Содержание к диссертации
Введение
1. Сцинтилляционные и ионизационные газовые детекторы 13
1.1. Механизмы сцинтилляции благородных газов 13
1.2. Подготовка газовых детекторов 21
1.2.1. Подготовка детекторов перед сборкой 21
1.2.2. Современные насосы, использующиеся для откачки детекторов..22
1.3. Методы очистки благородных газов от примесей 23
1.4. Основные принципы конструирования сцинтилляционных и пропорционально-сцинтилляционных детекторов 26
1.5. Процессы в сцинтилляционных детекторах на основе благородных газов и их смесей 27
1.6. Процессы в жидкостных сцинтилляционных детекторах на основе ксенона 40
1.7. Выводы к главе 1 41
2. Описание экспериментальных установок 42
2.1.1. Конструкция ионизационной камеры с MgF2-OKHOM для регистрации сцинтилляционного и ионизационного сигналов 42
2.1.2. Система регистрации сцинтилляционного и ионизационного выходов 45
2.1.3. Система вакуумной подготовки, очистки ксенона и система смешивания ксенона с метаном 45
2.2.1. Конструкция ионизационной камеры с экранирующей сеткой и с кварцевым окном (КУ-1) для регистрации сцинтилляционного и ионизационного сигналов 48
2.2.2. Система регистрации сцинтилляционного и ионизационного выходов 52
2.2.3. Система вакуумной подготовки для очистки ксенона и его смешивания с метаном 55
2.3. Выводы к главе 2 58
3. Методика измерении времен высвечиваний, сцинтилляционного и ионизационного выходов в чистом ксеноне и в его смесях с метаном 59
3.1. Методика измерений сцинтилляционного и ионизационного выходов в чистом ксеноне и его смесях с метаном с помощью ионизационной камеры с MgF2 - окном 59
3.2. Методика измерений сцинтилляционного и ионизационного выходов в чистом ксеноне и его смесях с метаном с помощью ионизационной камеры с экранирующей сеткой и с кварцевым окном ..63
3.3. Методика измерений времен высвечиваний в смесях ксенона с метаном 67
3.4. Выводы к главе 3 70
4. Экспериментальные данные 71
4.1. Экспериментальные данные по измерениям скоростей дрейфа электронов в смесях ксенона с метаном 71
4.2. Экспериментальные данные по измерениям сцинтилляционных выходов в смесях ксенона с метаном 74
4.3. Экспериментальные данные по измерениям времен высвечивания в чистом ксеноне и в смеси Хе+СН4(0.05%) 78
4.4. Экспериментальные данные по измерениям ионизационных выходов в смесях ксенона с метаном 80
4.5. Выводы к главе 4 84
5. Анализ экспериментальных данных. 86
5.1. Анализ экспериментальных данных скоростей дрейфа электронов в смесях Xe-CHL» 86
5.2. Анализ экспериментальных данных по измерениям сцинтилляционных выходов в смесях Хе-СН} 92
5.3. Анализ экспериментальных данных по измерениям времен высвечивания в чистом ксеноне и в смеси Хе-СН4(0.05%) 100
5.4. Анализ экспериментальных данных по измерениям ионизационных выходов в смесях Хе-СН4(0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 1%, 5%, 10%) 103
5.5. Выводы к главе 5 110
Заключение 112
Литература 115
- Основные принципы конструирования сцинтилляционных и пропорционально-сцинтилляционных детекторов
- Система вакуумной подготовки для очистки ксенона и его смешивания с метаном
- Методика измерений сцинтилляционного и ионизационного выходов в чистом ксеноне и его смесях с метаном с помощью ионизационной камеры с экранирующей сеткой и с кварцевым окном
- Экспериментальные данные по измерениям сцинтилляционных выходов в смесях ксенона с метаном
Введение к работе
Сцинтилляционные процессы в инертных газах изучаются несколько десятков лет. Достаточно хорошо изучены сцинтилляционные процессы как в чистом ксеноне, так и в ксеноне с добавками инертных газов (аргон, гелий и т.д.) [1-6]. В последнее время уделяется большое внимание исследованию процессов сцинтилляции и ионизации в связи с созданием современных время-проекционных, двухфазных (жидкость-газ) и однофазных (жидкость или газ) детекторов для применений в астрофизических исследованиях, для поиска темной материи, когерентного рассеяния нейтрино на ядрах ксенона и т.д., где сцинтилляция служит для дополнительного анализа регистрируемых событий. В ионизационном детекторе сцинтилляционный сигнал может служить для выработки триггера [7] и таким образом, позволять корректировать ионизационный сигнал [8], что дает возможность избавиться от использования экранирующих сеток [9], вносящих определенный вклад в ухудшение энергетического разрешения.
Значительный выигрыш по световому сигналу может быть получен, если вместо сцинтилляции использовать электролюминесценцию рабочей среды. Поскольку световыход электролюминесценции в однородном поле пропорционален пути дрейфа электронов и их энергии, достаточно большой световыход может быть достигнут увеличением пути дрейфа и напряженности электрического поля. Электролюминесценция возможна как в газообразной, так и в конденсированной фазах благородных газов, однако в газообразной фазе технически проще обеспечить высокий световыход. Возможность использования сцинтилляции и электролюминесценции благородного газа во времяпролетной методике была продемонстрирована авторами работы [10], разработавшими прецизионную дрейфовую камеру на жидком ксеноне (Хе). Сцинтилляционная вспышка в жидком Хе при проходе в нем а-частицы служит стартовым импульсом времяпролетного спектрометра. Электроны ионизации, вытянутые электрическим полем с треков а-частиц, дрейфуют к проволочному электроду-аноду. Если
напряженность электрического поля у анода достаточно высока, при собирании электронов в жидком Хе возникает электролюминесцентная вспышка. Получаемый при этом ионизационный сигнал также может быть использован для выработки сигнала "стоп", однако достигаемое при этом временное разрешение оказывается несколько хуже, чем в случае использования электролюминесценции. В настоящее время является актуальным создание время-проекционного детектора на основе ксенона высокого давления для изучения минераллогического состава планет, где сцинтилляция выполняет роль триггера.
Выбор рабочего вещества для таких типов детекторов определяет большую роль их использования. Ксенон, как рабочее вещество детектора, обладает высоким сцинтилляционным выходом по сравнению с другими наиболее часто использующимися благородными газами (аргон и криптон) и коротким временем высвечивания. Следующими основными параметрами, определяющими критерий выбора ксенона в качестве рабочего вещества время-проекционных детекторов являются: вероятность взаимодействия гамма-излучения с веществом, заряд атомного ядра Z. Известно, что сечение взаимодействия гамма-квантов с атомами сильно зависит от заряда ядра: фотоэффект ~ Z5, комптон-эффект ~ Z, процесс образования пар ~ Z2. С этой точки зрения Хе (Z=54) является одним из наиболее эффективных поглотителей гамма-излучения. Кроме заряда ядра, важнейшей характеристикой детектирующей среды является ее плотность. Благодаря высокой сжимаемости, газообразный ксенон имеет значительную плотность при относительно невысоком давлении (1 г/см3 при 70 атм). В зависимости от конкретных условий эксперимента (диапазон температур, объем и толщина стенок камеры и др.) рабочая плотность ксенона может быть различной. Ксенон характеризуется низкой скоростью "горячих" электронов, что приводит к значительному размытию электронного облака вследствие диффузии во время его движения к электроду-аноду. Это, в свою очередь, приводит к затруднениям определения места конверсии радиационного
излучения с веществом во время-проекционных детекторах по сцинтилляционному сигналу. Известно, что добавление легких молекулярных газов в атомарные, обеспечивает значительное увеличение скоростей дрейфа электронов. Среди молекулярных газов широко примененяется водород Н2 в качестве ускоряющей добавки электронов в ксеноне. Одним из преимуществ водорода является его легкий метод очистки от различного рода примесей, в том числе и электроотрицательных (0{, F2", и т.д.). Одной из оптимальных молекулярных добавок в инертных газах для улучшения транспортных свойств электронов является молекулярный газ - тетрафторид углерода CF4. Главным недостатком тетрафторид углерода CF4, ограничивающий его применение для газовых детекторов является тот факт, что его молекулы разрушаются при столкновении с электронами под действием высоких электрических полей, увеличивая при этом захват электронов электроотрицательными примесями (F2"). Известно, что молекулярный газ - метан является одним из перспективных кандидатов для улучшения временных и координатных свойств время-проекционных детекторов на основе сжатого ксенона, поскольку он обеспечивает скорости дрейфа электронов выше, чем молекулярная добавка водорода.
При приготовлении смеси чистота газа имеет принципиальное влияние как на собирание электронного заряда, так и на сцинтилляцию. Критерием чистоты газа служит время жизни электронов в свободном состоянии, которое должно быть значительно больше времени дрейфа. Наличие электроотрицательных примесей приводит к тому, что заряд, собранный на сигнальном электроде, зависит от места первичной ионизации. Кроме того, сцинтилляционный свет, испускаемый ксеноном в области ультрафиолета (~175нм) имеет значительно высокое сечение поглощения молекулами воды (Н20)[11,12].
В настоящее время сцинтилляционные и ионизационные процессы в смесях ХЄ-СН4 малоизучены. В связи с разработкой перспективного на
сегодняшний день время проекционного детектора высокого давления на основе смеси Хе-СН4 для изучения минераллогического состава планет, возобновляется интерес к исследованию скоростей дрейфа электронов, сцинтилляционных и ионизационных процессов в этих смесях.
Данная диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию влияния примеси метана в широком диапазоне концентраций на скорости дрейфа электронов, сцинтилляционный и ионизационный процессы в газообразном ксеноне высокого давления в зависимости от параметра E/N - отношения напряженности электрического поля (В/см) к количеству атомов (1/см).
Цели и задачи исследования:
Основной целью исследования, представленного в диссертации, является изучение влияния примеси метана в ксеноне как рабочего вещества время-проекционной камеры на скорости дрейфа электронов, ионизационные и сцинтилляционные процессы, в зависимости от параметра E/N, при давлениях 21 и 26 атм. Основной задачей исследования является: Создание установок, состоящих из ионизационных камер, включая вакуумногазовые системы для очистки и смешивания метана с ксеноном. Проведение экспериментов по изучению скоростей дрейфа электронов,
СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО И ИОНИЗаЦИОННОГО ПрОЦеССОВ В СМеСЯХ ХЄ-СН4 в
широком диапазоне концентраций примеси метана в зависимости от параметра E/N.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые проведены исследования СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО и ионизационного выходов в смесях ксенона высокого давления с метаном с помощью ионизационной камеры с перемещающимся катодом. Устройство камеры позволяет поддерживать постоянную напряженность электрического поля на разных расстояниях от катода до анода и дает возможность
контролировать чистоту исследуемого газа в процессе проведения эксперимента, чтобы объяснить влияние примесей на поведение сцинтилляционного и ионизационного выходов.
Впервые измерен сцинтилляционный выход в смесях ксенона с добавлением 0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 1%, 2% метана в зависимости от параметра E/N.
Впервые измерен ионизационный выход в смесях ксенона с добавлением 0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 1%, 5% и 10%) метана в зависимости от параметра E/N.
Впервые измерены скорости дрейфа электронов в ксеноне с добавлением 0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 1%, 10% метана в зависимости от параметра E/N.
Впервые измерены времена сцинтилляционного высвечивания медленной компоненты в ксеноне с добавлением 0.05% метана от параметра E/N при давлении 21 атм в зависимости.
Впервые метод подобия был применен к экспериментальным результатам по измерениям ионизационных выходов в смеси Хе-СН* для различных концентраций примеси СН}. Правило подобия позволяет объеденить имеющиеся экспериментальные данные, полученные при различных значениях концентрации метана.
На защиту автор выносит следующие положения:
Установку, состоящую из ионизационной камеры с кварцевым окном (КУ-1) и с перемещающимся катодом для измерения сцинтилляционного и ионизационного выходов на различных расстояниях между катодом и анодом, включая вакуумно-газовую систему для очистки метана и приготовления смесей ксенона с метаном.
Установку, состоящую из ионизационной камеры с MgF2-oKHOM для измерения сцинтилляционных и ионизационных выходов, включая
вакуумно-газовую систему для очистки метана и приготовления смесей Хе-
СН4-
Зависимость сцинтилляционных выходов в смесях ксенона в широком диапазоне концентраций примеси метана (0.05%, 0.2%), 0.4%, 0.6%, 1%, 2%) от параметра E/N.
Зависимость ионизационных выходов в смесях ксенона в широком диапазоне концентраций примеси метана (0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 1%, 5% и 10%) от параметра E/N.
5. Зависимость скоростей дрейфа электронов в смесях ксенона с
добавлением примеси CHj в широком диапазоне концентраций (0.05%, 0.2%,
0.4%, 0.6%, 1%, 10%) от параметра E/N.
6. Зависимость времен сцинтилляционного высвечивания в смеси ксенона
с добавлением 0.05% СН4 от параметра E/N, при давлении 21 атм.
7. Применение метода подобия к экспериментальным результатам по
измерению ионизационных выходов в смесях ХЄ-СН4 в широком диапазоне
концентраций примеси 0. Метод подобия позволяет предсказывать все
ионизационные выходы для разных концентраций примеси метана.
Практическая полезность:
Результаты этой работы по изучению скоростей дрейфа электронов, сцинтилляционного и ионизационного выходов в смесях ХЄ-СН4 в широком диапазоне концентраций примеси метана могут быть использованы для выбора оптимального состава Хе-ОНЦ газовой смеси с целью достижения наилучших рабочих характеристик (высоких скоростей дрейфа электронов, весь собранный электронный заряд, оптимальный сцинтилляционныи выход) время-проекционных детекторов, где сцинтилляционныи свет исполняет роль триггера. На основе данных экспериментальных результатов может быть сделана оценка временных и координатных характеристик время-проекционного детектора.
Личный вклад соискателя в проведенные исследования:
Все оборудование для проведения экспериментальных измерений было создано лично автором или при его непосредственном участии. Основные результаты были получены и обработаны лично автором
Апробация работы:
Основные результаты работы были доложены и обсуждены:
на научной конференции в Японии (Сендай - Сентябрь 2004),
на международном симпозиуме IEEE Nuclear Science Symposium (IEEE NSS - Октябрь 16 2004, Рим, Италия)
на научной конференции в Японии (Radiation detectors and their uses, KEK Tsukuba, Февраль 2005)
на научном международном семинаре (2nd International Workshop on Applications of Rare Gas Xenon to Science and Technology, XeSAT2005, Waseda University, Япония, Март 8-10,2005.
на международном симпозиуме IEEE Nuclear Science Symposium (IEEE NSS - Октябрь 29 2006, Сан-Диего, США).
на научной конференции МИФИ - 2007
Публикации:
Диссертационная работа основана на экспериментальных результатах, которые были опубликованы в период с 2004-2007 гг. в российских и зарубежных журналах, материалах международных конференций и симпозиумов, сборниках научных трудов. За это время опубликовано 8 работ.
Объем и структура диссертации:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержит 121 страница, 48 рисунков и 3 таблицы. Список литературы содержит 85 наименований.
1. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ И ИОНИЗАЦИОННЫЕ ГАЗОВЫЕ
ДЕТЕКТОРЫ
Основные принципы конструирования сцинтилляционных и пропорционально-сцинтилляционных детекторов
При создании сцинтилляционных и пропорционально-сцинтилляционных детекторов необходимо выделить несколько общих принципов, которые являются основополагающими: обеспечить оптимальное распределение электрического поля по газовому объему обеспечить наибольшую эффективность регистрации свечения, вызванного электролюминесценцией необходимость тщательной очистки благородных газов от электроотрицательных примесей В качестве рабочего вещества используются инертные газы или их смеси. Наиболее широкое применение в качестве рабочего вещества получил ксенон засчет своих следующих характеристик: большой атомный номер (Z=54) наибольший световыход среди благородных газов отсутствие долгоживущих радиоактивных изотопов радиационная стойкость относительно небольшая стоимость При проведении исследовательских экспериментов лучше всего использовать плоскопараллельную камеру, поскольку электрическое поле в этом случае однородно и практически не влияет на физические процессы, происходящие в детекторе. Заряжанная частица при попадании в детектор взаимодействует с рабочим веществом, ионизуя и возбуждая атомы газа. При прохождении следующих процессов (реакции (1.3) и (1.7)), двухатомные молекулы (димеры) газа высвечивают сцинтилляционные фотоны (первичная сцинтилляция). Далее электроны под влиянием высокого электрического поля дрейфуют к аноду. Средняя энергия электронов при движении к аноду увеличивается под действием электрического поля, и при достижении энергии 8 эВ они способны возбудить атомы газа (область электролюминесценции).
При снятии возбуждения возникает вторичное сцинтилляционное свечение. Первичная и вторичная сцинтилляции регистрируются с помощью фотоумножителя (ФЭУ). Важным спектрометрическим свойством газовых детекторов является энергетическое разрешение. Необходимо выделить следующие факторы, определяющие энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов: флуктуация числа электронно-ионных пар, образованных в результате взаимодействия излучения с рабочим газом флуктуация числа электронов, достигающих области электролюминесценции, с учетом эффекта рекомбинации, диффузии и захвата дрейфующих электронов электроотрицательными примесями флуктуации числа фотонов, образованных за счет дрейфа электронов в области электролюминесценции флуктуации числа фотонов, попадающих на анод ФЭУ флуктуации числа электронов, вылетающих с фотокатода ФЭУ флуктуации коэффициента усиления ФЭУ Помимо этих факторов на общее энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов оказывают влияние шумы ФЭУ и усилительные элементы, а также процессы, связанные с усилением. За последние десятилетия было посвящено много обзорных статей процессам сцинтилляций в благородных газах и в их смесях, среди них особое внимание следует уделить работам [36, 37], описывающие газовые детекторы и сцинтилляционные процессы в благородных газах, а также изучение свойств переноса энергии между атомами и молекулами. Впервые сцинтилляционные детекторы на основе благородных газов, использующие газовую среду появились в 1951 г [38]. Структура таких типов детекторов представляла собой ионизационную камеру заполненную благородным газом, просматриваемую фотоумножителем.
Первые эксперименты по изучению сцинтилляционных свойств этих газов и их смесей были изучены в работах [39,40]. Основная задача этих работ заключалась в изучении поведения световыхода в инертных газах при добавлении в них молекулярных газов для улучшения транспортных свойств электронов. Было обнаружено, что при добавлении определенного процента молекулярных газов ( N2, О2, СН4) в ксенон, наблюдалось существенное уменьшение сцинтилляционного света. Причина такого уменьшения сцинтилляции не была установлена. В этой работе был получен значительно высокий сцинтилляционный выход в смеси 10%Хе-90%Не, чем в чистом ксеноне. В последующих работах Нортроп и др. [39,40] повторили эксперименты по измерению сцинтилляционного света в смесях Хе-Кг, Аг-Ne, Не-Хе, где добилисть повторного результата увеличения сцинтилляции в смеси 10%Хе-90%Не. С того времени стали разрабатываться детекторы и проводиться измерения с различными добавками, в том числе и молекулярных газов (Н2, N2, Не и т.д.), чтобы получить наиболее оптимальную смесь для улучшения транспортных свойств электронов и для получения высокого как ионизационного, так и сцинтилляционного сигналов, соответственно. Начиная с 80-х годов основной тенденцией стало создание время-проекционных детекторов с хорошими спектрометрическими характеристиками, хорошим энергетическим разрешением, хорошими временными и координатными характеристиками. Ксенон является наиболее оптимальным кандидатом в качестве рабочего вещества для этих детекторов. Важной характеристикой детекторов на основе сжатого ксенона является их большой диапазон рабочих температур — 200 С, в котором их физические характеристики остаются практически неизменными. Кроме того, к достоинствам ксеноновых детекторов следует отнести их радиационную стойкость, а также стабильность характеристик во времени. Исследования спектрометрических, временных и координатных характеристик время-проекционных детекторов на основе сжатого ксенона можно проводить на тестовых ионизационных камерах. Предельное энергетическое разрешение детекторов на основе ионизационных камер определяется статистикой ионообразования и составляет около 0.4% при Ег=1 МэВ. Авторами работы [41] были проведены дополнительные экспериментальные исследования влияния таких факторов как плотность среды, рекомбинационные процессы в треке ионизирующей частицы, шумы электроники, на энергетическое разрешение гамма-спектрометров на базе ионизационных камер, наполненных сжатым ксеноном. Результаты исследований показали, что при плотностях до 0.6 г/см превышение разрешения над предельным значением, определяемым флуктуацией числа электрон-ионных пар, практически полностью объясняется аппаратурными эффектами (шумы электроники, неэффективность экранирования сеткой сигнального электрода и др.). В области плотностей выше 0.6 г/см3 реальное энергетическое разрешение приборов далеко от предела, обусловленного флуктуацией числа пар ионов и связанного с этим скорости рекомбинации. Одной из причин, приводящей к ухудшению энергетического разрешения с ростом плотности газа, являются процессы, происходящие на треке ионизующей частицы.
Система вакуумной подготовки для очистки ксенона и его смешивания с метаном
Была создана новая газовая система для очистки метана отдельно от ксенона и для его смешивания с предварительно очищенным ксеноном. Газовая система представлена на Рис.2.8 и 2.9. После сборки, ионизационная камера (1), вакуумная и газовая система прогревались при температуре 180С и откачивались несколько недель с помощью криогенных насосов: активированного угля (8) и цеолита (9). При достижении высокого вакуума в системе, дальнейшая откачка системы проводилась с помощью магниторазрядного диодного охлаждаемого насоса НМД-ОД 6-1 (Россия). После проведения откачки, система проверялась на наличие примесей с помощью масс-спектрометра (Residual Gas Analyzer, RGA-200, Stanford research). При проведении масс-спектрометрического анализа уровень электроотрицательных примесей (02 и т.д.) и воды был ниже детектируемого. Вся система была предварительно проверена на течь с помощью гелия.
Газообразный ксенон очищался от электроотрицательных примесей по двухступенчатой схеме. На первом этапе очистки использовался высокотемпературный кальциевый геттер, в котором имеется стружка Са, нагретая до температуры 600 С, и фильтр для поглощения кальциевой пыли. На втором этапе очищения, ксенон поступал в высокотемпературный титановый геттер. Чистота газа контролировалась по времени жизни электронов и составляла t=3 мс при электрическом поле Е=100 В/см.
Был приобретен баллон с коммерческим газом-метаном (40 л), с начальной чистотой 99,9%. Количество примесей в баллоне с метаном составляет: этан-пропан 0,03%, азот-кислород 0,07%, водяные пары (точка росы) -0,03 (-50С).
Очистка метана проводилась путем его циклической прогонки через оксисорб высокого давления (Messer Greisheim) из баллона (3) в баллон (4), которые в свою очередь попеременно смораживались жидким азотом. После каждого цикла очистки метана, весь метан смораживался в баллоне (4) и, система прогревалась и откачивалась. После этого, вся система (камера+газовая система) была проверена масс-спектрометром на наличие известных электроотрицательных примесей, которые в результате не были обнаружены. В конечной фазе очистки метана, газ смораживался в баллоне (3) жидким азотом и остаточное давление было откачено с помощью криогенного насоса-цеолита.
При создании смеси ксенона с нужной концентрацией метана учитывались объем ионизационной камеры (1), объем линий системы и объем цилиндра (3). Сжимаемость газа также учитывалась для создания нужной концентрации метана в ксеноне. Вакуумметр (2) со шкалой деления (0-1 атм) был использован для определения точного количества добавления метана в чистый ксенон. В данной главе были рассмотрены две разные установки, состоящие из ионизационных камер, включая вакуумно-очистительные газовые системы необходимые для проведения измерений сцинтилляционного и ионизационного выходов в смесях ксенона с метаном. В первом случае, была описана ионизационная камера без экранирующей сетки с MgF2 - окном, где эффективность пропускания MgF2 - окна для сцинтилляционных фотонов с длиной волны -121 нм является 50% и соответственно больше для длиноволновой области, что обеспечивает лучшую регистрацию сцинтилляционного света в ксеноне для 175 нм сцинтилляционных фотонов. Для очистки ксенонового газа был использован барий-титановый геттер, очищающий ксенон при температуре 600С. Был использован коммерческий газ-метан с чистотой 99,9999%, который напускался в газовую систему при смешивании с ксеноном через фильтр-очиститель (Gas Kleen Purifier, PALL).
Во втором случае была описана другая установка, состоящая из ионизационной камеры с экранирующей сеткой и с кварцевым окном (КУ-1) в верхнем фланце. Была описана методика подготовки газовой установки (ионизационная камера+вакуумно-газовая система) и метод очистки ксенона и метана.
При измерениях сцинтилляционных выходов с помощью фотоумножителя R6836 (HAMAMATSU PHOTONICS) рабочее напряжение на ФЭУ составляло U=600 В. При проведении измерений сцинтилляционных выходов в смесях ксенона с метаном, ФЭУ непререрывно поддерживался под напряжением для уменьшения дрейфа коэффициента усиления.
Время формирования усилителя-формирователя выбиралось таким образом, чтобы зарегистрировать полный сцинтилляционный сигнал, образующийся как в результате возбужденных процессов, так и процессов рекомбинации. На Рис.3.1 приведена осциллограмма сцинтилляционного сигнала на выходе с предусилителя ФЭУ для чистого ксенона. Из рисунка четко видны быстрая и медленная компоненты времени нарастания для чистого ксенона при давлении Р=0,6 Мпа и при напряженности поля Е=0 В. Быстрая сцинтилляционная компонента составляет несколько сотен наносекунд и медленная компонента несколько десятков микросекунд. Таким образом быстрая компонента относится к сцинтилляционным процессам, связанных с девозбуждением атомов ксенона, в то время как медленная компонента относится к сцинтилляционным процессам, образующихся от рекомбинационных процессов. На Рис.3.1 видно как рекомбинационная составляющая в чистом ксеноне уменьшилась с ростом давления от 0,6 до 3.1 МПа, поскольку как было указано ранее, сцинтилляционный свет при больших давлениях начинает уменьшаться вследствие тушения димеров ксенона атомами ксенона при их столкновениях. При включении электрического поля в чистом ксеноне, при давлении Р=0.6 Мпа, рекомбинационная составляющая значительно уменьшилась, поскольку большая часть электронов была вытянута электрическим полем с ионизационного трека, уменьшая вклад в сцинтилляционный свет.
Таким образом было обнаружено, что увеличение сцинтилляционного сигнала составляет более чем 50 мкс при давлении Р=0,6 Мпа без включения электрического поля (Е=0) и выбор времени формировки усилителя-формирователя -100 мкс достаточно, чтобы регистрировать сцинтилляционные сигналы в полном объеме при давлении более чем 1,6 МПа в отсутствии электрического поля. Следует заметить, что с ростом концентрации метана в чистом ксеноне, уменьшение рекомбинационной составляющей сцинтилляционного света в смеси будет уменьшаться. Во время измерений, газообразный аргон высокой чистоты поступал в зазор между окном камеры и входным окном фотоумножителя для предотвращения поглощения коротковолновых фотонов (-175 нм) воздухом. При проведении экспериментов сигналы с фотоумножителя поступали на зарядочувствительный усилитель 1 (ЗЧУ 1) с постоянной времени 3.3 мс, далее на усилитель-формирователь с временем формирования 100 мкс и затем на многоканальный амплитудно-цифровой преобразователь (а.ц.п.). Блок-схема электроники для регистрации сцинтилляционного и ионизационного сигналов представлена на Рис. 3.2.
Методика измерений сцинтилляционного и ионизационного выходов в чистом ксеноне и его смесях с метаном с помощью ионизационной камеры с экранирующей сеткой и с кварцевым окном
Рабочее напряжение фотоумножителя ФЭУ-39А при измерениях сцинтилляционных выходов в чистом ксеноне и его смесях с метаном составляло 950 В. Для контроля стабильности коэффициента усиления ФЭУ во время измерений сцинтилляционных выходов, использовался "зеленый" светодиод. Калибровочный светодиод "поджигался" с помощью генератора импульсов Г5-56. Длительность и амплитуда светового сигнала от светодиода составляла 3 мкс и 5 мВ, соответственно. Типичная осциллограмма с ФЭУ-39А при его засветке от светодиода и усредненный сигнал с генератора от калибровочного светодиода изображены на Рис 3.4 Контроль за стабильностью коэффициента усиления ФЭУ-39А осуществлялся по величине площади усредненного сигнала от светодиода. При обработке данных сцинтилляционных выходов изменения коэффициента усиления были учтены.
На установке №2, в отличие от установки №1, производилась пособытийная запись экспериментальных данных при помощи цифрового осциллографа LeCroy-LT344 с максимальной частотой оцифровки 500 MhZ. На Рис.3.5. изображена блок схема регистрации сцинтилляционного и ионизационного выходов на установке №2.
Выработка триггерного сигнала осуществлялась от сцинтилляционного сигнала, при этом порог срабатывания устанавливался выще собственных шумов ФЭУ. Все данные записывались и хранились в памяти компьютера для их дальнейшей обработки в программе Data Analysis Framework ROOT Software (CERN). На Рис.3.6. изображена осциллограма со сцинтилляционным, ионизационным и электролюминесцентным сигналами в чистом ксеноне при давлении газа 21 атм.
Перед каждым измерением ионизационных сигналов проводилась калибровка зарядо-чувствительного усилителя по его калибровочной емкости с помощью генератора импульсов Г5-78. Калибровочные сигналы с генератора записывались и при дальнейшей обработке ионизационных сигналов были учтены. Амплитудный, калибровочный сигнал с генератора представлен на Рис.3.7. Амплитуда и длительность калибровочных сигналов с генератора составляли 5 мВ и 160 мкс, соответственно.
Времена высвечивания измерялись в однофотоэлектронном режиме. На Рис.3.8 и Рис. 3.9 изображены схема измерений и подробная диаграмма измерений времен высвечиваний в смесях Хе-СН , в однофотоэлектронном режиме. Первый фотоумножитель ФЭУ-39А регистрировал всю интенсивность световых вспышек в смесях ксенона с метаном, в то время как второй фотоумножитель ФЭУ-143 регистрировал отдельные фотоны, которые и обуславливают одноэлектронные импульсы на выходе ФЭУ (Рис.2.6.). Сигналы с анода каждого фотоумножителя поступали на входы линейных усилителей (ЛУ1 и ЛУ2). С выхода линейных усилителей сигналы поступали на быстрые дискриминаторы (Д1 и Д2). Последние выдавали импульсы определенной формы и амплитуды, которые затем поступали на схему совпадений (СС). Из всей совокупности сигналов, поступающих на СС, отбирались те, которые приходили с временным сдвигом, меньшим или равным ее разрешающему времени. Задержка между двумя сигналами с ФЭУ-39А и с ФЭУ-143 составляла 90 не, соответственно. Далее сигнал запуска поступал из СС на осциллограф. Триггер осуществлялся от сигнала приходящего с ФЭУ-143 (однофотоэлектронного сигнала) в "воротах" схемы совпадений, длительность которых составляла -500 не. Таким образом, данная методика позволяет наилучшим образом измерить кинетику времен сцинтилляционного высвечивания в смесях ксенона с метаном. В главе 3 были рассмотрены разные методики проведения измерений сцинтилляционного и ионизационного выходов в смесях ксенона с метаном.
Было показано, что при измерении сцинтилляционного и ионизационного выходов в смесях ксенона с метаном с помощью ионизационной камеры с экранирующей сеткой и с кварцевым окном (КУ-1) была использована более новая методика измерений путем записывания сцинтилляционных сигналов с фотоумножителей и ионизационных сигналов с зарядо-чувствительного усилителя на осциллограф (LeCroy-LT344, 500MhZ, 500 Ms/s) в виде отдельных событий и их последующей обработкой в Data Analysis Framework ROOT Software (CERN). В обоих случаях измерений проводилась стабильная калибровка фотоумножителей и зарядочувствительного усилителя. Была описана методика измерений времен сцинтилляционного высвечивания в смесях ксенона с метаном в однофотоэлектронном режиме. Данная методика позволяет наилучшим образом измерить кинетику времен сцинтилляционного высвечивания в смесях ксенона с метаном.
Экспериментальные данные по измерениям сцинтилляционных выходов в смесях ксенона с метаном
На установке 1 была измерена зависимость световыхода в смесях ксенона с добавлением (0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 1%, 2%) метана от параметра E/N, при давлении ксенона 26 атм. Зависимость сцинтилляционного выхода в смесях ксенона с метаном от параметра E/N изображена на Рис.4.3. Из этих данных видно, что сцинтилляционный свет в чистом ксеноне значительно уменьшается в 1.7 раза (-42%) при увеличении интенсивности электрического поля до значения E/N=0.12x10" Всм . При добавлении 0.05% метана в ксенон сцинтилляционный уменьшается при значении параметра E/N=0 на 20%. При дальнейшем увеличении электрических полей с E/N=0.05xl0"17 В-см2 до E/N=0.1xl0"17 В-см2 величина сцинтилляционного выхода в Хе-СН4(0.05%) увеличивается до величины сцинтилляционного выхода в чистом ксеноне и далее уменьшается с дальнейшим увеличением электрического поля. При увеличении концентрации СЕЦ в ксеноне, сцинтилляционные выходы уменьшаются на всем протяжении электрических полей. Эксперименты по измерению сцинтилляционного выхода в смеси ксенона с метаном были повторно проведены с помощью ионизационной камеры с экранирующей сеткой (установка 2) при давлении ксенона Р=21 атм (См. п.2.2.1). Перед проведением основного эксперимента были измерены сцинтилляционные и ионизационные выходы в чистом метане при давлениях 2.4 атм и 8.8 атм для оценки его чистоты перед приготовлением смесей Хе+СЕЦ. На рисунке 4.4 изображен ионизационный сигнал в чистом метане при давлении Р=8.8 атм. Сцинтилляционный и электролюминесцентный сигналы не были обнаружены в чистом метане. На Рис 4.5. приведена зависимость сцинтилляционного выхода в смеси ксенона с 0.05% концентрацией метана от параметра E/N, при давлении Р=21 атм. Из этих данных видно, что интенсивность сцинтилляционного света в смеси Хе+СН4(0.05%) в отсутствие электрического поля (E/N=0) немного уменьшается по отношению к сцинтилляции в чистом ксеноне. При увеличении электрического поля с E/N=0.06x 10" Всм до E/N=0.1 10" Всм величина сцинтилляционного света остается равной величине сцинтилляции в чистом ксеноне. При дальнейшем увеличении электрического поля сцинтилляционный свет в смеси Хе+СН4(0.05%) уменьшается по отношению к сцинтилляционному свету в чистом ксеноне. Из рисунка видно, что измеренные сцинтилляционные выходы в чистом ксеноне и в смеси Хе-СН4(0.05%) на установке 2 сошлись с экспериментальными данными по измерению световыхода в чистом ксеноне и в смеси Хе-СН4(0.05%), полученными на установке 1. Были измерены времена высвечивания в чистом ксеноне и в смеси ксенона с концентрацией (0.05%) метана. Измерения времен высвечивания в газообразной смеси ксенона с метаном (0.05%) были сделаны впервые. На Рис.4.6 изображена зависимость времен сцинтилляционного высвечивания медленной компоненты в чистом ксеноне и в смеси Хе+СН4(0.05%) от параметра E/N. Из рисунка видно, что медленная компонента времени высвечивания значительно уменьшается с увеличением электрического поля. Медленная компонента уменьшается от 200 не до 95 не когда электрическое поле увеличивается от E/N=0 до величины E/N=0.05xl0" Всм и далее при достижении величины электрического поля E/N=0.07xl0" Всм время высвечивания медленной компоненты становится -80-85 не, что соответствует характерному времени жизни триплетного состояния 32+и. Было обнаружено, что поведение времени высвечивания медленной компоненты в смеси Хе+СН4(0.05%) отличается от поведения медленной компоненты в чистом ксеноне в зависимости от увеличения электрического поля. В отсутствие электрического поля (E/N=0) и при величине электрического ПОЛЯ E/N=0.01X10 17BCM2 времена высвечивания медленной компоненты в смеси Хе+СНі(0.05%) находятся практически на уровне времен высвечивания в чистом ксеноне и составляют 180 не. При увеличении электрического поля от величины Е/Ы=0.01х10 ,7Всм2 до E/N=0.08X10"17BCM2 (низкие электрические поля) времена высвечивания практически не изменяются и составляют 160-170 не. На установке 1 были измерены ионизационные выходы в смесях ксенона с добавлением (0.05%, 0.2%, 0.6%, 1%, 5%, 10%) метана от параметра E/N, при давлении ксенона 26 атм. На Рис.4.7 изображена зависимость ионизационного выхода в чистом ксеноне и в его смесях с метаном от параметра E/N, при давлении Р=26 атм. Из этих данных видно, что при увеличении электрического поля от параметра E/N=0.07X10"17BCM2 ДО параметра E/N= 0.14x10" Всм, наблюдается значительное увеличение заряда. При добавлении метана в ксенон ионизационный выход значительно уменьшается во всем диапазоне электрических полей. Рост ионизационного сигнала в смесях с увеличением электрического поля слабее, чем для чистого ксенона. Эксперименты по измерению ионизационного выхода в смеси ксенона с метаном были повторно проведены с помощью ионизационной камеры с экранирующей сеткой (установка 2) при давлении ксенона Р=21 атм (См. п.2.2.1). График зависимости ионизационного выхода в чистом ксеноне и в его смеси с метаном от параметра E/N изображен на Рис.4.8. Из рисунка видно, что ионизационный выход увеличивается в чистом ксеноне с ростом электрического поля. С добавлением 0.05% метана ионизационный выход уменьшается в ксеноне на всем протяжении электрических полей. Из полученных результатов видно, что ионизационные выходы в чистом ксеноне и в смеси Хе+СН4(0.05%), измеренные на установке 2 сходятся с ионизационными выходами в чистом ксеноне и в его смеси Хе+СН4(0.05%), измеренными на установке 1.
