ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 6, с. 25-29
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.4
ОТКЛИК ГИБРИДНОГО ВАКУУМНОГО ФОТОДЕТЕКТОРА KBA3AP-370G НА ИМПУЛЬСЫ ЧЕРЕНКОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВОЗДУХЕ
© 2012 г. |А. Е. Чудаков, Б. К. Лубсандоржиев, В. А. Полещук
Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а Поступила в редакцию 05.03.2012 г.
Представлены результаты изучения отклика гибридного вакуумного фотодетектора КВАЗАР-З700 на импульс черенковского излучения в воздухе. Показано, что временное разрешение фотодетектора при полной засветке фотокатода импульсом черенковского излучения однофотоэлектронной интенсивности и субнаносекундной длительности составляет <1 нс. При этом эффективность регистрации фотодетектором черенковского излучения равна ~7%.
Изучение первичного космического излучения в области энергий 1014—1017 эВ несомненно является одной из важнейших задач современной физики космических лучей. Это связано как с неясностью природы "излома" спектра первичных космических лучей при энергии ~3 • 1015 эВ [1], так и с вопросами происхождения самих космических лучей — их источников и механизмов ускорения до таких энергий. Кроме того, в области энергий ниже "излома" спектра (1014—1015 эВ) существует разрыв между данными, полученными в результате прямых измерений спектров в спутниковых и баллонных экспериментах, и данными, полученными в наземных экспериментах, регистрирующих широкие атмосферные ливни (ш.а.л.).
Широкоугольные черенковские детекторы ш.а.л. являются на сегодняшний день одними из самых эффективных инструментов для исследования космических лучей в области "излома" спектра. В настоящее время широко обсуждается ряд проектов по созданию установок с энергетическим порогом 20—50 ТэВ, например проект SCORE [2]. Установки с такими низкими энергетическими порогами позволят вести исследования и в гамма-астрономии высоких энергий. Для эффективного понижения энергетического порога в этих детекторах необходимо применять быстрые высокочувствительные фотодетекторы с большой чувствительной площадью.
Фотодетектор КВАЗАР-3700 [3—6], разработанный именно для использования в широкоугольных черенковских детекторах ш.а.л., хорошо, на наш взгляд, подходит для выполнения таких задач и мог бы служить хорошей базой для разработок новых фотодетекторов для экспериментов следующего поколения. Кратко напомним принцип действия фотодетектора КВАЗАР-370G (см. рис. 1). Этот фотодетектор является гибридным вакуумным фотодетектором, в котором
соединены электронно-оптический предусили-тель света с полусферическим фотокатодом (ФК) диаметром 37 см и люминесцентный экран, расположенный непосредственно над фотокатодом (фк) диаметром ~3 см фотоэлектронного умножителя (ф.э.у.) классического типа. Между фотокатодом предусилителя света и люминесцентным экраном приложено высокое напряжение 25 кВ. В этом фотодетекторе люминесцентный экран предусилителя света и фотокатод ф.э.у. являются системой, регистрирующей фотоэлектроны с фотокатода предусилителя света, и, по сути, играют роль первого каскада умножения фотоэлектронов. Лю-
370
Рис. 1. Фотодетектор ^A3AP-370G.
Рис. 2. Функциональная схема измерительного стенда. К1? К2 — светонепроницаемые контейнеры; ЧР — радиатор че-ренковского излучения; ОП — светоотражающее покрытие; СЦ — пластиковый сцинтиллятор; ФЭУ^, ФЭУ2 — быстродействующие фотоумножители Photonis XP2020; ц — возможная траектория мюона; У — усилитель импульсов; Д1 —Д3 — дискриминаторы импульсов LeCroy 621AL; ЛБ — логический блок; СС — схема совпадений; ВП — блок выбора первого из сработавших фотоумножителей; ЛЗ — линия задержки; ЗЦП — зарядоцифровой преобразователь; ВЦП — времяцифровой преобразователь; КК — крейт-контроллер КАМАК LeCroy 8901A; ПК — персональный компьютер Apple Macintosh.
минесцентный экран представляет собой тонкий слой неорганического сцинтиллятора Y2SiO5:Ce + + BaF2 [7, 8], покрытого алюминиевой пленкой для предотвращения обратной оптической связи и увеличения световыхода экрана. В результате, фотоэлектрон с фотокатода предусилителя света, ускоренный до энергии 25 кэВ, производит в среднем 20—25 фотоэлектронов в ф.э.у. Такая конструкция фотодетектора позволяет достичь высоких значений амплитудного и временного разрешений.
Фотодетектор KBA3AP-370G успешно применяется в ряде космомикрофизических экспериментов — в детекторе ТУНКА [9—12], специализированном наледном черенковском детекторе ш.а.л. на озере Байкал [13, 14] и черенковском детекторе QUEST [15] в национальной лаборатории Гран Сассо в Италии.
Фронт черенковского излучения ш.а.л. с хорошей точностью аппроксимируется плоскостью [16, 17], т.е. можно считать, что индивидуальные фотодетекторы в оптических модулях черенков-ских детекторов ш.а.л. засвечиваются практически плоской световой волной. Временные и амплитудные отклики фотодетекторов используются для восстановления параметров зарегистрированных ливней. Поэтому необходимо знать характеристики временного и амплитудного откликов фотодетектора КВАЗАР-З700 на субнаносекундные импульсы черенковского излучения в воздухе. Исследования отклика фотодетектора проводились с помощью измерительного стенда, функциональная схема которого представлена на рис. 2.
Исследуемый фотодетектор КВАЗАР-3700 размещается в отдельном светонепроницаемом контейнере К1 и фиксируется в вертикальном положении с фотокатодом, ориентированным вниз.
ОТКЛИК ГИБРИДНОГО ВАКУУМНОГО ФОТОДЕТЕКТОРА
27
На дне контейнера закреплена пластина радиатора черенковского излучения из органического стекла ЧР размерами 50 х 50 см и толщиной 0.7 см. Все стороны пластины отполированы. На сторону, соприкасающуюся с дном контейнера, и боковые стороны пластины нанесено светоотражающее покрытие ОП с высоким коэффициентом отражения. Расстояние между пластиной и фотодетектором составляет ~50 см. Для подавления отражения света внутренние поверхности контейнера оклеены черной бархатной тканью. Вся описанная геометрия была подобрана таким образом, чтобы уровень засветки фотокатода фотодетектора КВАЗАР-370 черенковским светом от радиатора был преимущественно однофотоэлектронным для определения временного разрешения фотодетектора. В этом же контейнере размещается источник высоковольтного напряжения питания 25 кВ для предусилителя света фотодетектора.
В другом светонепроницаемом контейнере К2, расположенном непосредственно под контейнером К1 с исследуемым фотодетектором, устанавливаются два быстродействующих фотоумножителя ФЭУ1 и ФЭУ2 (РИоЬ^ ХР2020) и пластиковый сцинтиллятор СЦ на основе полистирола размером 20 х 20 х З см, как показано на рис. 2. Сцинтиллятор СЦ располагается непосредственно под радиатором черенковского излучения. Все стороны сцинтиллятора, кроме стороны, обращенной к фотоумножителям ФЭУ1 и ФЭУ2, также покрыты светоотражающим покрытием ОП. Расстояние между сцинтиллятором и фотоумножителями ~30 см. Еще раз подчеркнем, что контейнер с фотодетектором КВАЗАР-3700 и радиатором черенковского излучения и контейнер с пластиковым сцинтиллятором и фотоумножителями ФЭУ1 и ФЭУ2 оптически полностью изолированы. Анодные сигналы ФЭУ1 и ФЭУ2 поступают на входы дискриминаторов Д1 и Д2 ^еСгоу 621АЦ), выходные сигналы которых подаются на входы логического блока ЛБ, включающего в себя схему совпадений СС и электронную систему выбора первого сработавшего фотоумножителя ВП. Пороги срабатывания дискриминаторов Д1 и Д2 равны 0.22А, где А — средняя амплитуда отклика фотоумножителей ФЭУ1 и ФЭУ2 на прохождение мюона через сцинтиллятор СЦ. Такой уровень дискриминации сигналов позволяет существенно подавить влияние радиоактивности при высокой эффективности регистрации мюонов (~95%). Мю-оны, пересекающие радиатор и пластиковый сцинтиллятор, вызывают срабатывание фотоумножителей в нижнем контейнере и приводят к появлению триггерного сигнала. Выходной сигнал схемы совпадений используется в качестве стробирующего сигнала Строб для зарядоцифрового преобразователя ЗЦПи сигнала Старт для времяцифрово-го преобразователя ВЦП. На вход ЗЦП подается
прошедший через кабельную линию задержки ЛЗ анодный сигнал фотодетектора KBAЗAР-370G. Сигнал Стоп ВЦП формируется дискриминатором Д3 (LeCroy 621AL) от анодного сигнала фотодетектора KBAЗAР-370G, усиленного быстродействующим импульсным усилителем У (LeCroy 612AM). В качестве зарядоцифрового преобразователя используется блок LeCroy 2249A. Время-цифровой преобразователь ВЦП выполнен на основе интегральной микросхемы преобразователя заряд-время КР1101ЦД1 [18]. Шаг ВЦП составляет 100 пс, а максимальный диапазон корректно измеряемых временных интервалов — 21 нс. Все электронные блоки выполнены в стандарте КАМАК и работают под управлением персонального компьютера ПК Apple Macintosh с помощью крейт-контроллера LeCroy 8901А.
Уровень дискриминации выходных сигналов фотодетектора KBAЗAР-370G соответствует ~0.25qb где q1 — средний заряд однофотоэлектронных импульсов ф.э.у., входящего в состав фотодетектора KBAЗAР-370G. В измерениях для простоты использовался обычный интегральный дискриминатор с фиксированным порогом. Скорость счета импульсов темнового тока фотодетектора при данном уровне дискриминации сигналов довольно высока и составляет ~5 • 104 с-1 и обусловлена, в основном, световым фоном от послесвечения сцинтиллятора в люминесцентном экране фотодетектора. Следует отметить, что с большей точностью отметка времени срабатывания фотодетектора КВАЗАР-370G вырабатывается более сложной двухплечевой дискриминаторной системой со стробированием [19, 20], которая к тому же позволяет существенно подавить и скорость счета темнового тока фотодетектора.
Разброс времени появления сигнала Старт относительно момента прохождения мюона измерялся в отдельном эксперименте с использованием дополнительного быстродействующего фотоумножителя Photonis XP3112B, соединенного непосредственно с пластиковым сцинтиллятором оптической смазкой BC-630. Применение логического блока с выбором первого из сработавших ф.э.у. позволяет уменьшить величину разброса до ~300 пс, что не вносит какого-либо заметного вклада в измерения временн
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.