Revista i\fexicana lil' Física 24 (1975) FAI.i5-FAI52

CO:-lSTRlJCCIO:-l DE lJ:-I DETECTOR PROPOIlClO:-lAL

SENSIBLE A LA POSIClON

J. Góm{'z del Campo, ~l. E. Ortiz y A. Daca!

InslilulO de Física. Universidad Nacional Aulónoma de Mixico

y

,\1.K. Kopp

Oale Ridge ."'Jal;onal Laboralory

(Recibido: scpdembre 8, 1975)

FA 1.15

ABSTRAer: A position s('nsiti\'e detector has been conslrucl('d for use al

,hc focal planc of a maJ';ncric speclro¡¡:raph. The dct<.'ccor is a

single wire, gas flow proponional counler of lhe Borkowski-

Kopp type, which derives rhe posilion informar ion from rhe rise

lime of rhe pulse from both ends of a hi¡¡:h resisrance win' anodl'.

A posirion tl'solution of 0.8 mm was oblained for a 40 cm lon~

deteclor operared at armospheric pressur(' wirh a ~as mixrureof argon-methane.

INTRODUCClON

Los cspenrógrafos ma~néticos siguen siendo una buena herramienta ro~

F ¡\ 146 Gómez del Campo e[ al

rOlla e~pectwscopía nuclear de aha resolución. Sin embargo, ningún diseiiomapH~,tico ofrece ángulos sólidos de an'ptación quc sean comparahles con1[,.•.•obtt'nidos en trahajos de <lita resolución usando detectores de semicon-ducción. Por otra parte, los espectró,grafos maj.:néticos presentan la Jesveo."'ia de utilizar placas nucleares para rej.:istrar las partículas, lo que implicatiempos muy largos de lectura de las mismas al microscopio y no permitenhacer ninl-:una modificación del experimento sobre la marcha; además de teuNlimitaciotl[.s cuando el núm,'w til' ev('ntos l'S muy grande, ya que se pierde lainfornl<lción estadística. Por supue,sto tienl'n la v{'ntaja de cubrir grandesdistancia,s en el plano focal con exce!enU.' f('solución en la posición.

POf estas razones entre otras, se han diseilado algunos instrumentoSpara <kt<'Clar partículas en el plano focal de los imanes, de modo que los da-(Os S{' pueden acumular directamente ('n la memoria de un multicanal o unacomputadora. Detectores de semiconducción sensihles a la posición dan reso-lucillfles del orden de 0.5 mm, pero ('st;ín limitados a 5 cm de longitud, demodo que sólo cubren una pequeilísima fracción del plano focal.1-

3 Se hanconstruído también cámaras de chispas ha.sta de 62 cm con una resolución en-(r(' 1 Y 1.5 mm, pero tienen una ra:tt)n de contco limitada •.••5

Charpak el a1.6•7 han diseñado nllltadon's proporcionales de muchosalambre,s con resoluciones similares a las anterior('s pero con huenas razon<'sde cont('o, qU(' requieren sin cmbargo, un sistcma electrónico muy elaborado

para el manejo de datos.Por otro lado, se pueden haccr dctc("[ores proporcionales dc un SÓlll

alamhre que cubran una porción considerable del plano focal r que requier('nde la el(~c(rónica convencional • .\lilkr t'l ol.R describen un dctector de estctipo, que mide la distancia a lo lar,eo ti(,1 mismo di\'idiendo la señal del alam.br,' central ('ntfe la externa del detector. Este tipo de contador da tesoludo.nes del orden de 1.6 mm para 6Mcm d(, longitud y del orden de 1 mm ¡xua jl.5cm tk largo. Borko\\'ski y KorpQ.l0 han desarwllado un contador proporcionalde un solo alambre que opera sobre un principio diferente. Este detector tie-ne un alamhre central de alta resistencia que actúa como una linea Re distri.huida. Los pulsos obtenidos en cada extremo del detector tienen tiempos d(,formación que .<;onproporcionales a las distancias entfe los extremo." y el r't.llltode impacto de la partícula. La diferellcia en los tiempos de formación se mi.dt, por un cruce por cero en el tiempo para obtener la información de posición>Típicamente un cambio en la posicil)n de 1 mm corresponde a un cambio en elnuct. por e('fO de 30 nseg. Estos d('tectores no sólo son simples de construirsino que requi<:ren de módulos estándar de electrónica más que circuitos es.pccia!Cs. Así, después de la conversión de tiempo amplirud, los datos s(' rueden

,lnalizar inmediat.."lmente en un multicanal.

Df!/l'clor proporcional ••• FAI.J7

En vista de que este tipo de detectores presenta grandes ventajas aco.piados a los espeC(rógrafos y teniendo en cuenta que en ,\léxico existen variosde estos instrumentos, se ha construído uno de 40 cm de longüud que puedeser usado en la superficie focal de cualquiera tI(: ellos.

o

FILAMENTO DE CUARZO

oI

51

10I "I cm

Fig.1. Esquema del detector.

CONSTRUCCION y OPEH¡\CJON

Las dimensiones del de[(:,cwr fueron escogidas de tal manera que sepudiera utilizar indistintamente en cualquiera de los espectrógrafos magnét¡.cos actualmente en operación. EstiÍ construído en latón y tiene 40 cm de Ion.gitud sen3ible por 1 cm de ancho, como se muestra esquemáticam('nte en la figu-gura 1. El cuerpo del detector tiene un largo wtal de 44 cm y una anchura de5 cm, que corresponde a la anchura de las placas nucleares de manera que laspuede sustituir. Como se puede observar en la figura 1 el d<:leCtOr consis-te básicamente de un solo alambre de 0.0039 mm de diámetro, de cuarzo r('cu.bicrto con carbón pirolítico, con una resistividad de 1;kO:/mm que se utilizacomo ánodo, siendo el c.itodo una canal de latón de 0.99 cm por 41 cm con unaprofundidad de 0.47 cm. pulida a espejo. Lle .••.a una .••.entana d(:,m)'lar alumini.

FA 148 G6mczdel Campo er al

zado para definir el campo eléctrico dentro de la canal, dicho my/ar se encuco.tra aprisionado c(¡[re la carcaza de latón y una brida de acero inoxidable a tra-vés de un sello de hulc. Se encuentran montadas 6 conexiones eléctricas enla parte posterior del cuerpo del detector, dos para el voltaje de operación delos preamplificadorcs, dos para el voltaje de operación del ánodo y dos paralas señales en los extremos del alambre.

Los dos preamplificadorcs para cada señal se enCUt:nlfUn montados enla misma región y cerca de los conectores. Estos prcamplificadorcs 500 de ahaganancia, sensi{ivo,~ al voltaje, con transistores dc efecto de campo a la en-trada (FET), diseñados por Koppll para usarse con este tipo de contadores.

La cntrada y salida del gas se encuentra cn los extremos del detectorcomo se ve en la figura l. Se usa un flujo de gas a presión atmosférica com-puesto de 90% de argón y 10% de m~tano.

T I liNfAO.II[lAROO

Q : ••1\1 t NI. J

L- ,

1

Fil':' 2. Dia,.-:rarna dI.' la electrónica asociada para el procesamiento de las señalesdl"1 detector.

La figura 2 Illllc....•tra un dia~rallla esqllt.'mático del detector y la e!ccnó-nica asociada. Una partícula qut.' IIq~a al detector a una di."Hancia X de un cx-tremo produce un pul.••o en los dos ('xtremos con diferentes tiempos de forma.

Df!/f!CIOr proporcional •••FA 149

ción debido a la gran resistividad del alambre, como se puede ver con to-do detalle en las referencias 9 y 10. Después de la amplificación, la diferen-cia de tiempo entre los puntos de cruce de los dos pulsos se mide a la sali-da del convertidur de tiempo alrura de pulso. Sumando los dos pulsos de sa-lida de los preamplificadores, se puede obtener una señal proporcional a lapérdida de energía en el detector, de manera que sea posible hacer una iden-tificación de la partícula. También se puede usar la suma de pulsos para re-ducir e 1 fondo, etc.

10001-

-800

..•c(Zc(ua:O 600o..<Il FWHMc(

0.8mm .•• .-...Z

'":::>u400

200

,.J510

.o .'-520 530 540 550

NUMERO DEL CANALRe~lución espacial obtenida con panículas alfa de una fuente colimadade Am.

Fig.3.

FA 150Gómez del Campo et al

La resolución en la poslclon del detector se probó con una fuentc co-limada de panículas a. de H1Am. Con un voltaje de polarización de 900 voltsse encontró una resolución de 0.8 mm para las partículas que inciden perpen.d¡cularmen!c al alambre como sto muestra en la fi~ura 3, donde la anchura a lamitad de la altura define la resolución. habiéndose probado que es 1.1m.isma atodo lo largo del detector. Con esta medida se ve que es posible resolver al-rededor de 7S0 elementos, dando por resultado una incertidumbre en toda la

longilud del detector del orden de 0.125%.

lOO -

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~z•u• '00~~~z~, zoou~Q

o•~z,z '00

NUMEAO DEL CANAL

Fig.4. Resuhados d:f la prueba de linealidad oblenidos variando la posición dela fuente de '" Am cada cenlímeuo a lo largo dd detectot.

I.a linealidad está ilustrada en la figura 4 donde se grafica el númerodel canal contral el número de cucntas por canal y donde la líllca que atravic"sa el espectro une todos los puntos que represelltan la pC\sición real de la

[)eti?Clo, propo,cional ..• FA 151

fuenre ('oorra la po.••ición dd nUlximo,de (irlfHlepuede.'observarse que es prácücamewre lineal. Esras medidas .<;c: ohruvieron desplazando la fuenre de 2~1Am centíme~rro a ceruímerro a lo lar~o del dereetur. De esra fi~ura se puede obrener quela c:scala de posición nlfre.' s ponde a 2.75 canak.";:/mm correspondie.'nrc a una(~scala de tiempo de 25 nse~/canal dando ?m resulrado una sensibilidad de6H.8 nseg/mm.

De las medidas e.'on fuenres radiactivas se puede observar que el detcc.lOr opera aún para raZllll('S de conteo muy airas sin observar pérdidas aprecia~bies en la resolución d(. la posición.

APLlC,\CIONES

Aunque el derecwr fue cOllsrruído especialmenre para panículas cargol.das rambién es posihle usar este tipo de contadores para la detección de rayosX de baja energía, ba.<;[aría simplemente con aum(:n[ar el vol[aje, cambiar lam('zc!a gaseosa y la presión a la que se opera, dando esta posibilidad una am.•plia variedad de aplicaciones en muy difer('ntes campos.

Es posihle rqdsrrar espectros de difracción de rayos X ('n cristales opolvos mcdianrc una pla(.';1 fowgráfica, lo que daría únicamente informaciónsobr(' el ángulo de difracción. Un detecwr proporcional sensible a la posicióndaría en es[e caso no sólo la información an[(..rior, sino acerca de la energíay la intensidad en una línea reera a 10 lar~o del de(ecwr. Los demlles sobrc'esta técnica se pueden vcr en la rcferencia 10.

Si se hace un l:Jarrido con un de[ccwr d(, un solo alambre en un área dc~terminada. se puede obtener con la técnica de rayos X de muy baja energía(m('nores de 60 keV) radiografías de transmisión con la ventaja de quc hastacon fuentes de poca intcnsidad. Esta aplicación es intcresante en medicino\nuclear ya que permite lar,go .••tiempos de exposición sin que la dosis absor.l:Jida sea consideral:Jle. En cste campo también S(' puede usar este sistema dedetección para estudiar de una manera dinámica organismos vivos mediante eluso d,' radionúcleos.

Cuando el ¡írea de interés es de dimensiones reducidas. es posihleconstruir este tipo de de[CCloreS en dos dimensione,,,, 12 las cuales encuentranun buen número de.' aplicaciones en los campo .••dl. la medicina nuclear, la fj.sica nuclear y la difr¡\C'ción de rayos X.

FA 152

HEFERE:-ICl,IS

Gómez del Campo el al

lo H. Rock, 11.11. Duhm, W. Mclz('r, F. Puhlhofer y B. Swldlcr, Nucl.Instr. and Meth. 41 (¡t)(¡6) 190.

2. lL L. ABan, G. V. Ansdl y H. K. Jolly, Atomic Energy RcsearchEstablishment. il<uwell, Bcrkshire Repon AERER 5897 (1968).

3. \l'. W. Daehnick, Phys. Re". 177 (1969) 1793.4. J. Sandinos, G. Val10is y C. Laspalles, Nucl. Instr. and ~teth.

46 (1967) 229.5. 11.\1;'. Fulbrighr y J.A. Robbins, Nud. losrr. and ~kth. 71 (1969) 237.6. G. Charpak, R. BouciJer, T. Bressani, J. Fa\'i('r y C. Zupancic, ~ucl.

Instr. and ~l('th. 62 (196M) 262.7. G. Charpak, IL Boucher, T. Brcssani, J. Fa"ier y C. Zupancic, Nucl.

lnstr. ami ~l('th. 6') (1968) 217.8. G.L. \liller, N. Williams. A. Senator, R. Stcnsgaard y J. Fischer, Nucl.

lnstr. and \1eti-. 91 (1971) 389.'). C.J. Borkowski y ~t.K. Kopp. Re\'. Sci. Instr. 39 (968) 1515.ID. C. J. Borkowski y M. K. Kopp. IEEE Trans. Nud. Sci.

:-IS-17(3) (1970) 340.11 •. \1. K. Kopr. Re\'. Sci. Instr. 42 (1971) 714.12. C.J. Borkowski y M.K. Kopp. IEEE Trans. Nucl. Sci.

NS-19 (3) (1972) lól.

RESUME:-I

Se ha construído un d(.t('ctor sensihle a la posición que puede usarseen el plano focal de los esp('ctrógrafos ma~nétic()s. Es un detecwr proporcilt-nal con flujo de ~as. dí' un solo alambre del tipo d(, Borkowski- Kopp y quepermite ob(('ner información sol-¡re la posición a partir del riempo de formaciónde lo .••pulsos rCj!,istrados en los extremos del ánodo de aIra resistcncia. Tic.n(. Utl,l r(..••olución ('ll la posiciilll de O.ti mm p.1£a UII dctcclor de 40 cm de 1011.

~itud operando a presión atmosférica con una mezcla dí: argón-metano.