劉　靜　王發(fā)芽　王子華　江向東

摘要：本文通過對液氬探測器的設(shè)計，對其設(shè)計過程中所遇到的問題，談一下個人看法。

關(guān)鍵詞：設(shè)計；探測器；液氬

一個液氬飛行時間探測器(LAr-TPC)像電氣泡室一樣，能夠連續(xù)地感應和觸發(fā)，它可以給出3維的電離軌跡同時產(chǎn)生很好的能量響應，該裝置是由諾貝爾獎得主魯比亞(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器的可行性。這需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題有以下幾點：

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

2、探測器所用的材料必須絕對清潔，同時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毫米內(nèi)的絲平面信號(為了得到三維軌跡)：這需要高精度、高可靠性的信道以及對探測器內(nèi)的電場詳細了解：

4、發(fā)展低噪聲的前級放大器，這樣可以得到較好的信噪比。1989年(ICARUS)聯(lián)合提出了建造一個大型的液氬時間探測室，以上4個問題在小型探測器的試驗中都得到了解決。當時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，即簡化和選擇技術(shù)路線。

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

(1)對和純氬接觸的材料進行特別的工業(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器內(nèi)。這樣就避免了由于在探測器高溫區(qū)域的內(nèi)部材料放氣而產(chǎn)生的干擾：

(3)信號的饋通是通過印刷電路板，將每個電極焊在上面。

一、主體外形

對于這臺3噸重的大型探測器的外形，我們在此主要介紹以下幾個方面。

(一)它是由兩個獨立的，相互呈鏡像對稱的半圓柱部分構(gòu)成。

(二)每部分都被一個絲室覆蓋，該絲室由3層平行絲面構(gòu)成，每層的面積為2.4xO.9m²。漂移電子會連續(xù)地通過如下絲面：1一個對電子透明的屏幕；2一個絲面，這里電子可以給出一個感應信號(這個面對電子也是透明的)；3一個絲面，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，同時絲面間距也為2mm。最長的漂移距離為42cm。該絲室由3600根長為2.4m的垂直絲(不銹鋼，直徑100μm)和4800根長為0.9m的平行絲構(gòu)成。探測器內(nèi)部的信號電纜為低電容(40pf／m)的長為3.5m的Kapton扁平電纜。2100個信號通道均布在杜瓦瓶頂部的8個法蘭上。低噪聲前級放大器安裝在信號通道法蘭上的冷室中。

(三)在探測器內(nèi)部的電子壽命可通過測量光照電子云衰減而連續(xù)監(jiān)測，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。電子壽命在注入期間穩(wěn)定增長且達到高于5ms的穩(wěn)定值(相對衰減長度超過10mm)。這個結(jié)果主要歸功于以上介紹的再流通系統(tǒng)。

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

一個顯示該探測器特點的事件：一個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的事件表明，LAr-TPc探測器是一個高空間分辨率(222mm3／單元)、低電子學噪聲(約為25KEY)的電磁量能計。實際上該探測器也可以測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、探測器的響應

已經(jīng)收集了大量的試驗數(shù)據(jù)，這包括在小型LAr-TPC對電子束以及3噸的大型探測器對宇宙射線和6MeV單能光子的探測響應，整個測量的能量范圍從幾個MeV到幾個GeV。u介子通過漂移空間產(chǎn)生3MeV的6光子。這個事件可在兩個直角坐標系內(nèi)表示：感應平面(非破壞性讀出)以及收集平面(破壞性讀出)，兩個平面的感應絲相互垂直。這兩個坐標系的時間軸是相同的。由上面的數(shù)據(jù)以及沿軌跡上的能量損失就可以實現(xiàn)3維的重建。對感應絲和收集絲的信噪比分別為6和10。漂移空間的電場強度為330V／cm，則相應的電子漂移速度為1.25mm／μs。采樣時間為200ns。在一個4040cm2的平面給出一個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，可以得到一個高能的朗道(Landau)分布。通過對漂移方向坐標的線性擬合的誤差，得到均方根空間分辨為58μm，此時的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)對能量為幾個MeV的電子和光子的能量分辨率為3％。識別在探測器內(nèi)部的帶電粒子是觀測比較它沿軌跡的dE／dx：預測區(qū)分n／u介質(zhì)在100MeV左右的dE／dx差為1％。

所有數(shù)據(jù)的取得都歸功于3噸的探測器的自觸發(fā)特性。某些在屏幕絲面上感應的信號是可見的：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器內(nèi)電離事件發(fā)生的絕對位置。目前可以對能量低到1MeV粒子產(chǎn)生的電離進行隔離觸發(fā)。例如，一個6MeV的光子在探測器內(nèi)的軌跡被單獨隔離，可在x，y方向進行二維探測。一個大型的探測器內(nèi)部自觸發(fā)能力和電極的分段提供了一個減少數(shù)據(jù)的有效途徑，因為它同時選擇了一個時間和空間窗口在一定的域值內(nèi)探測事件。

我們相信，一種創(chuàng)新的探測器現(xiàn)在可以應用于地下物理實驗室和加速器／對撞機了，即液氬成像竄。