (симметричная П. к.). Анодные проволочки диаметром d удалены на расстояние s друг от друга и l от катода (катоды делают из тонкой ме-таллич. фольги). На пропорциональную камеру подаётся высокое напряжение V₀, величина к-рого зависит от геометрии камеры, прежде всего от расстояния между проволочками. В симметричной П. к. при l > s > d, V_a = V₀, V_K = 0 (рис. 1) потенциал точки с координатами х, у равен

Рис. 2. Зависимость напряжённости электрического поля E от расстояний т частицы до сигнальных проволочек: 1 - область газового усиления; 2 - область высокой плотности пространственного заряда.

Здесь

- заряд на единице длины сигнальной проволочки,

- диэлектрич. проницаемость газа, С - уд. ёмкость сигнальной проволочки. Типичные параметры П. к.: l = 8 мм, s=2 мм, d=20 мкм, С=3,47 пФ/м, V₀ =4-5 кВ. Электроны, образовавшиеся на траектории заряж. частицы вследствие ионизации атомов газа, движутся (дрейфуют) к анодной проволочке. В её непосредств. близости, начиная с критич. радиуса

, происходит лавинообразное размножение электронов (газовое усиление; рис. 2). Электрич. поле вблизи проволочек обладает цилиндрич. симметрией (рис. 3), поэтому процесс газового усиления происходит так же, как

и в цилиндрич. пропорциональном счётчике. Коэф. газового усиления (в т. н. приближении Роуза - Корфа)

Рис. 3. Эквипотенциальные и силовые линии электрического поля в пропорциональной камере.

Здесь N - плотность газа,

- пороговое напряжение, соответствующее у =

. Амплитуда А сигнала, поступающего с каждой сигнальной проволочки, пропорциональна ионизац. потерям заряж. частицы, т. е. числу электронов п, попавших на данную сигнальную проволочку:

Пропорциональность между ионизацией и амплитудой А достигается при К = 10-10⁵.

К каждой сигнальной проволочке присоединяют предусилитель, после к-рого сигнал поступает в устройство, кодирующее номер проволочки. П. к. размещают так, чтобы частицы летели примерно перпендикулярно плоскости сигнальных проволочек, и тогда координата c точки траектории частицы определяется номером сработавшей проволочки. Чтобы получить неск. точек на траектории частицы, неск. П. к. соединяют в блоки (рис. 4), причём соседние П. к. обычно взаимно развернуты на

. Обычно применяют десятки П. к., что позволяет полностью реконструировать траектории заряж. частиц.

Рис.4. Схема блока из трёх пропорциональных камер, измеряющих координаты х, у, z (развёрнута на

к х).

Разрешающая способность. Пространств. разрешение П. к. задаётся расстоянием между сигнальными проволочками s. Среднеквадратичная ошибка измерения координаты

Амплитудное, т. е. энергетическое, разрешение П. к. определяется соотношением

где Dn - флуктуации числа электронов, DK - флуктуации газового усиления от каждого электрона. При регистрации мягких g-квантов (

= 5-6 кэВ) в П. к. достигается разрешение

12-15% при К=10²-10³[5, 6]. При K<10² разрешение ухудшается из-за уменьшения отношения сигнал/шум; при К>10³ начинает проявляться накопление положит. заряда вблизи проволочки, что ухудшает амплитудное разрешение (см. ниже).

Временное разрешение П. к. dt определяется временем дрейфа ионов. При s=2 мм временное разрешение

=30 нc.

Измерение 2 координат в одной пропорциональной камере. Существует неск. методов определения координаты z траектории частицы вдоль сигнальных проволочек [7]. Часто используют т. н. метод деления токов, основанный на измерении токов I₁ и I₂ на концах сигнальной проволочки. Токи разделяются соответственно сопротивлениям R₁, R₂ участков проволочки по одну и другую стороны от места прохождения частицы: I₁/I₂=R₂/R₁=(L-z)/z, где L-длина проволочки. Предельная точность метода: Dz/L ~ 1%.

Координату z определяют также измерением индуци-ров. заряда на катодах, к-рые изготовлены в виде i полосок или площадок шириной 5-8 мм; на каждой полоске измеряется заряд Q_i:

Этот метод обеспечивает пространственное разрешение

= 20-30 мкм.

Характеристики пропорциональных камер. Газовая смесь для П. к. должна обеспечивать достаточно высокие уд. ионизац. потери энергии заряж. частиц (

2 кэВ/см), мин. сечение захвата электронов атомами газа, гасящие свойства при развитии электрон-фотонной лавины вблизи сигнальных проволочек. Этим требованиям удовлетворяют смеси инертных газов и углеводородов (или СO₂). В П. к. обычно используют смесь Аг (70-90%) и СН₄ или С₂Н₆ (10-30%).

Большое газовое усиление достигается в П. к. с тонкими сигнальными проволочками. Однако при этом эл--статич. силы отталкивают проволочки друг от друга и требуется достаточно большое их натяжение:

(предельное натяжение вольфрамовой проволочки с d = 10, 20, 30 мкм равно 0,16, 0,65 и 1,45 Н). Критич. длина проволочки L_кp = =

. При s = 2 мм, l=8 мм, d = 20 мкм и V₀ = 5 кВ L_кp = 85 см, поэтому в П. к. больших размеров необходимо укреплять сигнальные проволочки.

П. к. работает с высокой эффективностью в потоках до 10⁴-10⁵ частиц·мм

. Препятствием увеличения загрузки является накопление положит. заряда вблизи сигнальных проволочек. В процессе газового усиления положит. ионы, подвижность к-рых приблизительно в 10³ раз меньше подвижности электронов, накапливаются около проволочки, экранируя её, уменьшают газовое усиление и понижают эффективность регистрации частиц.

Долговечность П. к. ограничена "старением", к-рое возникает из-за осаждения и полимеризации органич. соединений на поверхности проволочек [8]. Старение заметно после попадания 10¹⁶ электронов на 1 мм длины проволочки.

Многонитные камеры применяют не только в пропорциональном, но также и в др. режимах работы, напр. в самогасящемся стримерном режиме. При этом теряется пропорциональность амплитуды и ионизации, но возрастает амплитуда сигнала (см. Стримерная камера).

П. к. используют в физике частиц высоких энергий, где крупные установки, достигающие площади ~10 м², содержат десятки П. к. с общим числом проволочек неск. десятков тысяч, а также в ядерной физике, биологии, в медицинской диагностике, дефектоскопии и т. д.

Литература по пропорциональным камерам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.