ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2004, том 67, № 7, с. 1415-1422
К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ П.А. ЧЕРЕНКОВА ЧЕРЕНКОВСКИЙ КВАРЦЕВЫЙ КАЛОРИМЕТР
© 2004 г. В. Б. Гаврилов *, М. В. Данилов
Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва, Россия Поступила в редакцию 28.11.2003 г.
Черенковский кварцевый калориметр обладает высокой радиационной стойкостью благодаря радиационной стойкости кварцевых волокон, в которых образуется световой сигнал и которые используются для передачи сигнала фотодетекторам. Благодаря таким свойствам черенковского излучения, как порог по скорости излучающих заряженных частиц и мгновенный характер излучения, этот тип калориметров не чувствителен к нейтронам и большинству продуктов радиоактивных распадов, имеет короткий по времени сигнал и узкую пространственную область образования сигнала. Эти особенности черенковского кварцевого калориметра дают ему преимущество перед другими калориметрическими методами в случае регистрации узких струй высокоэнергичных частиц на фоне потоков энергии большой плотности, что необходимо, например, для экспериментов на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. В статье обсуждаются результаты измерений радиационной стойкости кварцевых волокон и основные характеристики черенковского кварцевого калориметра, измеренные с помощью прототипов.
1. ВВЕДЕНИЕ
Калориметры, т.е. детекторы, предназначенные для измерения потоков энергии различных типов частиц, получили широкое распространение в современной экспериментальной физике. Калориметры есть в составе всех работающих и строящихся установок для различных коллайдеров частиц высоких энергий. Важное значение будут иметь калориметры для экспериментов на строящемся в ЦЕРНе Большом адронном коллайдере, где будут сталкиваться пучки протонов с энергиями по 7 ТэВ. Для поиска новых типов фундаментальных частиц потребуется измерять потоки энергии всех вторичных частиц за исключением тех, которые вылетают в узких (менее 1°) областях вокруг сталкивающихся пучков. Высокие энергии и светимости Большого адронного коллайдера будут создавать предельно тяжелые условия для работы регистрирующей аппаратуры. В наибольшей степени это относится к областям, близким к сталкивающимся пучкам, где будет сконцентрирована основная часть энергии вторичных частиц. Калориметры, установленные в этих частях установок, должны будут работать в условиях экстремально высоких радиационных доз (до 100 Мрад/год) и нейтронных потоков (до 1016 н/см2 год). Поэтому требование высокой радиационной стойкости компонентов и надежная многолетняя работа в условиях, когда обслуживание калориметра затруднено высокими уровнями наведенной радиоактивности, существенно ограни-
E-mail: Vladimir.Gavrilov@cern.ch
чивают выбор возможных калориметрических технологий.
Черенковский кварцевый калориметр способен решить поставленную задачу. Активными элементами такого калориметра, расположенными в зоне высоких радиационных полей, являются оптические кварцевые волокна, которые обладают необходимой радиационной стойкостью и не потребуют замены в процессе работы. Кроме того, природа черенковского света, на котором основана работа калориметра, позволяет получить ряд преимуществ по сравнению с калориметрическими технологиями, основанными на ионизации или сцинтилляции. Среди этих преимуществ — очень быстрый и короткий сигнал, а также низкая чувствительность к нейтронам и продуктам радиоактивных распадов. Поэтому группа физиков ИТЭФ предложила международному сотрудничеству использовать черенковский кварцевый калориметр в эксперименте СМS для области углов, близких к направлениям сталкивающихся пучков. Были проведены измерения радиационной стойкости различных типов кварцевых волокон, изготовлен и испытан на пучках частиц высоких энергий полномасштабный прототип калориметра, проведена оптимизация основных параметров передних калориметров CMS. В настоящее время в ЦЕРНе производится сборка этих калориметров.
2. РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ КВАРЦЕВЫХ ВОЛОКОН
Основным достоинством черенковских кварцевых калориметров по сравнению с большинством
10 г
-
Я 8 _
и
е, и 6 -
н _
е л 4 _
ю
а
л с 2 \
О 0
90 ^
и, « н ао ео
70
50 тн 3 ? с ^ ^ а со о а с
30 10
200
300 400 500 600 Длина волны света, нм
700
Рис. 1. Спектры поглощения в кварцевом волокне, облученном до различных доз [2]. Точки: о — без облучения, ★ — после дозы 10 Мрад, * — после дозы 57 Мрад, Д — после дозы 100 Мрад, ▼ — после дозы 680 Мрад, +— после дозы 1000 Мрад. Кривые проведены для визуализации.
других типов калориметров является высокая радиационная стойкость его компонентов, в первую очередь кварцевых волокон. В работе [1] были приведены результаты измерений сигналов с кварцевых волокон различных типов, облучаемых пучком электронов с энергией 2 МэВ в зависимости от поглощенной дозы вплоть до 2.2 Град. Световой сигнал образовывался благодаря черенковскому излучению электронов в волокнах. Было показано, что наибольшей радиационной стойкостью обладают волокна с отражающим слоем, полученным в результате насыщения фтором кварца в отражающем слое волокна.
В работе [2] были исследованы спектры поглощения кварцевых волокон, облученных до доз в 1 Град с помощью радиоактивного источника 60Со. На рис. 1 показана зависимость от длины волны света величины поглощения
в волокне, облученном до различных доз. Здесь А — длина волны света, Ь — длина облученного волокна, !\ и 12 — интенсивности пропускаемого волокном света до и после облучения. Рисунок 1 показывает, что для черенковского кварцевого калориметра рабочим является диапазон длин волн от 400 до 550 нм, поскольку прозрачность кварцевых волокон в области более коротких длин волн теряется при облучении. Подобные зависимости наблюдались для различных типов кварцевых волокон.
Результаты дальнейших исследований радиационной стойкости кварцевых волокон были приведены в работах [3, 4]. Основным отличием результатов работ [3, 4] от работы [2] было измерение спектров поглощения волокон непосредственно во время облучения. Было обнаружено некоторое восстановление прозрачности кварцевых волокон сразу
после облучения, хотя в целом характер спектров поглощения, измеренных во время облучения, остался таким же, как на рис. 1. Зависимость потери прозрачности кварцевых волокон от поглощенной дозы можно аппроксимировать степенной функцией:
А(Б, А) = а(А)Бв(А).
Результаты измерений [3, 4] показали, что кварцевые волокна с новым типом полимерного отражающего покрытия обладают необходимой радиационной стойкостью и имеют значительно меньшую стоимость по сравнению с волокнами, в которых отражающее покрытие достигается допированием кварца фтором.
3. ПРИНЦИП РАБОТЫ КАЛОРИМЕТРА
Черенковский кварцевый калориметр состоит из оптических кварцевых волокон, размещенных в матрице поглотителя. В калориметрах используются оптические волокна с сердцевиной из плавленого кварца диаметром в несколько сотен микрон и отражающим покрытием с меньшим показателем преломления, обеспечивающим распространение света вдоль волокна благодаря полному внутреннему отражению на границе между кварцевой сердцевиной и этим покрытием. Частицы высоких энергий (адроны, электроны, фотоны), попадающие в калориметр, приводят к развитию ливней в веществе калориметра. Заряженные релятивистские частицы этого ливня, проходящие через кварцевые волокна, излучают черенковский свет, часть которого распространяется в волокнах до фотодетекторов и преобразуется в электрический сигнал. Количество черенковских фотонов, излучаемых заряженной частицей, можно вычислить по формуле
в2 N
рИ
вЬвА
= 2паг
вт2
где а — постоянная тонкой структуры, — угол черенковского излучения, А — длина волны света, Ь — длина пути частицы с зарядом з в веществе. Угол излучения черенковского света по отношению к направлению движения излучающей частицы определяется формулой
сов1?с = —
ир
где в = у/с, а и — показатель преломления среды. Для кварца ^ 45° для видимого света и в = 1.
Широкое использование кварцевых калориметров в физике высоких энергий было предложено Городецким [1] ввиду высокой радиационной стойкости кварцевых волокон. В работе [5] приведены результаты измерений сигналов в кварцевых волокнах, возникающих при прохождении через них
Рис. 2. Зависимость величины сигнала в прототипе кварцевого калориметра для электронов с энергией 4 ГэВ от угла в между пучком и направлением кварцевых волокон [6]: точки — результаты измерений, кривая — расчет методом Монте-Карло (Жре — среднее количество фотоэлектронов в сигнале).
под разными углами одиночных заряженных ультрарелятивистских частиц. Максимальный сигнал от одиночной частицы достигается в случае, когда частица пролетает под углом $с относительно оси волокна, поскольку при этом наибольшая часть излученного черенковского света удовлетворяет условию полного внутреннего отражения и распространяется вдоль волокна до фотодетектора. Поэтому, для того чтобы добиться максимального сигнала с кварцевого калориметра (при заданном соотношении масс кварца и поглотителя), следует располагать волокна под углом $с относительно направления падения регистрируемых частиц [1].
Передние калориметры установки CMS будут служить для реконструкции адронных струй, вылетающих под малыми углами к сталкивающимся протонным пучкам, и для измерения (совместно с центральными и торцевыми калориметрами) недостающей поперечной энергии, уносимой частицами, не взаимодействующими в детекторе (нейтрино и, возможно, новые гипотетические частицы). Для этих целей недостаточно измерить суммарную энергию всех частиц, попадающих в калориметр, а необходимо измерение потоков энергии в ячейках калориметра, соответствующих различным полярным и азимутальным углам вылета вторичных частиц. Для обеспечения поперечной сегментации кварцевого калориметра наиболее естественно расположить волокна в поглотителе в направлении, близком к направлению траекторий регистрируемых частиц, и сгруппировать волокна перед фотодетектором в соответствии с требуемой сегментацией. Хотя при таком расположении волокон сбор черенковского света будет меньшим по сравнению с конфиг
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.