СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................5
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-oкнoм 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
2.3. Выводы к главе 2.....................................58
3. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ 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 М§Р2 - 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 Хе-СН*...........................................86
5.2. Анализ экспериментальных данных но 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
3
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
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................112
ЛИТЕРАТУРА.............................................115
4
ВВЕДЕНИЕ
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
5
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 2. Известно, что сечение взаимодействия гамма-квантов с атомами сильно зависит от заряда ядра:
г л
фотоэффект ~ 2, комптон-эффект - 2, процесс образования пар ~ 2 . С этой точки зрения Хе (2= 54) является одним из наиболее эффективных поглотителей гамма-излучения. Кроме заряда ядра, важнейшей характеристикой детектирующей среды является се плотность. Благодаря высокой сжимаемости, газообразный ксенон имеет значительную плотность при относительно невысоком давлении (1 г/см3 при 70атхм). 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
6
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 (О2’, ?2, и т.д.). Одной из оптимальных молекулярных добавок в инертных газах для улучшения транспортных свойств электронов является молекулярный газ - тетрафторид углерода СР4. Главным недостатком тетрафторид углерода СР4, 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 (Гг’). 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 №0)111,12].
В настоящее время сцинтилляционные и ионизационные процессы в смесях Хе-СНд малоизучены. В связи с разработкой перспективного на
7
сегодняшний день время проекционного детектора высокого давления на основе смеси ХЄ-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/см3).
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 Е/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 Xe-CHj 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
8
контролировать чистоту исследуемого газа в процессе проведения эксперимента, чтобы объяснить влияние примесей на поведение сцинтилляционного и ионизационного выходов.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Впервые измерены времена сцинтилляционного высвечивания медленной компоненты в ксеноне с добавлением 0.05% метана от параметра Е/N при давлении 21 атм в зависимости.
6. Впервые метод подобия был применен к экспериментальным результатам по измерениям ионизационных выходов в смеси Хе-СН4 для различных концентраций примеси CHj. Правило подобия позволяет объеденить имеющиеся экспериментальные данные, полученные при различных значениях концентрации метана.
На защиту автор выносит следующие положения:
1. 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.
2. Установку, состоящую из ионизационной камеры с MgFr-окном для измерения сцинтилляционных и ионизационных выходов, включая
9
вакуумно-газовую систему для очистки метана и приготовления смесей Хе-СЕЦ.
3. 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.
4. 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 СН4 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 Е/N, при давлении 21 атм.
7. Применение метода подобия к экспериментальным результатам по измерению ионизационных выходов в смесях Хе-СН4 в широком диапазоне концентраций примеси СН*. 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 Хе-СН4 в широком диапазоне концентраций примеси метана могут быть использованы для выбора оптимального состава Хе-СН4 газовой смеси с целью достижения наилучших рабочих характеристик (высоких скоростей дрейфа электронов, весь собранный электронный заряд, оптимальный сцинтилляционный выход) время-проекционных детекторов, где сцинтилляционный свет исполняет роль триггера. На основе данных экспериментальных результатов может быть сделана оценка временных и координатных характеристик время-проекционного детектора.
10
- Киев+380960830922