Позиционно-чувствительный детектор на основе микроканальных пластин для измерения характеристик осколков деления на установке мавр

全文:

1. Введение

Одним из наиболее важных фундаментальных свойств атомного ядра является его масса. В экспериментальной ядерной физике был достигнут высокий уровень регистрации как стабильных, так и экзотических ядер. При этом если во многих случаях может быть достигнута эффективность регистрации близкая к 100%, для области экзотических ядер, находящихся далеко от линии β-стабильности, точные измерения масс сильно ограничены их низкими скоростями образования и коротким периодом полураспада. Используются различные методы измерения масс продуктов ядерных реакций [1]. Точное измерение масс проводится при помощи магнитных масс-спектрометров – приборов, которые разделяют движущиеся ионы в пространстве. Для разделения заряженных частиц в масс-спектрометрах используется магнитное поле. При этом частицы в зависимости от их массы $m$ и заряда $q$ движутся по окружностям соответствующего радиуса $R$.

Другим широко распространенным методом масс-спектрометрии является определение масс и энергий продуктов реакции измерением их времени пролета (TOF, time of flight). Метод TOF [2, 3] позволяет измерять энергию регистрируемого ядра $E_k$ по времени $t$, за которое ядро преодолевает фиксированное расстояние внутри времяпролетного спектрометра:

$t=72.3L\sqrt{\frac{A}{E_k}}$, (1)

где $A$ [а.е.м.] – массовое число частицы, $L$ [м] – длина пролетной базы.

Эффективно используются времяпролетные системы при регистрации осколков деления тяжелых ядер [4]. При этом регистрирующие датчики должны иметь хорошие временные характеристики, так как точность измерения масс атомных ядер в TOF-методе в основном обеспечивается энергетическим и временным разрешением спектрометра. Для получения хорошего разрешения по массам необходимо иметь временное разрешение лучше 250 пс. Из них может быть определено массовое разрешение:

${\left(\frac{\delta M}{M}\right)}^2={\left(\frac{\delta E_k}{E_k}\right)}^2+4{\left(\frac{\delta t}{t}\right)}^2$ (2)

где М – масса частицы; $E_k$ – ее кинетическая энергия; $t$ – время пролета.

В последнее время важную роль в подобных исследованиях играют детекторы, в которых регистрируется координата попавшей в детектор частицы – так называемые позиционно-чувствительные детекторы (ПЧД) [5]. В результате использования таких детекторных установок в ядерно-физических экспериментах был получен ряд весьма интересных результатов в различных областях исследований. Преимущество ПЧД особенно ярко проявляется в реакциях с экзотическими ядрами, когда исследуются редкие события. В экспериментах по измерению времени пролета необходимо реконструировать траекторию продуктов реакции. По этой причине нами был разработан детектор, чувствительный к позиции эмиссии электронов, используемый для восстановления траектории с низкими потерями энергии и высокой эффективностью.

Ниже описывается специальная времяпролетная система, используемая в экспериментах на магнитном анализаторе высокого разрешения – установке МАВР Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ [6–8], позволяющая измерять продукты ядерных реакций с высоким разрешением по их массе.

Одной из физических задач, решаемых с помощью анализатора МАВР, является исследование нового процесса, обнаруженного в ЛЯР ОИЯИ, – эмиссии заряженных частиц максимально возможной энергии (вблизи кинематического предела для двухтельного механизма реакции). В результате такого процесса образуется тяжелое “холодное” ядро-остаток, которое после вылета быстрой частицы может поделиться. Изучить характеристики делящегося ядра-остатка позволяют созданные специально для этого анализатора времяпролетные системы, описанию которых посвящена настоящая работа. К используемой в этой установке времяпролетной системе предъявляются особые требования. Во-первых, она должна работать при больших загрузках (до 10⁵ с^-1), связанных с высокой интенсивностью пучка ионов на мишени (до 10¹¹ с^-1). Во-вторых, должна быть малочувствительна к излучению из мишени (электроны, гамма, нейтроны). В-третьих, обладать высокой эффективностью регистрации и позиционной чувствительностью для восстановления траектории частиц. Всем этим условиям отвечает разработанная и используемая времяпролетная система, описываемая ниже. На рис. 1 представлена схема эксперимента на МАВР.

 

Рис. 1. Схема времяпролетного спектрометра, присоединенного к реакционной камере на МАВР.

 

2. Позиционно-чувствительный детектор на основе микроканальных пластин

Позиционно-чувствительными называют детекторы, которые позволяют определить координату места попадания в них заряженных частиц или квантов рентгеновского излучения.

Для достижения высокого позиционного разрешения в данной работе был выбран позиционно-чувствительный детектор на основе микроканальных пластин (МКП). Детектор состоит из лавсановой фольги размером 70×50 мм² и толщиной 140 мкг/см² с золотым напылением, толщиной 20 мкг/см², ускоряющей сетки, электростатического зеркала (медно-бериллиевая проволока диаметром 50 мкм), шевронной сборки двух МКП размером 60×40 мм² толщиной 1 мм, координатной системы из двух ортогональных линий задержки. Каждая линия задержки имеет змеевидную форму и изготовлена из медно-бериллиевого провода диаметром 100 мкм. Линии задержки намотаны на капролоновые винты с шагом 0.5 мм, укрепленные на стальной отражающей плате. Диаметр винтов для линии задержки y-координаты 3 мм, а x-координаты – 5 мм.

На рис. 2 представлен использованный в работе позиционно-чувствительный детектор.

 

Рис. 2. Позиционно-чувствительный детектор на основе МКП.

 

На ПЧД подается общее напряжение 2650 В через высоковольтный источник питания (ORTEC MODEL 556). Далее через высоковольтные делители напряжение последовательно распределяется между первой МКП – 900 В, второй МКП – 700 В, а также координатной системой, конверсионной фольгой и сеткой электростатического зеркала с необходимыми потенциалами.

Принцип работы детектора основан на выбивании электронов регистрируемой частицей при прохождении через фольгу (рис. 3). Выбитые электроны ускоряются электрическим полем в пространстве между фольгой и ускоряющей сеткой. На шевронную сборку МКП электроны попадают, отклонившись от сетки электростатического зеркала на 90°. Независимо от прохождения частицы через входную фольгу, траектории электронов имеют одну и ту же длину за счет конструкции электростатического зеркала, поэтому выходной временной сигнал детектора является позиционно независимым. Потенциалы на линиях задержек подобраны таким образом, чтобы электроны, вылетающие из МКП, собирались только на одной из них. Вторая линия задержки, на которой не собираются электроны, служит для компенсации наводок быстрого временного сигнала с выходной поверхности МКП.

 

Рис. 3. Схема работы ПЧД.

 

Пластины изготавливаются из свинцового стекла толщиной 0.5–1 мм и представляют собой порядка 10⁶ электронных умножителей: стеклянные каналы диаметром около 10 мкм, упорядоченные в сотовые структуры (рис. 4). Электроны, попадая внутрь каналов с сопротивлением до 10⁶ Ом, выбивают с их поверхности вторичные электроны. Многократное повторение этого процесса приводит к возникновению электронной лавины на выходе из канала с усилением сигнала примерно в 10⁷ [9].

 

Рис. 4. Структура микроканальной пластины.

 

Система измерения координат регистрируемых частиц состояла из вакуумной камеры, системы сбора данных, программного обеспечения и следующих блоков электроники (рис. 5):

1. высоковольтный источник питания (ORTEC MODEL 556 HIGH VOLTAGE POWER SUPPLY);
2. дискриминатор (QUAD Constant Fraction Discriminator-200 MHz);
3. время-амплитудный преобразователь (Ortec);
4. система набора данных (Mesytec, MDPP-16, MVLC).

 

Рис. 5. Времяпролетный спектрометр и система сбора данных.

 

Сигналы с анода и координатные сигналы подаются на дискриминаторы (CFD) со следящим порогом (рис. 6). Далее выходной логический сигнал с дискриминатора (анода) идет на “старт” ТАС (время-амплитудный преобразователь), а координатные сигналы X, Y задерживаются таким образом, чтобы они приходили на схему совпадений всегда позже стартовых сигналов и подаются на “стоп” (TAC). Далее сигнал поступает на импульсно-цифровой преобразователь (MDPP-16). Данные, полученные со всех модулей, передаются в крейт-контроллер (MVLC) и накапливаются в системе набора данных (DAQ) с помощью высокоскоростного USB3.0 интерфейса. Запуск системы набора осуществляется с логического сигнала анода МКП-детектора (MVLC-trigger). Затем в программе набираются спектры событий, которые сохраняются в виде бинарных файлов. Файлы конвертируются в ROOT-формат для дальнейшего анализа.

 

Рис. 6. Блок-схема электроники системы сбора данных.

 

3. Результаты измерений

Для измерения координат регистрируемых частиц были проведены измерения осколков спонтанного деления ²⁵²Cf. Перед ПЧД была закреплена маска размером 69 × 59 мм², толщиной 1 мм с 24 отверстиями: по 6 отверстий по оси X шириной 3 мм, по 4 отверстия по оси Y шириной 3.5 мм. Шаг между отверстиями составил 5 мм. Источник был установлен перед ПЧД с маской таким образом, чтобы излучение попадало на всю поверхность маски, установленной перед входным окном детектора. Расстояние между маской и источником излучения составило 20 см, а между маской и входным окном – 1 см.

Схематический вид маски показан на рис. 7. На рис. 7б представлен измеренный двумерный координатный спектр, соответствующий отверстиям маски.

 

Рис. 7. а) Схематический вид маски. б) Двумерный спектр в координатах X и Y, полученный в результате калибровки детектора источником ²⁵²Cf.

 

Для координаты X было измерено FWHM = 3.4 мм, для координаты Y – FWHM = 3.2 мм. При тестировании детектора источником ²⁵²Cf были получены координатные разрешения: для координаты Х – 1.4 мм для координаты Y – 1.1 мм и построены координатные спектры (рис. 8).

 

Рис. 8. Одномерные спектры в координатах X и Y, полученные в результате калибровки детектора источником ²⁵²Cf: спектр по оси координат X (а), спектр по оси координат Y (б).

 

Эффективность детектора для источника ²⁵²Cf составила – 95%. Эта эффективность определяется “прозрачностью” используемых сеток. Перемещение электронов к детектору осуществляется с помощью однородного магнитного поля или электростатического зеркала таким образом, чтобы получить одинаковые по длине траектории, т. е. изохронно. Такой метод обеспечивает 100-процентную эффективность регистрации осколков деления.

Для определения временного разрешения ПЧД были проведены измерения времени пролета альфа-частиц с известными энергиями $E_{{\alpha }_1}$= 7.6 МэВ, $E_{{\alpha }_2}$= 6 МэВ, $E_{{\alpha }_3}$= 5.4 МэВ, $E_{{\alpha }_4}$= 4.8 МэВ, испускаемых радиоактивным источником ²²⁶Ra. В данном случае в качестве детектора для регистрации сигнала “Старт”, с которого начинается отсчет времени пролета электрона, выбитого заряженной частицей, был выбран МКП-детектор (рис. 9). “Стоп”-сигнал регистрировался с анода ПЧД. Пролетная база между двумя детекторами составила 250 мм.

 

Рис. 9. Схема расположения источника 226Ra и детекторов.

 

Стартовый МКП-детектор [10] состоит из конверсионной фольги размером 25×35 мм², ускоряющей сетки, электростатического зеркала, сборки микроканальных пластин диаметром 32 мм (рис. 10).

 

Рис. 10. Стартовый детектор на основе МКП.

 

В результате измерений времени пролета альфа-частиц было получено хорошее временное разрешение 200 пс, представленное на рис. 11.

 

Рис. 11. Временное распределение альфа-частиц, испущенных ²²⁶Ra.

 

Эксперимент проводился на пучках ионов ¹⁴N с энергией 120 МэВ на циклотроне У-400 ЛЯР, ОИЯИ. Интенсивность пучка ¹⁴N составляла 30 нА. Пучок выводился на мишень ¹⁹⁷Au толщиной d = 2 мкм под углом 45°. Времяпролетный спектрометр был расположен под углом 85° к реакционной камере и состоял из стартового ПЧД на основе микроканальных пластин размером 40×60 мм², маски, закрепленной перед ПЧД для определения координат регистрируемых частиц, и стопового Si-детектора размером 50×50 мм². Расстояние от мишени до МКП – 310 мм, пролетная база между МКП-детектором и Si-детектором – 230 мм. Телесный угол составил 27 мср.

В результате реакции ¹⁴N+¹⁹⁷Au с ПЧД были получены координаты зарегистрированных частиц (рис. 12).

 

Рис. 12. Двумерный спектр в координатах X, Y реакции ¹⁴N+¹⁹⁷Au.

 

Для координаты X было измерено FWHM = = 4.36 мм, для координаты Y – FWHM = 3.4 мм. Получены значения эффективности регистрации продуктов реакций с помощью этого детектора, близкие к 100% для всех масс продуктов. Разрешение для координаты Х составило 1.6 мм, для координаты Y – 1.4 мм. Построенные координатные спектры представлены на рис. 12, 13.

 

Рис. 13. Одномерные спектры в координатах X и Y, полученные в реакции ¹⁴N+¹⁹⁷Au: спектр по оси координат X (а), спектр по оси координат Y (б).

 

4. Выводы

В данной работе были проведены измерения характеристик позиционно-чувствительного детектора на основе микроканальных пластин и создана времяпролетная система с параметрами высокой точности: временным разрешением и позиционной чувствительностью. В экспериментах по измерению осколков спонтанного деления ²⁵²Cf и осколков деления в результате реакции ¹⁴N+¹⁹⁷Au получены позиционные разрешения по координатам X и Y. Временное разрешение детектора получено при измерении времени пролета альфа-частиц, испускаемых ²²⁶Ra, от стартового МКП-детектора до стопового ПЧД-детектора. Результаты измерений демонстрируют возможность использования ПЧД-детектора на основе микроканальных пластин в различных ядерно-физических экспериментах, где необходимо измерять скорость и массу образующихся продуктов ядерных реакций.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают благодарность Ю.Э. Пенионжкевичу за консультации и ценные советы в написании работы, а также всем коллегам за организацию и огромный вклад в эти исследования. Также авторы благодарны Б.С. Воробьеву за помощь в создании конструкции для установки детекторов, необходимой для проведения данных экспериментов.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Данная работа была выполнена при поддержке гранта АР14870958 республики Казахстан и гранта 24-22-00117 Российского научного фонда.

作者简介

Д. Азнабаев

Объединенный институт ядерных исследований; Институт ядерной физики

编辑信件的主要联系方式.
Email: daur_is101@jinr.ru
俄罗斯联邦, 141980, Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6; Казахстан, 050032, Алматы, ул. Ибрагимова, 1

Т. Исатаев

Объединенный институт ядерных исследований; Институт ядерной физики

Email: daur_is101@jinr.ru
俄罗斯联邦, 141980, Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6; Казахстан, 050032, Алматы, ул. Ибрагимова, 1

С. Лукьянов

Объединенный институт ядерных исследований

Email: daur_is101@jinr.ru
俄罗斯联邦, 141980, Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6

В. Смирнов

Объединенный институт ядерных исследований

Email: daur_is101@jinr.ru
俄罗斯联邦, 141980, Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6

С. Стукалов

Объединенный институт ядерных исследований

Email: daur_is101@jinr.ru
俄罗斯联邦, 141980, Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6

А. Солодов

Объединенный институт ядерных исследований

Email: daur_is101@jinr.ru
俄罗斯联邦, 141980, Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6

参考

补充文件