Ультрафиолетовые лазерные калибровочные системы в физике частиц высоких энергий

Современная экспериментальная физика элементарных частиц базируется на крупных установках, состоящих из большого числа трековых, координатно-чувствительных и спектрометрических детекторов различного типа, содержащих десятки и сотни тысяч каналов съема, обработки и анализа информации. В создании и эксплуатации подобных установок исключительно важную роль играют вопросы надежности, калибровки и периодического контроля функционирования как отдельных детекторов, так и всей установки в целом. При этом возникает ряд специфических задач, для решения которых затруднительно или вообще невозможно использовать радиоактивные источники, частицы космического фона или собственно пучок ускорителя. Так, в широко применяемых в настоящее время больших дрейфовых и времяпроекционных камерах с объемом ~ 10 м практически невозможно обеспечить идеальную однородность электрического и магнитного поля по всему чувствительному объему детектора. Это приводит к различной скорости дрейфа электронов в различных частях детектора и, соответственно, к искажению реальной картины взаимодействия. В действующих и планируемых в настоящее время экспериментах с большой множественностью вторичных частиц возникают также проблемы с двухчастичным разрешением и с искажениями электрического поля внутри детектора вследствии накопления объемного ионного заряда в чувствительной области [1, 2]. Это становится особенно важным на ускорителях релятивистских тяжелых ионов, где множественность может достигать ~ 2000 для Au-Au столкновений при энергиях до 200 ГэВ.

В установках, использующих стримерные и пузырьковые камеры, также существует задача координатной привязки треков частиц к мишени, возникающая вследствие неконтролируемого смещения треков частиц из-за дрейфа электронов (всплывания пузырьков) за время между моментами прохождения частицы и визуализации трека.

Поэтому в детекторах больших размеров необходимы «реперные» треки, лучшими из которых были бы треки частиц с бесконечно большим импульсом, имеющие заранее известное с высокой точностью положение.

В связи с этим с конца 70-х годов велись активные поиски способов имитации треков быстрых заряженных частиц с помощью направленного электромагнитного излучения. Подобный подход представлялся чрезвычайно привлекательным, особенно в газовых детекторах с размерами ~ (1−10) м3, помещенных в магнитное поле, поскольку узкий пучок электромагнитного излучения, ионизируя рабочее вещество детектора, имитирует заряженную частицу с бесконечно большим импульсом. Такая имитация позволяет исключить влияние рассеяния заряженной частицы в веществе детектора, не требует, за некоторыми исключениями, специальных входных окон, позволяет калибровать одновременно несколько детекторов, разнесенных на большие расстояния.

На сегодняшний день наибольшие успехи в решении задачи прецизионной калибровки больших детекторов заряженных частиц направленным электромагнитным излучением достигнуты при использовании ультрафиолетового (и, отчасти, рентгеновского) диапазонов электромагнитного излучения. Основа лазерных калибровочных систем была заложена в начале 80-х годов [3−7]. Такие системы с помощью двухфотонной ионизации компонент рабочего газа излучением импульсных ультрафиолетовых лазеров формируют в объеме детектора лазерные треки, аналогичные трекам заряженных частиц [810]. При этом, меняя мощность лазерного излучения, можно в широком диапазоне менять плотность электронов вдоль лазерного трека, то есть имитировать треки частиц с практически любой ионизирующей способностью. Положение лазерного луча в пространстве и во времени, а также его мощность существующими методами могут быть измерены с хорошей точностью, а сами лазерные треки не испытывают многократного рассеяния и нечувствительны к магнитным полям. Поэтому лазерные системы обеспечивают высокую точность пространственной, энергетической и временной калибровки детектора.

В качестве наиболее важных задач, решаемых с помощью таких систем, можно указать следующие: пространственная калибровка трековых детекторов с точностью —200 мкмизмерение двухтрекового пространственного разрешенияэнергетическая калибровка детекторов с шириной амплитудного распределения менее 0,1 ширины распределения Ландау для ионизационных потерьизмерение скорости дрейфа и коэффициентов диффузии электронов и ионовизмерение угла Лоренца;

— исследование влияния конструкции и геометрии многопроволочных детекторов больших размеров на их пространственные и энергетические характеристики.

Помимо этого лазерные системы являются прекрасным инструментом для наладки сложных детекторов в отсутствии пучка ускорителя.

Импульсные ультрафиолетовые лазеры могут быть с успехом использованы для создания электронов, вылетающих с поверхности различных материалов в результате поверхностного фотоэффекта. Этот метод был применен в спектрометре STAR, а также в методических исследованиях большой дрейфовой камеры спектрометра KLOE [11], при разработке RICH-детектора для эксперимента ГИНЕС (ИФВЭ, Протвино), в исследовании газовых процессов, происходящих в узкозазорных резистивных плоскопараллельных камерах [12], и в установке, предназначенной для исследования физико-биологических корреляций, разработанной при участии автора в рамках проекта МНТЦ № 832 «Определение мутагенной и канцерогенной опасности физико-химическим методом» и грантов Минобразования РФ по программам «Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие ее научного потенциала» (2001 г.) и «Федерально-региональная политика в науке и образовании» (2003 г.).

Целью диссертационной работы является исследование основных принципов применения ультрафиолетовых лазеров, как в физике частиц высоких энергий, так и в детекторах ионизирующих излучений, используемых в лабораторных, в частности, физико-биологических исследованиях.

В соответствии с поставленной целью определены задачи исследования:

1. Исследование и развитие основных принципов построения лазерных калибровочных систем больших газовых координатно-чувствительных детекторов элементарных частиц.

2. Разработка основных принципов контроля и управления лазерных калибровочных систем газовых координатно-чувствительных детекторов объемом -10 м3 с высокой точностью (погрешность позиционирования —200 мкм).

3. Разработка системы регистрации и обработки информации с установки, предназначенной для исследования корреляций физических и биологических (канцерогенных) характеристик химических соединений.

4. Проведение экспериментальных исследований фотоэмиссии электронов под действием излучения лазеров на молекулярном азоте (Иг-лазер).

Научная новизна.

Впервые разработана и смонтирована многолучевая лазерная система калибровки основной (Time Projection Chamber (ТРС)) и дополнительных (Forward Time Projection Chamber (FTPC)) время-проекционных камер спектрометра STAR на коллайдере релятивистских тяжелых ионов (Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)). Показано, что ее использование позволяет с высокой точностью измерять скорость дрейфа электронов в газовой смеси детектора, проводить коррекцию искажений регистрируемых треков элементарных частиц, связанных с искажениями электрического и магнитного полей в объеме детектора.

Впервые разработано уникальное оборудование для программно-аппаратного комплекса лазерной системы калибровки детектора объемом -10 м3 и теоретически обоснованы принципы его работы и управления.

Разработан программно-аппаратный комплекс для оригинальной установки на базе ионизационной камеры (ИК) с лазерной фотоионизацией катода, предназначенной для исследования корреляций между физическими и медико-биологическими характеристиками веществ, который способен значительно ускорить и удешевить детектирование потенциальной канцерогенности.

Практическая значимость.

Разработанные методики, алгоритмы и программное обеспечение лазерной калибровочной системы в настоящее время успешно функционируют в составе эксперимента STAR во время сеансов 2000;2006 гг. Они позволяют повысить достоверность восстановления треков элементарных частиц и таким образом оградить от возможных ошибок при исследованиях фундаментальных свойств материи.

Работы в области разработки физического метода детектирования канцерогенности химических веществ позволят в перспективе создать службу канцерогенной безопасности, аналогичной службам радиационной безопасности, существующей в развитых странах.

На защиту выносятся:

1. Развитие принципов построения высокоточных ультрафиолетовых лазерных калибровочных систем детекторов в физике частиц высоких энергий.

2. Принципы и методики контроля и управления лазерных калибровочных систем больших газовых координатно-чувствительных детекторов объемом ~ 10 м³ с высокой точностью (~200 мкм).

3. Методика и алгоритмы определения координат положения лазерного луча в объеме детектора с использованием корреляционно-экстремальных методов.

4. Методы регистрации и обработки информации в ионизационной камере с ультрафиолетовой фотоионизацией катода для детектирования канцерогенной опасности химических соединений.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: IX Международная конференция по проволочным камерам (Вена, Австрия, 2001) — II Всероссийская конференция «Университеты России — фундаментальные исследования. Физика элементарных частиц и атомного ядра», Москва (2001 г.) — III Всероссийская конференция «Университеты России — фундаментальные исследования. Физика элементарных частиц и атомного ядра», Москва (2002 г.) — Научная Сессия МИФИ-2003.

Личный вклад автора.

Цель и задачи исследования

реализованы автором самостоятельно. Экспериментальные исследования проведены в соавторстве. Автор принимал непосредственное участие при монтаже и настройке лазерной калибровочной системы STAR, при проведении физических экспериментов на спектрометре STAR, при разработке экспериментальной установки для исследования корреляций физиких и биологических характеристик химических соединений.

Результаты проведенных исследований изложены в 9 публикациях.

В I главе рассматриваются основные принципы построения лазерных калибровочных систем детекторов заряженных частиц на базе импульсных ультрафиолетовых лазеров.

Во II главе описана лазерная калибровочная система время-проекционной камеры спектрометра STAR. Высокоточная лазерная калибровочная система предназначена для измерения скорости дрейфа электронов в объеме детектора и определения искажений треков в детекторе, вызванных несоосностью магнитов детектора, накоплением пространственного заряда из-за высокой множественности в Au-Au столкновениях и существованием ЕхВ эффекта.

В III главе рассматриваются разработанные методы контроля и управления положением лазерных лучей в объеме детектора. Формулируются принципы контроля и управления лазерными калибровочными системами на основе корреляционно-экстремальной системы. Приводятся экспериментальные результаты, полученные на спектрометре STAR с помощью лазерной калибровочной системы.

В IV главе рассматривается применение ультрафиолетовых лазеров для исследования корреляций канцерогенной опасности веществ, определенной в медико-биологических экспериментах, с константой захвата свободных электронов. Описана разработанная система регистрации и обработки информации в установке на базе плоскопараллельной ионизационной камеры с лазерной ионизацией катода.

В заключении представлены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

I. Основные принципы построения лазерных калибровочных систем детекторов заряженных частиц.

1.1. Физические основы. Двухфотонная ионизация.

Лазерный луч ионизирует либо специально вводимые в газ детектора насыщенные пары органических соединений с высокой вероятностью двухфотонной ионизации, либо изначально присутствующие в основном газе детектора примеси. Считается [8], что эти примеси являются парами вакуумного масла, попадающими в компоненты рабочей газовой смеси при их очистке. В любом случае двухфотонная реакция ионизации имеет вид.

М + hv -> М* + hv ->М* + е, (1) ® и может идти по каналам:

MSo + hv -> м-, + hv -> М+ + е, (2).

Mso + hv -> м-, -> MSi + hv -> М+ + е, (3).

MSo + hv -> M’s + hv -> M+ + e, (4).

MSo + hv -> M*sl -> Msi -> M*n -> MT1 + hv -> M* + e. (5) Также могут идти реакции двухфотонной ионизации молекул, находящихся в газе детектора, типа.

MSo + hv -> М-, -> (М*е) + hv -> М* + е, (6).

Mso + hv -> м-, +Х -> (M^y + hv -> IvT + X + e, (7).

• Mso + hv -> М-, -> Ri + R- +hv -> R, + e. (8) и т. п. Здесь MSo, Msi и MTi — молекула на первом колебательном уровне соответственно основного и первого синглетного и триплетного состояний, M*So, м-, и MJ., — молекула на высоком колебательном уровне соответствующего состояния, Ri и R2 — радикалы, X — акцептор.

В общем случае определить тип двухфотонной ионизации затруднительно, и для лазерных калибровочных систем это не имеет практического значения.

Для количественного анализа введем следующие обозначения: п0 — концентрация ионизуемых молекул примеси, пех — концентрация возбужденных молекул М*, п, = пе, — соответственно концентрация молекулярных ионов и свободных электронов, г — излучательное или безизлучательное время жизни возбужденного состояния М*, <те — сечение возбуждения молекулы М, <т* -сечение ионизации молекулы М из возбужденного состояния, F — плотность интенсивности лазерного излучения. Рекомбинация не учитывается, поскольку плотность электронов на лазерном треке ne < 102 см" 3. Тогда кинетика двухфотонной ионизации в газе детектора с примесью молекул М описывается следующими уравнениями: dn/dt = riexcr’F, (9) dnex/dt = (n0 — nex — nO ae F — ne a F — пех/ тех. (10).

Так как в любых случаях, за исключением, быть может, очень интенсивных световых потоков, которые не реализуются при лазерной калибровке детекторов заряженных частиц, nj «п0, то.

Пех = ПоР7-Лг 1 / [l ~ ехр{~ + <т* ]f +1 / тех }г], (11).

Пе = rij = n0 °F.

2 <�Ге<�Т, o-.+^y+i/r.L7, ««V.+^^+i/^ где T — длительность лазерного импульса (по основанию).

Считается [13], что при ионизации молекулы из возбужденного состояния Sq сечение ионизации <т* «(1 — 2)<т, где а, — сечение ионизации из основного состояния молекулы S0. Точные значения сечения ионизации <т, измерены для сравнительно простых молекул — благородных газов, Ог, N2, Н2, С2Н2, С2Н4, СН3ОН, С6Н6 и некоторых других [14]. Общим результатом является наличие максимума в зависимости сечения ионизации от энергии кванта вдали от порога ионизации, причем величина максимального сечения.

17 9 ионизации <7™* * (2−6)'10″ см. Вблизи порога ионизации для всех исследованных молекул а, ~ 10'18 см2, поэтому для оценочных расчетов в l-exp{-[(0-.+0—)F + /тех+/г]г}) (12).

• 17 18 2 системах лазерной калибровки можно принимать ст, ~ (10 — 10″, в) см. Если (сте +.

Щ = п0?2*еа] гех (г-r[l-ехр (-Т/тех)]}. (13).

Если (сге + сг*)?т «1, то тг а-а>

П- = n0Fае+сг1.

Т—— г— (l — ехр[- (ст, +ae)FT]) a.+crJF.

14) которое при (ае + cr*)FT «1 дает следующее соотношение для плотности электронов вдоль лазерного трека ne= ^n0F2aea'T2. (15).

Однако в очень интенсивных световых потоках или при большой длительности лазерного импульса, когда (ае + сг*)?Т «1, промежуточное возбужденное состояние молекулы М* за время лазерного импульса «насыщается» (все молекулы вдоль лазерного луча за время, много меньшее длительности лазерного импульса приходят в возбужденное состояние) ne = n0F-^rr. (16) сг +crt.

В лазерных калибровочных системах, как и в малых детекторах ионизирующих излучений, в которых применяются ультрафиолетовые лазеры, такая ситуация не реализуется из-за очень короткой (~0,1 — 1 не) длительности лазерного импульса. Поэтому линейная плотность электронов вдоль лазерного трека описывается простым выражением nel = kskTnoSF2ST, (17) где ks, кт ~ 1 — коэффициенты, учитывающие геометрические и временные характеристики лазерного луча, то есть изменения интенсивности лазерного излучения как в поперечном сечении лазерного луча, так и во время лазерного импульса, Е — сечение двухфотонной ионизации, зависящее от интенсивности и длительности лазерного импульса и конкретной реакции двухфотонной ионизации, S — площадь поперечного сечения лазерного луча.

Для ионизации неидентифицированной примеси, как правило, требуются мощные Ыс1: УАС-лазеры (с X = 266 нм) или более коротковолновые эксимерные лазеры. Для оптических элементов лазерных калибровочных систем, разрабатываемых на основе этих лазеров, необходимо использовать высококачественный кварц марки КУ-1, КУ-2, а также сложную технологию нанесения стойких зеркальных покрытий с высоким коэффициентом отражения. Кроме того, при ионизации неидентифицированной примеси воспроизводимость результатов энергетической лазерной калибровки проблематична. Тем не менее, такие системы при участии автора разработаны для экспериментов STAR (BNL), ALICE (CERN), в которых из-за больших радиационных загрузок вводимые в рабочий газ детектора молекулы органических соединений с низким потенциалом ионизации могут привести к эффекту старения [10].

При введении в рабочий газ специальных добавок с высокой вероятностью двухфотонной ионизации можно использовать менее мощные N2-лазеры на молекулярном азоте (с X = 337 нм). В этом случае требования к оптическим элементам лазерной системы менее жесткие и можно использовать увиолевое или обычное стекло. Из органических соединений, свойства которых представлены на рис. 1 и в таблице 1, наибольшее практическое значение имеют Ы, Ы,~Н'," Ы'-тетраметил-п-фенилендиамин (ТМПД) и а-нафтиламин, которые характеризуются большим сечением ионизации и низким давлением насыщенных паров. Вероятность двухфотонной ионизации у ТМПД приблизительно в 150 раз выше, чем у а-нафтиламина, однако последний предпочтителен из-за более низкого давления насыщенных паров. Обычно контейнер с порошкообразным веществом встраивают в газовую систему детектора, поэтому, учитывая высокую вероятность двухфотонной ионизации, для предотвращения эффекта старения можно уменьшать концентрацию молекул вещества в рабочем газе детектора на несколько порядков, понижая температуру контейнера или применяя деление газовых потоков.

1,00 2 о и" о В о.

О. U ч.

Т).

X р

— J о sa f-о к ж is s 5 с;

0.10.

0,01.

10 I1III J.. ¦ .1. ¦ ¦¦ J.J.

1 г f ¦ ¦

4 1.

42 4.

Ж 6 7.

V 8.

9 4 10.

100 1000 10 000 Плотность мощности лазера, Bt/cn?

Рис. 1. Зависимость линейной плотности электронов на лазерном треке с у площадью поперечного сечения 1 мм" от плотности мощности излучения N2-лазера для насыщенных паров ряда органических соединений, 1−9- вещества из Таблицы 1,10 — неидентифицированная примесь в Ne [8].

Таблица 1. Характеристики органических соединений с высокой вероятностью двухфотонной ионизации излучением^{-лазера.} Ps — давление насыщенных паров при 20 С0, dj = Пц /SW2T — параметр, характеризующий вероятность ионизации, Ью — длина, на которой в результате поглощения лазерного излучения вследствие возбуждения молекул плотность электронов уменьшается на 10%.

Соединение Ps, 2,.

1 N, N, N', N'- тетраметилпарафенилендиамин 2 10″ 3 2 10″ 44 3625 80.

2 2,2,6,6-диметилпиперидон-4-М-оксил ~ 10″ 1 ~10″ 48 55.

3 М, КЧципропиланилин 1 10″ 2 4 10″ 4/ 35 1000.

4 а-нафтиламин 3 Ю-4 1 Ю" 45 24 300.

5 Диэтилферроцен 5 10″ 2 3 10″ 52 11.

6 Диэтилдифенилмолибден 5 10″ 6 8 10″ 45 3,1.

7 Р-нафтиламин 4 10'5 4 10″ 46 1,4 4000.

8 Диацетилферроцен 1 10″ 6 4 10'4Э 0,38.

9 п, птетраметилдиаминодифенилметан 4 10'7 1 10″ 44 0,26.

10 Дифениламин 2 10″ 4 4 Ю-49 0,008.

4.4. Выводы.

1. Разработана система регистрации и обработки информации в установке, предназначенной для исследования корреляций физических и биологических (канцерогенных) характеристик химических соединений.

2. Усовершенствованы основные параметры установки с целью улучшения отношения «сигнал/шум» и получения достоверных результатов измерения константы захвата свободных электронов в газовой фазе.

3. Разработан аппаратный (программный) метод подавления высокочастотных наводок от N2 -лазера.

4. Получены экспериментальные данные по фотоэмиссии электронов из металлов, полупроводников и диэлектриков под действием излучения N2 -лазера. Показано, что фотоэмиссия электронов в этом случае обусловлена поверхностным двухфотонным фотоэффектом.

5. Проведено тестирование установки и показано, что разработанные программы и методы адекватны поставленным задачам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Такой эксперимент, как STAR, является уникальным физическим инструментом, строительство и эксплуатация которого невозможна без международного сотрудничества. Разработанная высокоточная лазерная калибровочная система позволяет ускорить процедуры монтажа и настройки этих установок, значительно снизить стоимость и продолжительность наладочных работ, а также увеличивает точность и достоверность получаемых физических результатов при изучении фундаментальных свойств материи.

Впервые разработаны методики и программно-аппаратный комплекс, который используется для исследования физико-химического подхода к процедуре детектирования канцерогенности веществ. Ранние исследования показали, что физический тест на канцерогенность, может сводиться к измерению параметров захвата свободных электронов в нейтральной буферной среде, содержащей молекулы потенциальных канцерогенов. В этих исследованиях применялись плоскопараллельные ионизационные камеры, в которых в качестве буферной среды использовались неполярные жидкости изооктан и циклогексан, а также газовая смесь Аг+Н2. Физические методы способны значительно ускорить и удешевить раннее детектирование потенциальной канцерогенности.

Автором получены следующие основные результаты:

1. Исследованы и развиты основные принципы построения высокоточных лазерных калибровочных систем больших газовых координатно-чувствительных детекторов объемом ~ 10 м на базе импульсных ультрафиолетовых лазеров.

2. Разработаны и исследованы основные принципы контроля и управления лазерных калибровочных систем с использованием корреляционно-экстремальных методов и проведена оптимизация методики обработки изображений для увеличения производительности вычислений.

3. Разработан программно-аппаратный комплекс управления лазерной системой калибровки детекторов STAR на ускорителе релятивистских тяжелых ионов RHIC в Брукхэвенской Национальной лаборатории. Показано, что погрешность стабилизации положения лазерных лучей составляет не более 0,2 мм, а время необходимое для юстировки лазерных лучей составляет не более 1 минуты.

4. Разработана система регистрации и обработки информации в установке, предназначенной для исследования корреляций физических и биологических (канцерогенных) характеристик химических соединений.

5. Оптимизированы основные параметры установки с целью улучшения отношения «сигнал/шум» и получения достоверных результатов измерения константы захвата свободных электронов в газовой фазе.

6. Получены экспериментальные данные по фотоэмиссии электронов из металлов, полупроводников и диэлектриков под действием излучения N2-лазеров. Показано, что фотоэмиссия электронов в этом случае обусловлена поверхностным двухфотонным фотоэффектом.

Автор искренне благодарит Стриханова М. Н. за идею диссертационной работы и руководство ею, а также за всестороннюю поддержку совместных работ, проводимых в Брукхэвенской Национальной Лаборатории.

Автор выражает искреннюю признательность Гущину Е. М. за помощь в экспериментальных исследованиях, проведенных в рамках данной диссертации, внимательное прочтение и обсуждение рукописи диссертации, за полезные замечания к тексту работы.

Автор благодарит Лебедева А. Н., сотрудника Брукхэвенской Национальной Лаборатории за помощь при проведении экспериментальных работ и создании программноаппаратного комплекса.

Автор благодарит Ридигера А. В. за помощь в разработке и изготовлении физической аппаратуры.