научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЧЕТЧИКОВ ТРИГГЕРНОГО ГОДОСКОПА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТА NA62 Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЧЕТЧИКОВ ТРИГГЕРНОГО ГОДОСКОПА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТА NA62»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 21-28

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

УДК 539.1.074.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЧЕТЧИКОВ ТРИГГЕРНОГО ГОДОСКОПА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТА NA62

© 2015 г. С. А. Холоденко*, А. П. Останков*, В. Д. Самойленко*, В. К. Семенов*, **, А. И. Макаров**, А. А. Худяков**

* ГНЦРФ "Институт физики высоких энергий" НИЦ "Курчатовский институт" Россия, 142281, Протвино Московской обл., пл. Науки, 1 ** Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а E-mail: sergey.kholodenko@ihep.ru Поступила в редакцию 12.03.2014 г. После доработки 05.05.2014 г.

Приведены результаты измерения временного разрешения прототипов счетчиков для нового падо-вого годоскопа заряженных частиц установки NA62. Изучены прототипы сцинтилляционных счетчиков размерами 90 х 90 мм, 100 х 100 мм, 150 х 150 мм, 180 х 100 мм и 270 х 100 мм. Рассмотрены варианты прямого светосбора с грани и с угла сцинтиллятора, а также светосбор с помощью спек-тросмещающего волокна. В качестве фотодетекторов использовались кремниевые фотодиоды производства ЦПТА и SensL, компактный фотоэлектронный умножитель (ф.э.у.) R7400U и в качестве эталонного — ф.э.у. R7899-20 с хорошей квантовой эффективностью в зеленой области света. Измерения проводились на космических мюонах и пучковом гало 21 канала в зоне установки ОКА. Полученное усредненное по площади временное разрешение для ячейки 100 х 100 мм составило 590 ± ± 10 пс при считывании волокнами и 260 ± 25 пс для варианта прямого светосбора с грани сцинтиллятора.

DOI: 10.7868/S003281621501019X

1. ВВЕДЕНИЕ Эксперимент МЛ62 [1] нацелен на изучение

ультраредкого распада К + ^п, особенность которого заключается в том, что он точно рассчитывается в Стандартной модели: БЯ(К + ^ п+vv) =

= 0.781 • 10-10 [2]. Наблюдение этого распада служит хорошей проверкой Стандартной модели и может позволить обнаружить физические процессы за ее рамками. Современное экспериментальное значение бренчинга распада измерено с

недостаточной точностью, БЯ(К + ^ п\у) =

= 1.73-|.о5 ' 10-10 [3], и не позволяет провести точную проверку предсказаний Стандартной модели. В эксперименте МЛ62 планируется достичь 10%-ной точности за три года работы.

Распад К+ ^ п+vv ультраредок, и с экспериментальной точки зрения выделение этого распада представляется весьма сложной задачей не только из-за его чрезвычайной редкости, но также и потому, что в конечном состоянии имеется только одна заряженная частица. Для выделения искомого распада необходимы надежная идентификация положительного пиона и эффективное подавление фоновых событий с испусканием за-

ряженных частиц и фотонов. Среди детекторов установки NA62 важную роль играет сцинтилля-ционный годоскоп, расположенный в конце установки следом за RICH (Ring Image CHerenkov) детектором. Годоскоп планируется использовать как для подавления событий с большой множественностью, включая события с конверсией фотонов на зеркалах RICH-детоктора, так и для подстраховки RICH-детектора в качестве времязада-ющего детектора для однотрековых событий. Чувствительная область годоскопа должна покрывать площадь 02140 мм. С учетом достаточно большого поперечного размера оптимальной для этой цели является "падовая" структура, позволяющая иметь разумную загрузку на канал, <500 кГц, и хорошее временное разрешение при общей планируемой загрузке 10 МГц.

Целью данной работы является исследование нескольких вариантов счетчиков годоскопа с хорошим временным разрешением.

2. ПРОТОТИПЫ СЧЕТЧИКОВ ГОДОСКОПА

Падовая структура годоскопа подразумевает сборку из отдельных сцинтилляционных счетчиков. При выборе возможных геометрических раз-

Таблица 1. Рассмотренные прототипы сцинтилляци-онных счетчиков и варианты светосбора

Сцинтиллятор

Варианты светосбора

Размер, мм Изготовитель, марка с.с.-волокна с грани с угла

90 х 90 ИФВЭ - + -

100х 100 EJ-200 + + +

150х 150 ИФВЭ + + +

150х 150 BC-408 + + +

180 х 100 BC-408 + - -

270 х100 EJ-200 + - -

меров счетчиков необходимо учитывать не только требование хорошего временного разрешения, но также загрузку отдельного счетчика, вероятность попадания двух частиц в один счетчик и необходимое общее число каналов электроники. Рассмотрены сцинтилляторы размерами 90 х 90 х х 20 мм, 100 х 100 х 20 мм, 150 х 150 х 20 мм, 180 х 90 х 20 мм, 270 х 90 х 20 мм.

Сцинтиллятор с квадратным сечением по пучку (90 х 90 мм2, 100 х 100 мм2 и 150 х 150 мм2) допускает организацию светосбора с помощью оптического волокна, а также, в качестве альтернативы, более эффективный прямой светосбор с граней сцинтиллятора. Использование же больших ячеек с прямоугольным профилем (180 х х 100 мм2 и 270 х 100 мм2) позволяет в значительной мере сократить общее число каналов годо-скопа, что может быть реализовано в областях небольшой загрузки — на периферии детектора. При этом считывание осуществляется спектро-смещающими (с.с.) волокнами, расположенными вдоль короткой (100 мм) стороны, что позволяет сохранить хорошее временное разрешение.

Исследуемые образцы изготовлены из сцин-тиллятора ВС-408 [4], имеющего короткое время высвечивания и большую длину затухания, а также его аналогов EJ-200 [5] и производимых в ИФ-ВЭ [6].

2.1. Светосбор при помощи с.с.-волокон

При сборе света с помощью с.с.-волокна в качестве последнего использовалось быстрое волокно BCF-92 [7] 01 мм с временем высвечивания 2.7 нс. Регистрация света осуществлялась

кремниевыми фотоумножителями (Si-ф.э.у.) с чувствительной областью 3 х 3 мм2: CPTA 140-40 [8] и MicroFB-30035 [9]. Размер чувствительной области фотодиода ограничивает число волокон девятью, но позволяет размещать фотоприемник непосредственно в апертуре годоскопа.

В отдельных измерениях использовался фотоумножитель R7899-20 c рабочим диапазоном 185—650 нм и квантовой эффективностью 15% на длине волны 520 нм. Размер этого ф.э.у. не позволяет использовать его в апертуре детектора, поэтому он применялся в качестве эталонного, хотя возможен вариант вывода света прозрачным волокном за апертуру годоскопа.

2.2. Прямой светосбор

Альтернативным вариантом является прямой светосбор. В качестве фотоприемника использовался малогабаритный ф.э.у. R7400U [10] с входным окном 010 мм, а также кремниевый фотоумножитель MicroFB-60035 [9] с чувствительной площадью 6 х 6 мм2.

В табл. 1 представлены рассмотренные прототипы счетчиков годоскопа и варианты светосбора.

2.3. Электроника

Основное требование к годоскопу — хорошее временное разрешение в режиме on line, поэтому во всех измерениях для минимизации зависимости времени срабатывания от амплитуды сигнала (walk-эффекта) использовался дискриминатор постоянной части сигнала с порогом на уровне 0.2 от амплитуды.

2.4. Вычисление собственного временного разрешения

Измеряемый спектр временных интервалов между сигналами времяопределяющего счетчика

и изучаемого прототипа SH описывается гаус-сианом с дисперсией а2:

2 2 2 ст = Сто + Сте

(1)

где , ст 8н — собственные временные разрешения счетчиков и соответственно.

Таким образом, для получения собственного временного разрешения исследуемого счетчика необходимо иметь времяопределяющий счетчик с известным и хорошо измеренным собственным временным разрешением.

2.5. Вычисление числа фотоэлектронов

Для получения числа зарегистрированных фотоэлектронов была проведена калибровка с помощью светодиода и набора нейтральных оптиче-

й тий

ы б о с о л с и

1600

1200

800

400

" (а) ID 804

Entries 101941

[fci Mean 91.28

jft'i RMS 26.45

- J I x2/ndf 146.8/73

f' Constant 1575.0

_ Mean 87.52

- , Sigma 25.64

J | 1 1

200001-

15000

10000 -

5000 -,

103 901196 45.41 20.47

50 100 150 200 Амплитуда, каналы а.ц.п.

50 100 150 200 Амплитуда, каналы а.ц.п.

Рис. 1. Пример амплитудных спектров, полученных при облучении ф.э.у. R7400U (а) и Si-ф.э.у. СРТА 140-40 (б) све-тодиодом.

0

0

120

и

§100

о

п

У 80

ч m о н о

о л с и

60

40

20 -

X2/ndf 4.467/3 A0 —5.8

A1 0.6197

50 100

150 200 250 Каналы а.ц.п.

25

20

15

10

5 -

X2/ndf A0

50 100

3.133/5 -0.1152

150 200 250 Каналы а.ц.п.

0

0

Рис. 2. Калибровочные зависимости числа фотоэлектронов от средней амплитуды сигнала в каналах а.ц.п. для фотоумножителей Я7400и (а) и 81-ф.э.у. СРТА 140-40 (б).

ских светофильтров разной плотности. На рис. 1 представлены примеры амплитудных спектров для фотоумножителя R7400U (рис. 1а) и кремниевого фотоприемника (рис. 1б), полученных при облучении последних светодиодом. В спектре для кремниевого фотоумножителя при небольших амплитудах хорошо видны отдельные фотоэлектронные пики (см. рис. 1б), при больших амплитудах число фотоэлектронов Npe^ определяется соотношением

Npe -(A2 /RMS2, (2)

где (A) — средняя амплитуда за вычетом пьедестала, а RMS — среднеквадратическое отклонение.

Полученные калибровочные кривые (рис. 2а и 2б) хорошо описываются линейной функцией и поз-

воляют переводить измеряемую амплитуду сигнала из каналов а.ц.п. в число фотоэлектронов.

2.6. Стенд для измерений на космических мюонах

Стенд для измерений с космическими мюона-ми состоит из двух реперных сцинтилляционных счетчиков (51, <52) размером 115 х 115 х 15 мм, между которыми располагается исследуемый счетчик Бн. Сигналы с триггерных счетчиков 51 и 52 поступают на дискриминатор постоянной части сигнала, и совпадение сформированных сигналов длительностью 40 нс вырабатывает триггер для запуска временных и амплитудных преобразователей. При этом сформированный сигнал с счетчика 51 задержан на 10 нс относительно сиг-

Рис. 3. Блок-схема триггерной и регистрирующей электроники.

нала со счетчика £2. Таким образом, счетчик является времязадающим. На рис. 3 представлена используемая триггерная схема.

Число событий 104 F

ID 905

Entries 23993

Mean 30.50

RMS 0.5390

26 28 30 32 34 36 38 40

нс

Рис. 4. Временное разрешение системы пучковых счетчиков — временной спектр, полученный при использовании в качестве сигнала Старт сигнал с запускающего счетчика ¿1, а сигналом Стоп служит сигнал счетчика

Временное разрешение aTr пары запускающих счетчиков (рис. 4) составляет 49

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»