劉　靜　王發(fā)芽　王子華　江向東

摘要：本文通過對(duì)液氬探測(cè)器的設(shè)計(jì)，對(duì)其設(shè)計(jì)過程中所遇到的問題，談一下個(gè)人看法。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)；探測(cè)器；液氬

一個(gè)液氬飛行時(shí)間探測(cè)器(LAr-TPC)像電氣泡室一樣，能夠連續(xù)地感應(yīng)和觸發(fā)，它可以給出3維的電離軌跡同時(shí)產(chǎn)生很好的能量響應(yīng)，該裝置是由諾貝爾獎(jiǎng)得主魯比亞(Rubbia)在1977年首先提出的。以后幾年內(nèi)的工作就是為了證明該探測(cè)器的可行性。這需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題有以下幾點(diǎn)：

1、必須保證液氬的純度，即要求它里面的負(fù)電分子含量在0.1ppb左右，這樣才能保證電離產(chǎn)生的電子有足夠長(zhǎng)的射程；

2、探測(cè)器所用的材料必須絕對(duì)清潔，同時(shí)要求能夠保證純氬和外界的隔離，避免由于放氣和泄漏產(chǎn)生的干擾；

3、絲室能夠完整地讀出幾個(gè)毫米內(nèi)的絲平面信號(hào)(為了得到三維軌跡)：這需要高精度、高可靠性的信道以及對(duì)探測(cè)器內(nèi)的電場(chǎng)詳細(xì)了解：

4、發(fā)展低噪聲的前級(jí)放大器，這樣可以得到較好的信噪比。1989年(ICARUS)聯(lián)合提出了建造一個(gè)大型的液氬時(shí)間探測(cè)室，以上4個(gè)問題在小型探測(cè)器的試驗(yàn)中都得到了解決。當(dāng)時(shí)他們所面臨的問題以及相關(guān)的解決途經(jīng)已經(jīng)很清楚了，即簡(jiǎn)化和選擇技術(shù)路線。

目前一個(gè)3噸的探測(cè)器已在歐洲核子研究中心(CERN)穩(wěn)定工作了幾個(gè)月。從小體積到大體積的探測(cè)器主要有以下幾個(gè)方面的改進(jìn)：

(1)對(duì)和純氬接觸的材料進(jìn)行特別的工業(yè)清潔：

(2)利用再流通系統(tǒng)，不斷地凈化泄漏氣體并使之液化到探測(cè)器內(nèi)。這樣就避免了由于在探測(cè)器高溫區(qū)域的內(nèi)部材料放氣而產(chǎn)生的干擾：

(3)信號(hào)的饋通是通過印刷電路板，將每個(gè)電極焊在上面。

一、主體外形

對(duì)于這臺(tái)3噸重的大型探測(cè)器的外形，我們?cè)诖酥饕榻B以下幾個(gè)方面。

(一)它是由兩個(gè)獨(dú)立的，相互呈鏡像對(duì)稱的半圓柱部分構(gòu)成。

(二)每部分都被一個(gè)絲室覆蓋，該絲室由3層平行絲面構(gòu)成，每層的面積為2.4xO.9m²。漂移電子會(huì)連續(xù)地通過如下絲面：1一個(gè)對(duì)電子透明的屏幕；2一個(gè)絲面，這里電子可以給出一個(gè)感應(yīng)信號(hào)(這個(gè)面對(duì)電子也是透明的)；3一個(gè)絲面，該絲面的絲和前絲面上的絲相互垂直，它用于收集電荷。絲間距為2mm，同時(shí)絲面間距也為2mm。最長(zhǎng)的漂移距離為42cm。該絲室由3600根長(zhǎng)為2.4m的垂直絲(不銹鋼，直徑100μm)和4800根長(zhǎng)為0.9m的平行絲構(gòu)成。探測(cè)器內(nèi)部的信號(hào)電纜為低電容(40pf／m)的長(zhǎng)為3.5m的Kapton扁平電纜。2100個(gè)信號(hào)通道均布在杜瓦瓶頂部的8個(gè)法蘭上。低噪聲前級(jí)放大器安裝在信號(hào)通道法蘭上的冷室中。

(三)在探測(cè)器內(nèi)部的電子壽命可通過測(cè)量光照電子云衰減而連續(xù)監(jiān)測(cè)，該電子云是通過紫外激光脈沖照射金屬陰極并使激光在小的漂移間隙移動(dòng)。電子壽命在注入期間穩(wěn)定增長(zhǎng)且達(dá)到高于5ms的穩(wěn)定值(相對(duì)衰減長(zhǎng)度超過10mm)。這個(gè)結(jié)果主要?dú)w功于以上介紹的再流通系統(tǒng)。

(四)該探測(cè)器也具有重要的特征，也就是可以自觸發(fā)。這個(gè)現(xiàn)象在迅速提高電流信號(hào)時(shí)被發(fā)現(xiàn)。

一個(gè)顯示該探測(cè)器特點(diǎn)的事件：一個(gè)210MeV的宇宙u介子的俘獲伴隨電子的衰減。由此以及許多我們觀測(cè)的事件表明，LAr-TPc探測(cè)器是一個(gè)高空間分辨率(222mm3／單元)、低電子學(xué)噪聲(約為25KEY)的電磁量能計(jì)。實(shí)際上該探測(cè)器也可以測(cè)量沿軌跡的單位距離能損(dE／dx)，以及衰減軌跡附近的電離。電子的總能量約為21MeV。

二、探測(cè)器的響應(yīng)

已經(jīng)收集了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這包括在小型LAr-TPC對(duì)電子束以及3噸的大型探測(cè)器對(duì)宇宙射線和6MeV單能光子的探測(cè)響應(yīng)，整個(gè)測(cè)量的能量范圍從幾個(gè)MeV到幾個(gè)GeV。u介子通過漂移空間產(chǎn)生3MeV的6光子。這個(gè)事件可在兩個(gè)直角坐標(biāo)系內(nèi)表示：感應(yīng)平面(非破壞性讀出)以及收集平面(破壞性讀出)，兩個(gè)平面的感應(yīng)絲相互垂直。這兩個(gè)坐標(biāo)系的時(shí)間軸是相同的。由上面的數(shù)據(jù)以及沿軌跡上的能量損失就可以實(shí)現(xiàn)3維的重建。對(duì)感應(yīng)絲和收集絲的信噪比分別為6和10。漂移空間的電場(chǎng)強(qiáng)度為330V／cm，則相應(yīng)的電子漂移速度為1.25mm／μs。采樣時(shí)間為200ns。在一個(gè)4040cm2的平面給出一個(gè)宇宙射線的二維軌跡情況。

通過分析5GeV的π介子和μ介子通過24cmTPC，可以得到一個(gè)高能的朗道(Landau)分布。通過對(duì)漂移方向坐標(biāo)的線性擬合的誤差，得到均方根空間分辨為58μm，此時(shí)的S／N=IO。通過隔離高能6光子軌跡，可以得到有如dE／dx等信息，這樣就可以重建低能電子軌跡。這些信息都要寫到一個(gè)基于GEANT的MC程序中，它主要用于產(chǎn)生單能電子和光子。通過這些數(shù)據(jù)對(duì)能量為幾個(gè)MeV的電子和光子的能量分辨率為3％。識(shí)別在探測(cè)器內(nèi)部的帶電粒子是觀測(cè)比較它沿軌跡的dE／dx：預(yù)測(cè)區(qū)分n／u介質(zhì)在100MeV左右的dE／dx差為1％。

所有數(shù)據(jù)的取得都?xì)w功于3噸的探測(cè)器的自觸發(fā)特性。某些在屏幕絲面上感應(yīng)的信號(hào)是可見的：最快的器件用于觸發(fā)數(shù)據(jù)的獲得。慢的器件用于給出探測(cè)器內(nèi)電離事件發(fā)生的絕對(duì)位置。目前可以對(duì)能量低到1MeV粒子產(chǎn)生的電離進(jìn)行隔離觸發(fā)。例如，一個(gè)6MeV的光子在探測(cè)器內(nèi)的軌跡被單獨(dú)隔離，可在x，y方向進(jìn)行二維探測(cè)。一個(gè)大型的探測(cè)器內(nèi)部自觸發(fā)能力和電極的分段提供了一個(gè)減少數(shù)據(jù)的有效途徑，因?yàn)樗瑫r(shí)選擇了一個(gè)時(shí)間和空間窗口在一定的域值內(nèi)探測(cè)事件。

我們相信，一種創(chuàng)新的探測(cè)器現(xiàn)在可以應(yīng)用于地下物理實(shí)驗(yàn)室和加速器／對(duì)撞機(jī)了，即液氬成像竄。