بخشی از مقاله
چکیده
پارامترهاي انتقال گاز و به تبع آنها سیگنال خروجی آشکارساز صفحهعایق به ترکیب گاز بسیار حساس هستند. با توجه به اینکه در آزمایشهاي مختلف و براي کاربردهاي متنوع به آشکارسازهایی با ویژگیهاي متفاوتی نیاز هست، انتخاب ترکیب گاز مناسب یکی از دغدغههاي آزمایشگران میباشد. از آنجایی که تترافلورواتان و ایزوبوتان از جمله گازهاي متداول در آشکارسازهاي گازي و به طور ویژه آشکارساز صفحه عایق میباشند
در این مقاله اثر افزودن ایزوبوتان به تترافلورواتان به میزان %2، %5 ، %10، %20 و %30 در عملکرد آشکارساز، با استفاده از کد گارفیلد++ که یکی از مناسبترین کدهاي مورد استفاده براي شبیهسازي سیگنال خروجی انواع آشکارسازهاي گازي و محاسبهي خواص انتقالی گازها است، مورد بررسی قرار گرفته است. نشان دادهایم ترکیب 90 درصد به 10 درصد گاز C2H2F4 به iC4H10 داراي دقت زمانی بالا - کاهش پهناي پالس - و ارتفاع پالس بالاتر میشود.
مقدمه
آشکارساز صفحهي عایق1،RPC، یک آشکاساز ذرات از نوع گازي است که در آزمایشهاي فیزیک انرژيهاي بالا از آن استفاده میشود و در آزمایشهاي مختلفی از جمله CMS ،ATLAS و… به کار رفته است. سالیان اخیر در ایران نیز در راستاي همکاري با سرن مطالعاتی در این زمینه انجام گرفته است
شبیه سازي این آشکارساز پیشتر به دو روش عمده - مدل دینامیکی و مدل ترابرد - انجام شده است. در هر دوي این روشها فرآیند تولید، گسترش و انتشار بهمن به کد نویسی مفصل نیاز دارد. البته پارامترهاي گاز که در هر دو روش شبیه سازي به کار میرفتند از طریق کد گارفیلد محاسبه میشد. مجموعهي گارفیلد مبتنی بر فورترن بود و از 2 برنامه اصلی هید و مگبولتز استفاده می کرد. به منظور تسهیل شبیهسازي آشکارساها در سرن، گارفیلد++ اینبار بر اساس C++ ساخته شد
. این برنامه شبیه سازي آشکارسازها را بدون نیاز به کدنویسی انجام میدهد و سیگنال خروجی یک آشکارساز را میتواند به طور کامل بازسازي کند. در این مقاله شبیهسازي کامل آشکارساز صفحهي عایق به وسیلهي گارفیلد++، انجام شده است و اثرات ترکیب هاي مختلف گاز تترافلوراتان و ایزوبوتان که دو ترکیب متداول گاز در این گونه آشکارسازها هستند[2-4] بررسی شده است.
آشکارساز RPC
بر اساس نیاز آزمایشگر و محیط آزمایش، آشکارساز صفحهي عایق در انواع مختلفی طراحی و ساخته میشود. آنواع چندگافه که معمولاً در ابعاد کوچک ساخته میشوند، قادرند دقت زمانی و فضایی بسیار بالایی را ارائه کنند.[3] آنچه متداول است مدل تک گافه با پهناي گاف 2 میلیمتر است.
ساختار آشکارساز به طور ساده در شکل 1 نشان داده شده است. به ترتیب نوارهاي خوانش، مایلار - عایق محافظ ولتاژ بالا - ، الکترود، صفحه عایق در دو طرف گاف آشکارساز هر کدام با پهناي 2 میلیمتر قرار دارند. در گاف آشکارساز یک جریان یکنواخت گاز داریم که از یک سو وارد و از سوي دیگر خارج میشود. فشار گاز درون گاف 1 اتمسفر و دما 293 کلوین تنظیم شده است.
شکل :1 قسمتهاي مختلف RPC از داخل به خارج عبارتاند از: گاف گاز، صفحات عایق، پوشش گرافیتی، لایه نارسانا و نوارهاي قرائت جریان گارفیلد++
گارفیلد[5] 2++، یک کد شبیهساز شیگرا به زبان c++ براي آشکارسازهاي ذرات - گازي و به ندرت براي آشکارسازهاي حالت جامد نیز به کار میرود - است که در مرکز تحقیقات هستهاي اروپا - سرن - ایجاد شده است و حمایت میشود. ساختار کلی گارفیلد++ را میتوان در شکل 2 خلاصه کرد. گارفیلد++ دو دسته کلاس عمده دارد:
-1 کلاسهایی که مربوط به توصیف آشکارساز هستند و شامل خواص مواد، هندسه، میدانها و ... میشوند.
-2 کلاسهایی که مربوط به انتقال حاملین بار در گاز هستند و براي ردیابی ذرات در آشکارساز به کار میروند.
این دو دسته کلاس با کلاس Sensor به هم مرتبط میشوند.. گارفیلد++ شامل تعدادي کلاس براي ترسیم منحنیها و اشکال مورد نیاز میباشد. این کلاسها به کلاسهاي گرافیکی روت3 وابسته هستند.
شکل :2 نماي کلی از کلاسهاي گارفیلد ++ و محتواي آن
براي توصیف محیطهاي گازي از دو کلاس MediumGas و زیرکلاسش MediumMagboltz استفاده میشود. کلاس MediumGas فقط براي درونیابیِ جدول گاز و واردکردن فایل گاز به کار میرود، ولی کلاس MediumMagboltz از طریق برقراري ارتباط با برنامه مگبولتز محاسبات مربوط به پارامترهاي انتقال را امکانپذیر میکند. ترکیب گاز در این برنامه میتواند حداقل شامل یک و حداکثر شش گاز باشد. چگالی گاز با فشار و ٣ ابزار روت - ROOT - برا_ تحلیلها آمار و ترسیم منحنیها و اشکال هندسی در مراکز علمی جهان به طور وسیعی مورد استفاده قرار میگیرد.
دماي گاز تعیین میشود. ساختارهاي ساده را میتوان با کلاس GeometrySimple توصیف کرد؛ که مجموعه اشکال خیلی محدودي را دارد. براي محاسبات میدان تحلیلی میتوان از کلاس ComponentAnalyticField استفاده کرد. که به روش تحلیلی میدان در را درنقاط داخل آشکارساز محاسبه می کند.
کلاس Sensor مسئول محاسبات سیگنال است. هدف کلاسهاي نوع Tracks شبیهسازي الگوهاي یونیزاسیون تولیدشده بهوسیلهي حرکت ذرات باردار سریع داخل آشکارساز است. تولید و تشکیل بهمن با کلاس AvalancheMC و خطوط سوق با کلاس AvalancheMicroscopic شبیهسازي میشود از کلاس ViewSignal براي نمایش سیگنال استفاده شده است.
پارامترهاي انتقال و سیگنال خروجی
مکانیزم آشکارسازي در تمام آشکارسازهاي گازي تقریبا مشابه است. عبور ذرهي باردار از آشکارساز با ایجاد یونش اولیه همراه است. الکترونها و یونهاي ایجاد شده، در میدان الکتریکی آشکارساز شتاب میگیرند و در امتداد خطوط میدان شروع به حرکت میکنند. برخورد با مولکولهاي گاز منجر به یونشهاي ثانویه و در نتیجه تولید الکترونها و یونهاي بیشتر میشود. ادامهي این روند، به تولید بهمنهاي الکترونی و یونی منتهی میشود.
بهمن الکترونی در امتداد خط میدان حرکت میکند تا به انتهاي مسیر خود در آشکارساز - الکترود - برسد. پارامترهاي انتقال در واقع مشخصات یک بهمن الکترونی را بیان میکند و سیگنال خروجی به مشخصات بهمن وابسته است. سرعت سوق، سرعت متوسط حرکت الکترونها در محیط آشکارساز است.
ضریب جذب و تکثیر در واقع احتمال آن را نشان میدهد که الکترونی پس از برخورد به یک مولکولِ گاز جذب آن مولکول شود و یا اینکه آن مولکول را یونیزه کند و به تعداد الکترونهاي بهمن افزوده شود. ضرایب پخش طولی و عرضی، میزان گستردگی بهمن را پس از طی مسافت معین نشان میدهند. تغییر میدان الکتریکی باعث تغییر پارامترهاي انتقال میشود. مثلا با افزایش میدان الکتریکی سرعت متوسط سوق افزایش مییابد لذا ضریب تکثیر بزرگتر و ضریب جذب کوچکتر میشود. عامل دیگري که میتواند در مقادیر پارامترهاي انتقال و سیگنال خروجی تاثیر بگذارد، ترکیب گاز است. گازهاي مختلف خواص متفاوتی دارند و استفاده از ترکیبات مختلف گازي در آشکارسازها منجر به نتایج متنوعی میشود.
از آنجایی که تغییر پارامترهاي انتقال و سیگنال خروجی تاثیر به سزایی در عملکرد آشکارسازها خواهد داشت، تنظیم مقادیر این پارامترها به عنوان ابزاري براي بهینهسازي آشکارسازها براي مقاصد مختلف مورد توجه قرار میگیرد.
ترکیب گاز تترافلوراتان و ایزوبوتان، به عنوان یک ترکیب متداول در بسیاري از آزمایشهاي آشکارسازي به کار می رود .[3-5] در بخشهاي بعد بستگی پارامترهاي مختلف انتقال به ولتاژ اعمالی و تغییر درصد گازها در ترکیب دو گاز تترافلوراتان و ایزوبوتان مورد بررسی قرار گرفته است.
نتایج
اثر تغییر ترکیب گاز بر روي ارتفاع سیگنالهاي آشکارساز صفحه عایق و همچنین تغییر ترکیب گاز و ولتاژ اعمالی بر روي پارامترهاي انتقال گاز محاسبه شده است.
ضریب تکثیر و جذب
ضرایب تکثیر و جذب براي ترکیبهاي C2H2F4 و iC4H10 مورد نظر در نمودار شکلهاي 1 و 2 رسم شده است. ضریب تکثیر با افزایش میدان الکتریکی تقریبا به صورت نمایی افزایش مییابد. در حالی براي ضریب جذب با افزایش میدان ابتدا با افزایشِ ضریب جذب و سپس با کاهش آن مواجهیم. همچنین ضریب تکثیر براي ترکیب گاز 90 به 10 درصد تترافلواتان و ایزوبوتان تا میدان 35KeV/cm بیشتر از سایر ترکیب ها می باشد.
شکل 1:ضریب تکثیر بر حسب میدان الکتریکی براي چهار ترکیب مختلف گازهاي C2H2F4 و iC4H10
