Особенности предлагаемого эксперимента

Классический пропорциональный счетчик в современном исполнении

Как уже было отмечено, экспериментальный интерес представляет поиск специфического искажения энергетического спектра электронов в распадах трития, возникающего благодаря гипотетической примеси стерильных нейтрино. Для масс нейтрино 1-10 кэВ искажение распространяется на весь спектр, что позволяет использовать детекторы с относительно невысоким (порядка 10-15%) энергетическим разрешением, в том числе газовый пропорциональный счетчик.

Одной из изюминок эксперимента служит использование пропорциональных счетчиков, целиком выполненных из кварцевого стекла.

Нами разработаны и изготовляются мелкосерийными партиями (для решения конкретных физических задач) цельнокварцевые газоразрядные пропорциональные счетчики цилиндрической геометрии. Для изготовления счетчика используется кварц только высшего оптического качества (например, марки Suprasil); герметичность счетчика - на уровне радиоламп, гермовыводы - молибденовая фольга толщиной 10 мкм, шириной 1 мм, ввареная непосредственно в кварцевый капилляр.

Особенностью кварцевых счетчиков является то, что их катодной проводящей поверхностью служит слой пироуглерода, полученный термическим разложением изобутана при температуре 930 ^oC, толщиной 0.5-1.0 мкм (в зависимости от числа циклов разложения). Под циклом мы понимаем напуск изобутана, выдержка при температуре 930 ^oC в течении 3 минут и последующая пятиминутная откачка продуктов разложения изобутана при той же температуре при высоком вакууме. Данный режим определен эмпирически и дает прочные высокопроводящие углеродные покрытия. При необходимости, часть покрытия легко удаляется нагревом наружной поверхности кварца до 700 ^oC в токе кислорода (торцевые изоляторы, капилляры).

Катодный вывод осуществлен через капилляр, припаянный к боковой поверхности ампулы счетчика. Внутри этого капилляра оставляется слой пироуглерода, который и является электрическим отводом от катода. К капиллярному отводу с плотным поджимом вваривается молибденовая фольга толщиной 10 мкм, шириной 1 мм и длиной 20 мм. Эта фольга имеет в поперечном сечении чечевицеобразную форму, полученную электрохимическим травлением переменным током в 20% растворе NaOH; фольга вваривается в вакууме по всей длине в кварцевое стекло и является абсолютно герметичным выводом.

С одной из сторон Мо-фольги к ней припаивается молибденовый стержень диаметром 0.8 мм посредством кусочка вакуумплавленой меди, либо путанкой из золотой проволоки, предназначенной для ультразвуковой сварки элементов гибридных микросхем. Это обеспечивает надежный электрический контакт.

К молибденовому стержню точечной сваркой приваривается кусочек никелевой фольги, которая уже поддается пайке оловяно-свинцовым припоем ПОС-60. Флюсом служит механическая смесь ортофосфорной кислоты и канифоли. Далее, при необходимости, припаиваются позолоченные штырьки для обеспечения надежного разъемного контакта.

Выбор конкретной конструкции счетчика из кварцевого стекла определяется характером задачи. Уникальные свойства кварцевого стекла (высокая термостойкость, низкий КТР, и, как правило, крайне низкое содержание природных радиоактивных элементов U, Th, ⁴⁰K), а также высокая технологичность этого материала позволяют самыми простыми кварцедувными приемами изготовить практически любую конструкцию, необходимую для решения данной физической задачи.

Кварцевое стекло довольно легко поддается механической и химической обработке (например, травление плавиковой кислотой). Это позволяет получать очень тонкие стенки в счетчиках для ренгенофлуоресцентного анализа легких элементов. Применение пироуглеродных покрытий в качестве проводников на внутренних поверхностях счетчиков позволяет формировать любые конфигурации внутренних электродов, удаляя пироуглерод в нужных местах выжиганием сфокусированным лучом лазера мощностью не более сотни милливатт в токе кислорода.

Измерения при сверхвысоких загрузках

При заполнении смесью Xe-CH₄ и при давлении ~1 атм токовый импульсный сигнал, снимаемый в пропорциональном режиме напрямую с анодной нити, имеет длительность порядка 20 нс по основанию 10%. Запись подробных (с шагом ~1 нс) осциллограмм импульсов обеспечит разрешение по времени порядка 3-5 нс и, как следствие, даст возможность работать с высокой скоростью счета.

В свою очередь, такой режим позволяет существенно снизить долю неразличимых случайных наложений сигналов и осуществить набор значительной статистики в одном детекторе за разумное время. Указанный подход для поиска примеси стерильных нейтрино в распадах трития до настоящего времени не применялся.

Как следствие, необходимым компонентом регистрирующей аппаратуры является быстродействующий АЦП с большой буферной памятью и скоростной шиной передачи данных. В настоящее время устройства, позволяющие реализовать сбор данных на уровне и в объеме, заявленных в проекте, серийно не выпускаются. Рассмотрим, к примеру, возможности одного из топовых аппаратов, представленных на рынке и наиболее подходящих для работы в условиях высокой скорости счета. Речь идет о 12-битной 2-хканальной модели "GaGe CompuScope" от производителя "GaGe Applied", с шагом дискретизации 1 нс и буфером 2 Гбайт в максимальной конфигурации. Модель выполнена в виде платы для шины PCI, с пиковой пропускной способностью 266 Мбайт/сек; поставляется исключительно под заказ, со сроком поставки 2-3 месяца.

В указанной модели аппаратно реализована возможность последовательной записи кадров импульсных сигналов в локальный буфер, с переключением на режим ожидания следующего триггера без участия внешнего программного обеспечения; минимальный размер кадра - 64 точки, каждая размером 2 байта. Время переключения между кадрами, в течение которого плата не реагирует на внешние сигналы, составляет 4 мкс. Это означает, что при скорости поступления событий от счетчика 1 МГц со средним интервалом между событиями 1 мкс будет потеряно ~80% событий; эффективная скорость счета составит 200 кГц. В буфер размером 2 Гбайта помещается (2.15x10⁹/128)~1.7 10⁷ кадров; в этом случае буфер заполнится кадрами примерно за 100 сек. На максимальной скорости шины PCI в 266 Мбайт/сек весь буфер будет передан в оперативную память управляющего компъютера примерно за 10 сек; на этом процессе теряется еще около 10% времени. Таким образом, даже при входящей скорости поступления событий 10⁶ Гц эффективная скорость счета не превысит 10⁵ Гц. Ясно, что режим записи кадров на серийно выпускаемой в настоящее время аппаратуре не обеспечивает выполнения проекта в заявленном масштабе. Тем не менее, для набора калибровочных спектров с общей статистикой 10⁸...10⁹ событий возможностей такого аппарата оказывается вполне достаточно.

Для обхода этой трудности необходимо будет разработать специальное устройство с аппаратной цифровой обработкой сигналов. Принцип его действия основан на фиксации параметров импульсных сигналов (амплитуда, момент срабатывания) в режиме "на лету", по мере их поступления. Ключевым узлом такого устройства является программируемая пользователем вентильная матрица (ППВМ, англ. Field-Programmable Gate Array, FPGA), которое может быть сконфигурировано производителем или разработчиком после изготовления. В большинстве современных микропроцессоров функции логических блоков, из которых они состоят, фиксированы и не могут модифицироваться. Принципиальное отличие ППВМ состоит в том, что и функции блоков, и конфигурация соединений между ними могут меняться с помощью специальных сигналов, посылаемых схеме. Такой подход позволяет вместо кадра из 100 чисел записывать всего два числа (амплитуда и момент появления), получаемых по заранее разработанному алгоритму; т.о., объем сохранямой информации сокращается почти на 2 порядка. Аналог такого устройства, с шагом дискретизации 10 нс, был разработан и изготовлен для нужд эксперимента Троицк-ню-масс; его эксплуатация продемонстрировала возможность набора амплитудных спектров значительного объема практически без "мертвого" времени.

Установка для точной работы с газами

Подготовка рабочих смесей с микропримесями трития потребует создания установки для точной работы с небольшими порциями газов. Требования к установке достаточно просты - обеспечение вакуума на уровне 10^-6 мм.рт.ст., возможность контролируемого смешивания небольших порций газов, перемещение газов из одной емкости в другую и т.д. Установка в основном будет упрощенным аналогом действующей установки, изображенной на фото справа. Единственным значительным отличием будет требование использования безмасляных насосов, поскольку водород/тритий эффективно связывается органикой, что может внести дополнительную неопределенность в конечный результат.

Одним из основных компонентов установки будет ртутный насос Топплера. Именно это устройство, действующее по принципу сообщающихся сосудов с разными объемами, позволяет оперировать небольшими порциями газов - вплоть до 0.1 см³. Снабженный манометрической трубкой с делениями, насос Топплера дает возможность измерять давление порций газов в замкнутом объеме с точностью до 0.1 мм.рт.ст. Подготовка рабочих смесей с тритием аналогична приготовлению смеси с ³⁷Ar. Носителем микропримеси трития будет порция стабильного водорода, количество которого в рабочей смеси счетчика не превысит 0.1%. Добавка такого объема водорода не приводит к значительным изменениям счетных свойств смеси на основе благородных газов.

Продолжение следует ...