許金艷，陽黎升，李奇特，葉沿林，韓家興，白世偉，高 見

(北京大學(xué) 物理學(xué)院 核物理與核技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871)

在過去幾十年里，核物理和粒子物理相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)中，氣體探測(cè)器被廣泛用于探測(cè)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的各種粒子。這些氣體探測(cè)器中較典型的類型有多絲正比室[1-3]、阻性板氣體室[4-6]以及漂移室[7]。20世紀(jì)70年代，尼爾森發(fā)明了一種具有出色成像能力的新型氣體漂移室——時(shí)間投影室(time projection chamber, TPC)[8]。TPC的優(yōu)點(diǎn)在于它具有很好的位置分辨和很高的探測(cè)效率以及接近4π的立體角覆蓋范圍。因?yàn)門PC的上述優(yōu)點(diǎn)，它很快被廣泛應(yīng)用于高能核物理實(shí)驗(yàn)的探測(cè)中[9-12]，在低能核物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域也有著不少的應(yīng)用[13-15]。近年來，隨著放射性核束技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，各種束流裝置能提供越來越豐富的放射性核素束流，這為核物理研究打開了更廣闊的領(lǐng)域。核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)也成為了這個(gè)領(lǐng)域更廣泛使用的工具，如共振散射、轉(zhuǎn)移反應(yīng)、庫侖激發(fā)和破碎反應(yīng)等[16-18]。放射性核束較穩(wěn)定核束的流強(qiáng)弱得多，要得到同樣的反應(yīng)事件數(shù)需增加靶的厚度，但增大靶厚會(huì)對(duì)反應(yīng)后粒子出射角度和能量產(chǎn)生干擾，尤其會(huì)降低靶外部探測(cè)器對(duì)反應(yīng)中產(chǎn)生的低能粒子的探測(cè)效率并增大反應(yīng)粒子位置不確定度。

活性靶時(shí)間投影室(AT-TPC)將工作氣體介質(zhì)作為靶材料使用，反應(yīng)點(diǎn)位于TPC內(nèi)部，TPC可探測(cè)到入射束流和出射反應(yīng)產(chǎn)物的徑跡。這種設(shè)計(jì)可大幅提高反應(yīng)產(chǎn)生的低能粒子的探測(cè)效率和位置、能量分辨[19-20]。本文設(shè)計(jì)研發(fā)一種小型AT-TPC，用于不穩(wěn)定核集團(tuán)結(jié)構(gòu)研究中低能出射粒子的測(cè)量[18]，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。

1 探測(cè)器設(shè)計(jì)和搭建

1.1 探測(cè)器結(jié)構(gòu)和氣體電子倍增器(GEM)膜讀出

TPC本質(zhì)上是1個(gè)氣體探測(cè)器。當(dāng)帶電粒子穿過探測(cè)器的氣體腔室時(shí)，沿粒子路徑的氣體分子將被電離。電離產(chǎn)生的電子在外加均勻電場(chǎng)(將外加電場(chǎng)方向定義為三維直角坐標(biāo)系的z方向)作用下將沿z軸方向向陽極漂移，漂移時(shí)間由電子產(chǎn)生的位置與電極之間的距離決定。另一方面，電子漂移到達(dá)的陽極設(shè)計(jì)為二維平面讀出(該平面與外加電場(chǎng)方向垂直，定義為三維直角坐標(biāo)系的x-y平面)。根據(jù)漂移電子到達(dá)時(shí)二維讀出板感應(yīng)信號(hào)的位置可定位電子在x-y平面上的位置，從而確定帶電粒子徑跡在x-y平面上的投影。因此，TPC可作為帶電粒子的三維成像系統(tǒng)探測(cè)帶電粒子徑跡。TPC的性能依賴于氣體腔室中外加電場(chǎng)的均勻性、氣體增益的穩(wěn)定性、信號(hào)放大和讀出技術(shù)等。

圖1 AT-TPC裝置示意圖Fig.1 Schematic view of AT-TPC

本文設(shè)計(jì)的AT-TPC是一簡(jiǎn)化的二維成像系統(tǒng)。該探測(cè)器由氣體腔室、場(chǎng)籠和1套端蓋及相關(guān)電子學(xué)讀出構(gòu)成，裝置示意圖如圖1所示。場(chǎng)籠安裝在頂部的陰極平行板和底部的讀出板之間，場(chǎng)籠體積為14 cm×14 cm×14 cm，場(chǎng)籠四周由4塊相同的印刷電路板(PCB)組成，每塊電路板內(nèi)表面有14根平行銅條，條寬7 mm，間距3 mm，構(gòu)成的漂移區(qū)長(zhǎng)度為14 cm?；贕EM的TPC是1種具有良好位置分辨和快時(shí)間響應(yīng)的新型粒子徑跡探測(cè)器。底部的放大級(jí)使用2層厚GEM[21]，其靈敏面積為10 cm×10 cm，GEM膜厚200 μm。從2層厚GEM膜放大出來的電子在讀出電路板上產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，讀出條長(zhǎng)度為100 mm、寬度為1 mm、間隔為0.562 mm，共64條。通過圖2所示的電路給場(chǎng)籠和GEM膜加高壓。本文所有測(cè)試中場(chǎng)籠電壓設(shè)置為-2 700 V，GEM膜電壓設(shè)置為-880 V。漂移電場(chǎng)電勢(shì)通過電路中一系列電阻實(shí)現(xiàn)均勻下降。兩片GEM膜之間以及下層GEM膜和底部讀出板之間間距均為3 mm。在場(chǎng)籠底部和上層GEM膜之間放置1圈由15 mm寬的銅條構(gòu)成的場(chǎng)籠偏壓環(huán)用于修正漂移電場(chǎng)。

圖2 場(chǎng)籠和GEM膜高壓電路Fig.2 High voltage circuit for field cage and GEM foil

為對(duì)TPC性能進(jìn)行定量分析，定義這樣1個(gè)坐標(biāo)系：z軸沿漂移電場(chǎng)中電場(chǎng)方向，坐標(biāo)零點(diǎn)位于最上層GEM膜表面，x軸平行于GEM膜平面且垂直于一維讀出條(圖2)。

1.2 工作氣體

TPC的工作氣體通常需具備介電常數(shù)低、擴(kuò)散系數(shù)小以及電子漂移速度較快等特性。具備這些特性的Ar、CH4、CO2或CF4等氣體及它們的混合物被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試中。不過對(duì)于AT-TPC，工作氣體同時(shí)要作為靶材料，這樣氣體的選擇就受更多限制。設(shè)計(jì)中，因?yàn)槲锢砟繕?biāo)定位在探測(cè)不穩(wěn)定集團(tuán)結(jié)構(gòu)的母核衰變產(chǎn)生的低能輕粒子碎片(如能量幾MeV的α粒子)，所以He氣作為氣體的主要成分是理想選擇。實(shí)驗(yàn)中采用96%He+4%CO2混合氣體，從文獻(xiàn)[22]和實(shí)驗(yàn)測(cè)試均發(fā)現(xiàn)，少量CO2的加入有利于穩(wěn)定工作氣體的增益。

1.3 場(chǎng)籠

場(chǎng)籠的主體框架為一邊長(zhǎng)14 cm的由PCB構(gòu)成的立方體。漂移電場(chǎng)由場(chǎng)籠頂部的平行電極板和固定于四周的分壓電勢(shì)條共同形成(圖1)。實(shí)際電場(chǎng)分布通常會(huì)在場(chǎng)籠邊緣附近發(fā)生扭曲。漂移電場(chǎng)的這種變形會(huì)使TPC的時(shí)間和位置分辨變差。為改善漂移電場(chǎng)的均勻性，采用Garfield程序模擬了場(chǎng)籠內(nèi)電場(chǎng)分布。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用加場(chǎng)籠環(huán)[12]的方法改善場(chǎng)籠邊緣的電場(chǎng)分布。場(chǎng)籠環(huán)固定在上層GEM膜上方3 mm處(圖2)。場(chǎng)籠環(huán)引出1個(gè)電壓接口單獨(dú)調(diào)節(jié)。

2 測(cè)試結(jié)果和討論

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)裝置和信號(hào)處理電路如圖3所示。小型AT-TPC放置在1個(gè)封閉的靶室中，實(shí)驗(yàn)時(shí)靶室內(nèi)采用流氣式氣體循環(huán)，96%He+4%CO2混合氣體氣壓為8×105Pa。在場(chǎng)籠外部一側(cè)z=70 mm處放置α粒子放射源241Am(α粒子能量為5.49 MeV)，通過1個(gè)直徑4 mm的孔射入場(chǎng)籠。場(chǎng)籠外正對(duì)著放射源的另一側(cè)，放置1個(gè)多絲正比室，用于探測(cè)α粒子和觸發(fā)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。為對(duì)TPC探測(cè)器進(jìn)行電子漂移速度刻度，在放射源對(duì)面?zhèn)萈CB場(chǎng)籠板上z=70 mm處打出1個(gè)直徑4 mm的中心孔，然后以此為中心，在z=50、60、80、90 mm處打出4個(gè)直徑為2 mm的刻度孔。這樣只有α粒子穿過這幾個(gè)孔的徑跡可被觸發(fā)記錄下來。來自這幾個(gè)孔的粒子的位置差和時(shí)間差，即可用于測(cè)量漂移速度。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置和電子學(xué)示意圖Fig.3 Diagram of experimental setup and signal processing circuit

64路讀出條得到的信號(hào)由排線引出靶室，接入北京大學(xué)亞原子粒子探測(cè)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的電荷靈敏型前置放大器。該前置放大器已多次成功用于核物理實(shí)驗(yàn)中[23-24]。前放信號(hào)經(jīng)過MSCF-16主放后的時(shí)間和能量信號(hào)分別輸出到CAEN V1190和CAEN V785中記錄。

2.2 α粒子徑跡測(cè)試

圖4 場(chǎng)籠環(huán)加不同高壓時(shí)單個(gè)α粒子x-z平面徑跡和每根讀出條ADC收集的電荷信號(hào)幅度Fig.4 Measured tracks of α particles in x-z plane and quantity of electric charge (ADC value) collected by readout strip with different voltages applied to guard ring

α粒子穿過TPC的場(chǎng)籠產(chǎn)生的徑跡，在z軸方向的位置，是由電子從產(chǎn)生的位置向下漂移至GEM放大后在讀出條產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)之間的時(shí)間決定的。起始時(shí)間由觸發(fā)的多絲計(jì)數(shù)器給出。時(shí)間和位置對(duì)應(yīng)關(guān)系的刻度通過測(cè)量α粒子穿過場(chǎng)籠與放射源正對(duì)的側(cè)壁上的一系列等間距孔(平行于z軸)的徑跡實(shí)現(xiàn)。圖4a示出了其中1條α粒子徑跡，從圖4a可看出，當(dāng)場(chǎng)籠環(huán)偏壓為0時(shí)，α粒子徑跡兩端出現(xiàn)彎曲，原因是場(chǎng)籠漂移電場(chǎng)在靠近邊緣區(qū)域出現(xiàn)扭曲；當(dāng)場(chǎng)籠環(huán)偏壓為-950 V時(shí)，從實(shí)驗(yàn)測(cè)得的α粒子徑跡可明顯看到徑跡邊緣彎曲的狀況得到了明顯改善。圖4b示出了當(dāng)α粒子穿過場(chǎng)籠時(shí)讀出條收集到的電荷信號(hào)(模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的值)。從圖中也能看出場(chǎng)籠環(huán)對(duì)電場(chǎng)均勻性有明顯的改善作用。在這個(gè)電壓設(shè)置下，可觀察到5條接近直線的α粒子的徑跡包絡(luò)(圖5)，分別對(duì)應(yīng)PCB場(chǎng)籠上5個(gè)刻度孔。通過刻度孔和對(duì)面入射孔幾何中心連線的位置以及每根條上實(shí)際測(cè)量的時(shí)間譜得到漂移時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而可求出這個(gè)電壓下電子沿z軸的漂移速度為830 m/s。

圖5 場(chǎng)籠環(huán)電壓為-950 V時(shí)α粒子穿過場(chǎng)籠徑跡Fig.5 Measured track of α particles with voltage applied to guard ring of -950 V

2.3 小型AT-TPC探測(cè)系統(tǒng)性能

圖6 64根讀出條z軸方向位置分辨Fig.6 Position resolution along z axis for 64 strips

通過測(cè)量α粒子穿過場(chǎng)籠得到的徑跡數(shù)據(jù)，采用殘差法[25]對(duì)64根讀出條逐條分析其沿z軸漂移方向的位置分辨。圖6所示為對(duì)64根條的殘差分布分別作高斯擬合后各自對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σz。從圖6可看出，σz在0.06～0.17 mm之間變化。該結(jié)果顯示了該探測(cè)系統(tǒng)z軸方向很好的位置分辨能力。通過前面所述的時(shí)間-位置刻度關(guān)系可算出此系統(tǒng)對(duì)α粒子時(shí)間分辨在7～20 ns之間，不同讀出條分辨能力略有差別。當(dāng)然，這個(gè)時(shí)間分辨應(yīng)包含了整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量誤差，如電子漂移時(shí)間漲落、GEM膜引起的時(shí)間誤差和前放及電子學(xué)的噪聲等。

x軸方向的位置不確定性主要由讀出條的寬度決定，根據(jù)文獻(xiàn)[26-27]公式，σx=1.56 mm/121/2=0.45 mm，本文的1.56 mm是64根一維讀出條的空間排列周期間隔。

在上述α粒子徑跡中，對(duì)每個(gè)徑跡，將64根條得到的位置徑跡分成前、后兩部分，即前32路(0 mm≤x<50 mm)和后32路(50 mm≤x<100 mm)。對(duì)這兩部分分別進(jìn)行直線擬合得到傾角θ1和θ2，它們的差值Δθ=θ1-θ2的分布如圖7所示，其誤差為0.6°。由此可看出該AT-TPC具有很好的角度分辨。

圖7 前、后兩段徑跡擬合角度后得到的角度差值分布Fig.7 Distribution of difference in track angle between upstream and downstream regions

圖8 單個(gè)α粒子在He氣中彈性散射的事件成像Fig.8 Example of α+α elastic scattering

通過這套搭建完成的AT-TPC探測(cè)系統(tǒng)，成功觀察到了α粒子在He氣中的彈性散射事件成像。圖8所示為其中1個(gè)事件的徑跡，圖中藍(lán)點(diǎn)表示α粒子從左邊入射AT-TPC的徑跡，在x=17 mm處與工作氣體中的He發(fā)生散射，黑點(diǎn)和紅點(diǎn)對(duì)應(yīng)發(fā)生彈性散射后兩個(gè)出射He粒子的徑跡。

3 結(jié)論和展望

本文設(shè)計(jì)完成了小型AT-TPC。通過在第1層GEM膜上引入場(chǎng)籠環(huán)并調(diào)節(jié)到合適的電壓，明顯改善了漂移電場(chǎng)靠近場(chǎng)籠邊緣區(qū)域的扭曲問題，從而提高了整套探測(cè)系統(tǒng)的性能并擴(kuò)大了可用區(qū)域。AT-TPC的時(shí)間分辨小于20 ns，z軸方向位置分辨小于0.2 mm。x軸方向位置不確定度由讀出條排列的周期間隔決定，在本實(shí)驗(yàn)中結(jié)果為0.45 mm。通過對(duì)x-z平面α粒子徑跡分析，得到探測(cè)系統(tǒng)的角度分辨為0.6°。得益于這套系統(tǒng)良好的性能參數(shù)，α+α粒子彈性散射事件的成像能被清晰地觀察到。測(cè)試結(jié)果表明，這套AT-TPC場(chǎng)籠和電子學(xué)的性能參數(shù)能滿足對(duì)集團(tuán)結(jié)構(gòu)研究中產(chǎn)生的低能粒子的測(cè)量要求。

本文主要介紹AT-TPC對(duì)低能粒子徑跡的二維成像。若將目前的一維讀出條設(shè)計(jì)改造成二維讀出塊或二維讀出條的設(shè)計(jì)，即能實(shí)現(xiàn)對(duì)低能粒子徑跡的三維成像。目前高集成度的數(shù)字化波形獲取系統(tǒng)如XIA獲取系統(tǒng)或AGET獲取系統(tǒng)正在發(fā)展，后期將高集成度的獲取系統(tǒng)應(yīng)用到AT-TPC中，有利于得到高分辨率的三維粒子徑跡成像。