Время-проекционная камера

Время-проекционная камера (англ. Time projection chamber, TPC) представляет собой комбинацию дрейфовой и пропорциональной камер. Эти камеры являются наиболее универсальным инструментом в физике высоких энергий, поскольку позволяют получать трёхмерное электронное изображение трека со сравнивым пространственным разрешением по всем трём координатам. Конструкция время-проекционной камеры схематично изображена на рисунке. По существу она представляет собой комбинацию дрейфовой и пропорциональной камер. В дрейфовом объёме, заполненном газом, создается с помощью дополнительных электродов равномерное электрическое поле между двумя вертикальными плоскостями, ограничивающими объём камеры.

Двухмерная проекция продуктов столкновения ядер золота, реконструированная в установке STAR на RHIC.

Время-проекционная камера установки ALICE на LHC.

Трек релятивистской заряженной частицы, пересекающей объём камеры, состоит из цепочки ионизационных кластеров. Каждый кластер содержит электрон первичной ионизации и (в основном) от нуля до 3-4 электронов вторичной ионизации, возникающих на треках δ-электронов первичной ионизации. Количество кластеров на единицу длины невелико — оно равно числу актов первичной ионизации и, например, для аргона составляет около 30 штук на 1 см при атмосферном давлении. Таким образом, среднее расстояние между кластерами составляет около 330 мкм. Размер кластера мал по сравнению с этой величиной, поскольку δ-электроны при ионизации вещества испытывают сильное рассеяние. Таким образом, первоначально от трека в направлении электрического поля начинают дрейфовать отдельные электронные кластеры, содержащие от 1 до 5 электронов, пространственно разделённые друг от друга. Поскольку расстояние, на которое дрейфуют электроны, велико — до 2 м — диффузия электронов на таком дрейфовом промежутке приведет к перекрытию отдельных кластеров. Этого не происходит, если параллельно электрическому полю приложить достаточно сильное магнитное поле, в котором, как правило, такие камеры и работают, поскольку магнитное поле позволяет измерить импульс частицы согласно формуле

рс = 300 HR

где р — импульс частицы , ГэВ/с; с — скорость света, м/с; Н — напряженность магнитного поля, Гаусс; R — радиус кривизны траектории, м.

Приложение магнитного поля с напряженностью В = 15000 Гаусс позволяет уменьшить диффузию электронов в направлении, поперечном к направлению их дрейфа (и вектору магнитного поля) почти на два порядка.

Благодаря этому электронные кластеры, практически не перекрываясь, дрейфуют к левой стенке камеры, где расположена многопроволочная пропорциональная камера с (как правило) пэдовым катодным съёмом информации. Электронно-ионные лавины, образованные электронными кластерами, подошедшими к анодным проволочкам, создают индуцированные заряды на катодных пэдах. Таким образом измеряются координаты х, у каждого кластера в отдельности в плоскости х, у, перпендикулярной плоскости рисунка (в плоскости пэдов). Третья координата z измеряется по времени дрейфа электронного кластера от места своего образования до соответствующей анодной проволоки, с которой снимается сигнал, соответствующий окончанию дрейфа.

Координатное разрешение камер по осям х, у определяется расстоянием от анодной нити до катодной плоскости и размерами пэда. Типичное разрешение по х, у координатам составляет около 200 мкм или чуть меньше. Разрешение по координате z обычно несколько хуже и составляет около 400—500 мкм. Благодаря пропорциональному режиму регистрации лавин, вызываемых отдельными кластерами, время-проекционная камера позволяет получить не только пространственное изображение трека (в виде комбинации электронных сигналов, которые следует обработать соответствующим образом), но и измерить удельные ионизационные потери частицы dE/dx. Благодаря получению трёхмерного изображения трека время-проекционные камеры позволяют регистрировать одновременно большое количество треков, то есть события с большой множественностью рождённых частиц.

Однако, серьёзным недостатком время-проекционной камеры является её большое мёртвое время. Время дрейфа электронного кластера на расстояние 2 м составляет около 40 мкс. Если в течение времени дрейфа произойдет ещё одного событие, треки двух событий наложатся друг на друга, и разобраться в них будет невозможно. Поэтому средняя частота регистрации событий должна быть на 1-2 порядка меньше максимального времени дрейфа.

Кроме того, при больших размерах камеры число анодных проволочек может достигать значения нескольких тысяч, а число пэдов — нескольких десятков тысяч, что требует очень большого количества регистрирующей электроники и применения специальных процессоров предварительного анализа и подавления считывания каналов с нулевыми сигналами.

Ссылки

• Vincent Lepeltier, Review on TPC’s, «Journal of Physics: Conference Series», Vol. 65 , No. 1, 2007, doi:10.1088/1742-6596/65/1/012001, p. 12 (PDF; 1,1 MB (недоступная ссылка)).
• The ALICE Time Projection Chamber. Архивная копия от 27 ноября 2013 на Wayback Machine
• The time projection chamber turns 25, «CERN Courier», Vol. 44, No. 1, January 2004.