Pomiar promieniowania kosmicznego przy użyciu komory dryfowej

Ćwiczenie wykonywane jest przez studentów w ramach specjalistycznej pracowni jądrowej. Na zestaw ćwiczeniowy składają się elementy, które występują we współczesnych eksperymentach wysokich energii: detektor promieniowania jonizującego (komora dryfowa), system gazowy, układ trygera i część analogowa elektroniki oparta na systemie CAMAC, system akwizycji danych pracujący w standardzie VME oraz komputer, na którym zainstalowane jest oprogramowanie akwizycyjne oraz oprogramowanie do analizy danych. W obecnym układzie ćwiczenia studenci stykają się z miniaturowym eksperymentem i oprócz wykonania samego pomiaru i analizy danych mają możliwość udoskonalania procesu zbierania, analizy oraz wizualizacji uzyskanych wyników poprzez rozwijanie istniejącego oprogramowania. Rozwijane w ten sposób umiejętności są bardzo cenne dla przyszłych kandydatów do uczestnictwa w prawdziwych (z reguły międzynarodowych) badaniach eksperymentalnych. 

Opis ćwiczeń

Elektronika "front-end" i akwizycja danych:

Ideowy schemat analogowej części ćwiczenia przedstawiony jest na załączonym rysunku: exp_setup . Głównym elementem ćwiczenia jest komora dryfowa zbudowana jako prototyp detektora T3 dla eksperymentu BRAHMS .    

Opis konstrukcji komory podany jest w [5]. W obecnym układzie ćwiczenia informacja czytana jest z trzech płaszczyzn detekcyjnych komory oznaczonych symbolami Y1, Y2, Y3. Dostępnych jest 15-ście kanałów elektroniki, dla każdej z wymienionych płaszczyzn informacja czytana jest z 5-ciu drutów anodowych (sygnałowych). Umożliwia to pomiar i rekonstrukcję dwu-wymiarowych torów w płaszczyźnie y-z (porównaj rysunek Fig5 ). Ujemne sygnały pojawiające się na wyjściu komory podawane są na ośmio kanałowy układ ASD-8B, który pełni rolę wzmacniacza, dyskryminatora oraz urządzania kształtującego impuls. Dyferencyjne, ukształtowane impulsy podawane są następnie na standardowe układy ECL, z których wyjście połączone jest pośrednio (poprzez konwerter ECL-NIM) do modułu konwertera TDC (Time to Digital Converter). Dokładny opis zastosowanej elektroniki "front-end" opisany jest w [5]. Szesnasto kanałowy moduł TDC (mod. V1290N) firmy CEAN [7] zainstalowany jest w kracie firmy WIENER pracującej w standardzie VME. Komunikacja pomiędzy kartą VME a komputerem odbywa się poprzez interfejs VME (mod. V1718) przy użyciu protokołu USB 2.0. Kody źródłowe oprogramowania do omawianego ćwiczenia administrowane są przy pomocy aplikacjiCVS (Concurrent Version System) . W obecnej chwili oprogramowanie składa się z części służącej do akwizycji danych oraz do analizy danych. Oba pakiety wykorzystują biblioteki pakietu root rozwijanego na potrzeby fizyki wysokich energii w ośrodku CERN.

Układ trygera bazuje na dwóch detektorach scyntylacyjnych umieszczonych pod i nad komorą dryfową. Pojawienie się dwóch równoczesnych impulsów w obu scyntylatorach odpowiada zdarzeniu przejścia wysokoenergetycznej cząstki (najczęściej mionu) przez obszar aktywny scyntylatorów. Układ scyntylatorów definiuje również akceptancję układu czyli zakres kątowy i przestrzenny obserwowanego promieniowania. Ujemne sygnały z fotopowielaczy są wzmacniane, dyskryminowane a następnie podawane na układ koincydencyjny. Po wyjściu z układu koincydencyjnego sygnał konwertowany jest do standardu ECL i podawany na 8-śmio kanałowy konwerter ECL-NIM.

System gazowy:

W detektorach gazowych często stosuje się mieszaniny gazu szlachetnego oraz gazu organicznego. Gazy organiczne i szlachetne posiadają uzupełniające się korzystne własności związane z procesami transportu, powielania elektronów i "starzenia się" detektorów [1,3]. W przypadku omawianego ćwiczenia gazem szlachetnym jest argon zaś organicznym izobutan. Okazuje się, że bardzo dobre własności mieszaniny osiąga się po dodaniu do niej niewielkiej (ok. 1-2%) ilości alkoholu etylowego ("magic" mixture: patrz [1]).

Więcej informacji o wymogach stawianych mieszankom gazowym oraz o możliwych procesach zachodzących w gazach można znaleźć w podanej literaturze [1,2,3,5].

W ćwiczeniu system gazowy oparty jest na dwóch przepływomierzach firmy Brooks Instruments G. V. model no. 5850S. Przepływomierze odbierają gaz z buli (po redukcji ciśnienia do ok 1bar) - dla argonu maksymalny przepływ to 1000 cm3/min zaś dla izobutanu (C4H10) 200 cm3/min. Wyjścia z przepływomierzy połączone są za pomocą trójnika do jednego przewodu, który doprowadza mieszaninę argon-izobutan do umieszczonego w lodówce szklanego naczynia z alkoholem etylowym. Na wyjściu uzyskujemy mieszankę trójskładnikową, która doprowadzana jest do komory dryfowej. Z komory gaz wyprowadzany jest na zewnątrz pomieszczenia poprzez "bubbler", który zapobiega dostawaniu się powietrza do komory. Instrukcja obsługi systemu gazowego dostępna jest u prowadzącego ćwiczenie. Ciśnienie pary nasyconej alkoholu etylowego w zależności od temperatury przedstawia załączona tabela pdf , html .

Plan ćwiczeń

Uruchomienie detektora

Gaz

Sprawdzić połączenia systemu gazowego. Jeżeli połączenia są zgodne ze schematem można uruchomić przepływ argonu. "Plukanie" samym argonem ma na celu obniżenie stężenia tlenu w komorze. Zależność stężenia tlenu (w stosunku do stężenia początkowego) w funkcji czasu, przy prędkości płukania = 500 cm3/min przedstawia następujący rysunek: gif . Widzimy, że po ok. 150 min zawartość tlenu to zaledwie 1% początkowej zawartości. Podczas płukania detektora można wykonać test wysokiego napięcia: podać +500V na anody oraz -500V na katody i pole. Jeżeli po ustabilizowaniu się prądu (w czasie zwiększania napięcia "rampowania" prąd jest duży (~100microA) gdyż ładowane są kondensatory sprzęgające wyjście sygnałowe z komory z potencjałem drutów anodowych) jego wartość nie przekracza 100 nA, oznacza to, że komora zachowuje się prawidłowo ("trzyma" napięcie). Po ok. 2-3 godzinach płukania możemy ustawić przepływ mieszanki argon - izobutan. Standardowo stosujemy mieszankę o stężeniu 30% izobutanu + 70% argonu. Załączony rysunekprzedstawia zależność ustawień napięcia na przepływomierzach w zależności od zadanego całkowitego przepływu (dla stężenia 30(Izo)/70(Ar)). Należy pamiętać, że mieszanka (w zależności od szybkości przepływu) ustabilizuje się po kilku godzinach. (patrz poniżej rysunek gif ).

Wysokie Napięcie

Zasilanie Elektroniki "front-end"                                                                   

 

 

Literatura

[1] G. Charpak and F. Sauli, Nucl. Inst. and Meth. 162 (1979) 405-428,

F. Sauli, CERN 77-09 (1977) pdf .

[2] M. Bedjidian, et al., Nucl. Inst. and Meth. A 257 (1987) 132-138,

[3] R. Bouclier, at al., Nucl. Inst. and Meth. A 381 (1996) 289-319 pdf .

[4] Drift chamber NIM paper for BRAHMS experiment pdf - in preparation.

[5] "BRAHMS experiment drift chambers at the RHIC facility" pdf - proszę przestudiować rozdział IV pt. "DRIFT CHAMBER PERFORMANCE". Rysunki do których odwołujemy się w tym rozdziale są umieszczone poniżej (patrz "RYSUNKI DO ROZDZIAŁU IV").

[6] BRAHMS analysis note, "T3 cosmic ray test run (April 2001)" pdf , ps .

[7] Instrukcja (manual) do używanego w ćwiczeniu modułu TDC V1290 A/N firmy CAEN pdf .

RYSUNKI DO ROZDZIAŁU IV (w formacie ps):

Fig4 , Fig5 , Fig6 , Fig7 , Fig8 , Fig9 , Fig10 , Fig11 , Fig12 , Fig13 .

[8] M. Hoch,"Trends and new developments in gaseous detectors", Nucl. Instr. and Meth. A 535 (2004) 1, pdf .