ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ 2 ΕΡΓΑΣΙΑ: Αναλογικός Ανιχνευτής ολίσθησης και Σύστημα λήψης δεδομένων CAMAC Αλέξανδρος Κετικίδης ΑΕΜ:13299 28/4/14 κ.σαμψωνίδης
Περίληψη Σκοπός της άσκησης είναι η μελέτη του αναλογικού ανιχνευτή ολίσθησης φορτίου ο οποίος χρησιμοποιείται στο φασματόμετρο μιονίων του πειράματος ATLAS στο CERN. Επίσης στην ασκησή χρησιμοποιούμε το σύχρονο σύστημα λήψης δεδομένων CAMAC, με δεδομένη την προγραμματιστική υλοποίηση των βασικών εντολώνλειτουργιών του συστήματος. Η μελέτη του πειράματος ολοκληρώνεται υπολογίζοντας κάποια βασικά χαρακτηριστικά όπως είναι η σταθερά αερίου G και κάνοντας ενεργειακή βαθμολόγιση καναλιών και τέλος υπολογίζοντας της σχέση φορτίου καναλιού. Θεωρητική Εισαγωγή Συνήθως στα πειράματα φυσικής στοιχειδών σωματιδίων μελετούμε τις τελικές καταστάσεις αλληλεπιδράσεων των σωματιδίων υψηλών ενεργειών. Η ακριβής μέτρηση της ορμής των φορτισμένων σωματιδίων υλοποιείται με τη μέτρηση της εκτροπής του σωματιδίου σε μαγνητικό πεδίο του οποίου η ένταση και η διεύθυνση είναι γνωστή με καλή ακρίβεια, μετρώντας την κατεύθυνση πριν και μετά την είσοδο του σωματιδίου στο μαγνητικό πεδίο ή άμεσα με μέτρηση των συντεταγμένων κατά μήκος της τροχιάς του φορτισμένου σωματιδίου όπως αυτό ταξιδεύει μέσα στο μαγνητικό πεδίο Στο φασματόμετρο μιονίων του πειράματος ATLAS η μέτρηση των συντεταγμένων κατά μήκος της τροχιάς φορτισμένων σωματιδίων γίνεται με τη χρησιμοποίηση των ανιχνευτών αερίου γεμίσματος σωλήνων ολίσθησης (Monitored Drift Tubes, MDTs). Συνοπτικά ο σωλήνας ολίσθησης φορτίου είναι ανιχνευτής αερίου γεμίσματος, ο οποίος λειτουργεί στην αναλογική περιοχή και αποτελείται από ένα κυλινδρικό αλουμινένιο σωλήνα, εξωτερικής διαμέτρου 30mm. Στο εσωτερικό του φέρει επιχρυσωμένο σύρμα βολφραμίου W διαμέτρου 50μm. (σχήμα 1 ).Το αέριο που χρησιμοποιείται είναι το μη εύφλεκτο αέριο μίγμα Ar/CO2 με αναλογία 93/7 σε απόλυτη πίεση 3 bar. Το σύρμα ανόδου τροφοδοτείται με θετική υψηλή τάση (~3000 V) ενώ το μεταλλικό τοίχωμα του σωλήνα γειώνεται. Όταν ένα ιονιστικό σωματίδιο, π.χ. ένα μιόνιο, διασχίσει ένα σωλήνα ολίσθησης φορτίου, προκαλεί ιονισμό του αερίου του ανιχνευτή (δημιουργία πρωτογενών ζευγών ηλεκτρονίωνιόντων). Η συντεταγμένη του φορτισμένου σωματιδίου καθορίζεται με τη μέτρηση του χρόνου ολίσθησης ηλεκτρονίων ιονισμού δηλαδή του χρόνου που χρειάζεται το φορτίο ιονισμού, (τα ηλεκτρόνια που παράγονται από το φορτισμένο σωματίδιο που διαπερνά το σωλήνα) για να φτάσει στο σύρμα της ανόδου.
Σχήμα 1 : Ο σωλήνας ολίσθησης φορτίου Αποτέλεσμα της ολίσθησης των ηλεκτρονίων κοντά στην άνοδο του σωλήνα όπου το ηλεκτρικό πεδίο είναι πολύ ισχυρό είναι ο πολλαπλασιασμός του ιονισμού ο οποίος περιγράφεται από τον πρώτο συντελεστή Townsend α. Πιο συγκεκριμέναόταν πραγματοποιείται πολλαπλασιασμός, η αύξηση του αριθμού των ηλεκτρονίων dn σεμια απόσταση ολίσθησης ds δίνεται από τη σχέση dn = N a ds Ο συντελεστής α εξαρτάται ισχυρά από το είδος του αερίου που χρησιμοποιείται, την πυκνότητα του αερίου ρ καθώς και από το ηλεκτρικό πεδίο. Αν Ν0 και Ν είναι ο αρχικός και τελικός αριθμός των ηλεκτρονίων αντίστοιχα, ο λόγος N/Ν0 ονομάζεται ενίσχυση του αερίου (gas gain) G ή παράγοντας ενίσχυσης και αποτελεί χαρακτηριστικό του αναλογικού ανιχνευτή. Για να βρούμε το λόγο G (ή και λόγος του φορτίου που εναποτίθεται στο σύρμα προς το αρχικό φορτίο που παράγεται από το ιονιστικό σωμάτιο), πρέπει να πάρουμε υπόψη μας ότι από το φορτίο που φτάνει στην άνοδο ο προενισχυτής βλέπει μόνο ένα μέρος (f 0,07) που εξαρτάται από διάφορους παράγοντες. Έτσι οι τύποι που θα μας χρησιμεύσουν είναι όπως μας δόθηκε στην αίθουσα για το φορτίο : (1) με την βοήθεια της εισόδου TEST του προενισχυτή στέλνουμε σήμα απο την γεννήτρια και όχι από τον σωλήνα οπότε το φορτίο που ψηφιοποιεί το ADC είναι q = Vp Ccal (2). Από 1,2 παίρνουμε για τον παράγοντα ενίσχυσης G: (3) Όπου Vp το ύψος του παλμού της γεννήτριας και Ccal η χωρητικότητα στην είσοδο TEST η οποία είναι 1pF, (V σε Volt, C σε pf, E σε kev). Η σταθερά G πρέπει να προκύπτει περίπου G 10.000
Πειραματικό Μέρος Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα φαίνεται συνοπτικά στο σχήμα 2: Σχήμα 2 : Πειραματική διάταξη Σημαντικό είναι να προσδιορίσουμε την λειτουργία του συστήματος CAMAC : To ADC Ψηφιοποιεί αρνητικούς αναλογικούς παλμούς ύψους μέχρι 1 V. Διαθέτει μια είσοδο Gate και 12 αναλογικές εισόδους. Στην είσοδο Gate εφαρμόζεται αρνητικός τετραγωνικός παλμός ο οποίος καθορίζει τη χρονική στιγμή και τη διάρκεια της ψηφιοποίησης. H ψηφιοποίηση γίνεται όταν το κατά τη διάρκεια του παλμού Gate φτάνει σε μια αναλογική είσοδο ένας αναλογικός παλμός. Οι δύο παλμοί πρέπει να είναι ταυτόχρονοι. Για αυτό και στο πείραμα εφαρμόζουμε καθυστέρηση φάσης. Επίσης η μονάδα FANinFANout λειτουργεί δύο εξόδους μια που χρησιμοποιείται ως αναλογικό σήμα στην ψηφιοποίηση και η άλλη οδηγείται στον discriminator. Η έξοδος του discriminator χρησιμοποιείται σαν Gate στο ADC. Το σήμα από τον ενισχυτή διπλασιάζεται στη μονάδα FANinFANout. Σχήμα 3 : CAMAC και ΝΙΜ Crate
Πειραματική διαδικασία και Επεξεργασία Αρχικά κάναμε μια σύντομη αναγνώριση του συστήματος και αφού έγιναν οι απαραίτητες συνδεσμολογίες βάλαμε υψηλή τάση HV = 2900 V και χρησιμοποιώντας πηγή Am-Mo (17.4 kev) την οποία τοποθετήσαμε σε ειδική υποδοχή πάνω σε σωλήνα ολίσθησης παρατηρήσαμε το σήμα στον παλμογράφο. Στη συνέχεια με την βοήθεια του διευκρινιστή χωρίσαμε το σήμα σε αναλογικό (από σωλήνα) και σε λογικό ( από διευκρινιστή) δίνοντας μεγάλη προσοχή στον να επικαλύπτονται χρονικά οι δύο παλμοί ( κυρίαρχα ο τετραγωνικός να εμπεριέχει τον τριγωνικό). Μετά από μερικές δοκιμές βρήκαμε ότι για να συμβεί αυτό πρέπει να έχουμε καθυστέρηση του αναλογικού κατά 43 ns. Έπειτα επαναλαμβάνουμε την διαδικασία για να πάρουμε τα φάσματα από Mo, Ag και Rb ώστε να κάνουμε ενεργειακή βαθμολόγηση του ADC. Τα επόμενα σχήματα παρουσιάζουν τα Counts ανά Channel σε κατανομή Gauss: Σχήμα 4 : Gauss για μόλυβδο
Σχήμα 5 : Gauss για Άργο Σχήμα 6 : Gauss για Ρουβίδιο Στη συνέχεια παίρνουμε τις κορυφές σύμφωνα με την κατανομή, δηλαδή τα κανάλια στα οποία συγκεντρώνονται οι περισσότεροι παλμοί, προκειμένου να κάνουμε ενεργειακή βαθμολόγηση :
Σχήμα 7 : Ευθεία ελαχίστων τετραγώνων (ενεργεία συνάρτηση καναλιού) Βλέπουμε λοιπόν ότι προκύπτει μια ευθεία της μορφής y=αx+β, η οποία είναι η: Επόμενο βήμα είναι να υπολογίσουμε τον παράγοντα ενίσχυσης G από την σχέση (3). Για να το κάνουμε αυτό δίνουμε παλμούς από την γεννήτρια χρησιμοποιώντας πηγή Μο (17.4 kev), στην είσοδο ΤΕSΤ του προενισχυτή. Έτσι έχουμε μόνο έναν άγνωστο στην σχέση 3, εφόσον τα υπόλοιπα είναι γνωστά και παίρνουμε παλμό ύψους 80mV. Έτσι υπολογίζουμε το G 10509. Για να κάνουμε και βαθμολόγηση του συστήματος ADC ως προς το φορτίο πρέπει να βρούμε την σχέση της τάσης παλμού με το κανάλι και να αντικαταστήσουμε στον τύπο 2. Χρησιμοποιούμε πάλι την είσοδο TEST του προενισχυτή και να στείλουμε τους παλμούς από την γεννήτρια και όχι από τον σωλήνα, (όπως είδαμε και την θεωρία για υπολογισμό του G). Έτσι, για τα διάφορα ύψη πήραμε τις παρακάτω κατανομές : σχήματα 8-11 Από τις κατανομές παίρνουμε ξανά τα μέγιστα, και όπως φαίνεται στο σχήμα 12 η ευθεία ελαχίστων τετραγώνων είναι : και με την σχέση 2 : q = Vp Ccal έχουμε :
Σχήμα 8: Τάση 28,5 mv Σχήμα 9: Τάση 50 mv
Σχήμα 10: Τάση 80 mv Σχήμα 11: Τάση 120 mv
Σχήμα 12 : Ευθεία ελαχίστων τετραγώνων (τάση συνάρτηση καναλιού) Συμπεράσματα Στην εργασία αυτή μελετήσαμε τον αναλογικό ανιχνευτή ολίσθησης φορτίου καθώς και το σύστημα CAMAC και βγάλαμε τις σχέσεις εξάρτησης φορτίου-καναλιού και ενέργειας καναλιού. Οι ευκρίνεια που βλέπαμε καθώς και τα ύψη των παλμών που συντέλεσαν και σε καλές μετρήσεις μπορεί να είχαν ως αιτία την έλλειψη θορύβου (λόγω ημερομηνίας). Δεκτό αποτέλεσμα πήραμε και στον υπολογισμό παράγοντα ενίσχυσης αφού βγήκε κοντά στα 10.000 που μας δόθηκε ως τιμής ομαλής λειτουργίας.