液氩探测器

刘　静　王发芽　王子华　江向东

摘要：本文通过对液氩探测器的设计，对其设计过程中所遇到的问题，谈一下个人看法。

关键词：设计；探测器；液氩

一个液氩飞行时间探测器(LAr-TPC)像电气泡室一样，能够连续地感应和触发，它可以给出3维的电离轨迹同时产生很好的能量响应，该装置是由诺贝尔奖得主鲁比亚(Rubbia)在1977年首先提出的。以后几年内的工作就是为了证明该探测器的可行性。这需要解决的关键技术问题有以下几点：

1、必须保证液氩的纯度，即要求它里面的负电分子含量在0.1ppb左右，这样才能保证电离产生的电子有足够长的射程；

2、探测器所用的材料必须绝对清洁，同时要求能够保证纯氩和外界的隔离，避免由于放气和泄漏产生的干扰；

3、丝室能够完整地读出几个毫米内的丝平面信号(为了得到三维轨迹)：这需要高精度、高可靠性的信道以及对探测器内的电场详细了解：

4、发展低噪声的前级放大器，这样可以得到较好的信噪比。1989年(ICARUS)联合提出了建造一个大型的液氩时间探测室，以上4个问题在小型探测器的试验中都得到了解决。当时他们所面临的问题以及相关的解决途经已经很清楚了，即简化和选择技术路线。

目前一个3吨的探测器已在欧洲核子研究中心(CERN)稳定工作了几个月。从小体积到大体积的探测器主要有以下几个方面的改进：

(1)对和纯氩接触的材料进行特别的工业清洁：

(2)利用再流通系统，不断地净化泄漏气体并使之液化到探测器内。这样就避免了由于在探测器高温区域的内部材料放气而产生的干扰：

(3)信号的馈通是通过印刷电路板，将每个电极焊在上面。

一、主体外形

对于这台3吨重的大型探测器的外形，我们在此主要介绍以下几个方面。

(一)它是由两个独立的，相互呈镜像对称的半圆柱部分构成。

(二)每部分都被一个丝室覆盖，该丝室由3层平行丝面构成，每层的面积为2.4xO.9m²。漂移电子会连续地通过如下丝面：1一个对电子透明的屏幕；2一个丝面，这里电子可以给出一个感应信号(这个面对电子也是透明的)；3一个丝面，该丝面的丝和前丝面上的丝相互垂直，它用于收集电荷。丝间距为2mm，同时丝面间距也为2mm。最长的漂移距离为42cm。该丝室由3600根长为2.4m的垂直丝(不锈钢，直径100μm)和4800根长为0.9m的平行丝构成。探测器内部的信号电缆为低电容(40pf／m)的长为3.5m的Kapton扁平电缆。2100个信号通道均布在杜瓦瓶顶部的8个法兰上。低噪声前级放大器安装在信号通道法兰上的冷室中。

(三)在探测器内部的电子寿命可通过测量光照电子云衰减而连续监测，该电子云是通过紫外激光脉冲照射金属阴极并使激光在小的漂移间隙移动。电子寿命在注入期间稳定增长且达到高于5ms的稳定值(相对衰减长度超过10mm)。这个结果主要归功于以上介绍的再流通系统。

(四)该探测器也具有重要的特征，也就是可以自触发。这个现象在迅速提高电流信号时被发现。

一个显示该探测器特点的事件：一个210MeV的宇宙u介子的俘获伴随电子的衰减。由此以及许多我们观测的事件表明，LAr-TPc探测器是一个高空间分辨率(222mm3／单元)、低电子学噪声(约为25KEY)的电磁量能计。实际上该探测器也可以测量沿轨迹的单位距离能损(dE／dx)，以及衰减轨迹附近的电离。电子的总能量约为21MeV。

二、探测器的响应

已经收集了大量的试验数据，这包括在小型LAr-TPC对电子束以及3吨的大型探测器对宇宙射线和6MeV单能光子的探测响应，整个测量的能量范围从几个MeV到几个GeV。u介子通过漂移空间产生3MeV的6光子。这个事件可在两个直角坐标系内表示：感应平面(非破坏性读出)以及收集平面(破坏性读出)，两个平面的感应丝相互垂直。这两个坐标系的时间轴是相同的。由上面的数据以及沿轨迹上的能量损失就可以实现3维的重建。对感应丝和收集丝的信噪比分别为6和10。漂移空间的电场强度为330V／cm，则相应的电子漂移速度为1.25mm／μs。采样时间为200ns。在一个4040cm2的平面给出一个宇宙射线的二维轨迹情况。

通过分析5GeV的π介子和μ介子通过24cmTPC，可以得到一个高能的朗道(Landau)分布。通过对漂移方向坐标的线性拟合的误差，得到均方根空间分辨为58μm，此时的S／N=IO。通过隔离高能6光子轨迹，可以得到有如dE／dx等信息，这样就可以重建低能电子轨迹。这些信息都要写到一个基于GEANT的MC程序中，它主要用于产生单能电子和光子。通过这些数据对能量为几个MeV的电子和光子的能量分辨率为3％。识别在探测器内部的带电粒子是观测比较它沿轨迹的dE／dx：预测区分n／u介质在100MeV左右的dE／dx差为1％。

所有数据的取得都归功于3吨的探测器的自触发特性。某些在屏幕丝面上感应的信号是可见的：最快的器件用于触发数据的获得。慢的器件用于给出探测器内电离事件发生的绝对位置。目前可以对能量低到1MeV粒子产生的电离进行隔离触发。例如，一个6MeV的光子在探测器内的轨迹被单独隔离，可在x，y方向进行二维探测。一个大型的探测器内部自触发能力和电极的分段提供了一个减少数据的有效途径，因为它同时选择了一个时间和空间窗口在一定的域值内探测事件。

我们相信，一种创新的探测器现在可以应用于地下物理实验室和加速器／对撞机了，即液氩成像窜。