ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 4, с. 37-42
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.3
АДРОННЫЕ КАЛОРИМЕТРЫ УСТАНОВКИ ФОДС
© 2010 г. А. А. Волков, А. Ю. Калинин, А. В. Кораблёв, А. Н. Криницын, В. И. Крышкин,
В. В. Скворцов, В. В. Талов, Л. К. Турчанович
ГНЦРФ "Институт физики высоких энергий " Россия, 142281, Протвино Московской обл., ул. Победы, 1 Поступила в редакцию 1.12.2009 г.
Описываются конструкция адронных калориметров установки ФОДС и процедура их калибровки и приводятся результаты исследования их характеристик на электронных и адронных пучках.
1. ВВЕДЕНИЕ
Для исследования образования частиц с большими поперечными импульсами в адрон-адрон-ных взаимодействиях при энергии 70 ГэВ создана установка — фокусирующий двухплечевой спектрометр ФОДС-2 [1], в триггере которого участвуют ад-ронные калориметры. За время эксплуатации установки (~20 лет) световыход сцинтиллятора калориметра и эффективность переизлучения оптического волокна упали ниже допустимого уровня. Поэтому активные элементы калориметра были заменены, оставив прежней конструкцию поглотителя.
2. КОНСТРУКЦИЯ КАЛОРИМЕТРА
Поглотитель адронного калориметра изготовлен из стали (рис. 1) и состоит из 38 необработанных листов толщиной 25 мм, приваренных сверху и снизу к пластинам для фиксации положения. Расстояние между листами 9 мм.
Поглотитель с одной стороны закрыт тонким металлическим листом для светоизоляции, а с другой имеет двустворчатую дверь для доступа к активным элементам. Поглотитель установлен на платформу, двигающуюся по рельсам с помощью электропривода. Общий вес калориметра ~16 т.
Структура первоначальных активных элементов основывалась на принципе, изложенном в [2], и предусматривала измерение суммарного сигнала для выработки триггера и одновременно башенную структуру для измерения координаты и энергии частицы.
Как показано на рис. 2, экструдированный сцинтиллятор длиной 100 см имел по краям вдоль длинной стороны уступ, в который вкладывалось оптическое волокно 01 мм с переизлучателем длиной 20 см. Один конец волокна покрывался алюминием, а другой склеивался в стеклянной трубке с прозрачным волокном. Сцинтиллятор был обернут алюминизированным майларом. Во-
локна с одной стороны сцинтиллятора группировались в соответствующие башни (5 башен по горизонтали и 10 рядов по высоте), а все волокна с другой стороны объединялись на фотокатоде фотоэлектронного умножителя (ф.э.у.) ХР-2041 для выработки быстрого сигнала триггера. Пять волокон с одной грани для выработки триггера использовались для уменьшения неоднородности свето-сбора, поскольку прозрачность волокна была невысока. В башнях использовались ФЭУ-84-3.
На рис. 3 показана разводка волокон для одного слоя. На два калориметра потребовалось около
Рис. 1. Структура поглотителя адронного калориметра.
Рис. 2. Активный элемент адронного калориметра.
15 км оптического волокна, которое было изготовлено в НИИ "Полимер" Горьковской области.
Для физической программы ФОДС-2 информация с башен калориметра при измерении импульса и траектории заряженной частицы оказалась невостребованной. Поэтому при модернизации калориметров был разработан новый оптический элемент, основанный на литьевом сцинтилляторе и использовании оптического волокна с высокой
Рис. 3. Структура калориметра. Показаны оптические волокна для одного слоя.
прозрачностью и эффективностью переизлучения, что позволило сократить общее количество волокна.
На рис. 4 показан оптический элемент, состоящий из 5 сцинтилляторов размером 192.5 х 194 х х 3.4 мм. Посередине сцинтиллятора имеется канавка глубиной 1.2 и шириной 1.1 мм со скругленным дном, куда вкладывалось оптическое волокно с переизлучателем У11 [3] диаметром 1 мм и длиной 2.3 м. Торцы волокна фрезеровались алмазной фрезой, и один торец покрывался алюминием. Сцинтилляторы с волокном оборачивались светоотражающей пленкой Тууек [4], которая одновременно создавала дополнительную жесткость элемента.
Однородность светосбора элемента исследовалась с помощью коллимированного радиоактивного источника по регистрации тока с ФЭУ-85, имеющего контакт с торцом волокна. На рис. 5а приведена зависимость сигнала от положения радиоактивного источника на сцинтилляторе в поперечном направлении. Для уменьшения неоднородности изучались различные варианты корректировки светосбора: зависимость 1 соответствует варианту без корректирующих элементов, 2 — варианту, когда на сцинтиллятор под канавкой приклеивалась черная полимерная лента шириной 4 мм, а 3 — окончательно выбранному, исходя из простоты реализации и долговременной стабильности. При этом для каждого сцинтиллятора под канавкой на отражающую пленку наносилась черная полоса, а для улучшения продольной однородности элемента ширина ее увеличивалась от дальнего к ближнему к ф.э.у. сцинтиллятору с 3 до 6 мм.
А-А
'"//у
Щ
ш
Волокно
Сцинтиллятор
962.5
А
А
192.5
Волокно
к ФЭУ-110
Сцинтиллятор
Рис. 4. Новый активный элемент адронного калориметра.
Окончательная корректировка продольной однородности проводилась нанесением на отражающую пленку черной полосы шириной 0.5 и 0.3 мм напротив боковых торцов ближайшего к ф.э.у. и следующего за ним сцинтилляторов соответственно. На рис. 5б показана продольная однородность элемента для выбранного варианта светосбора. При измерениях коллиматор с радиоактивным источником двигался параллельно волокну на расстоянии 2 см от края сцинтилляторов. На границе между сцинтилляторами происходит падение сигнала, которое трудно исправить с помощью маски. Окончательный вариант оптического элемента имеет равномерность светосбора по площади не хуже 7% (среднеквадратичное отклонение).
Для модернизации калориметров ФОДС в ИФВЭ была спроектирована литьевая форма и изготовлено более 3000 сцинтилляторов. Собранные из них активные элементы изучались на стенде с радиоактивным источником и оптимизировались по световыходу. Отобранные 560 элементов были разбиты на 2 группы и установлены в поглотители калориметров (рис. 6). В каждом калориметре все оптические волокна объединены в одну сборку диаметром около 18 мм, которая совмещалась с участком фотокатода ФЭУ-110, где его чувствительность была не ниже 95% от максимальной. Сигнал с анода ф.э.у. через линейный разветвитель подавался на вход аналого-цифрового преобразователя и на дискриминатор для выработки триггерного сигнала на энергию выше заданного порога.
Такая конструкция имеет высокое быстродействие при выработке триггера и простую систему калибровки. Для отслеживания нестабильности усиления свет от светодиода, излучающего в зеленой области спектра, по оптическому волокну подавался на фотокатод ф.э.у. калориметра.
Заполнены были 28 слоев поглотителя из 37. Это соответствует 4 ядерным длинам и 95% поглощения энергии адрона с импульсом 10 ГэВ/с. Итоговая неравномерность отклика калориметра
по объему не превышает 10%. Энергетическое разрешение калориметра не является важным фактором, поскольку перед калориметрами установлены спектрометры колец черенковского излучения, содержащие довольно много вещества (от 0.2 до 0.6 ядерных длин поглощения в апертуре диаметром около 1 м).
3. КАЛИБРОВКА КАЛОРИМЕТРА
Калибровка проводилась на вторичном пучке отрицательно заряженных частиц (10, 20, 30 ГэВ), пучке протонов (50 ГэВ) и пучке электронов (10 и 20 ГэВ). Калориметр устанавливался на оси пучка (рис. 7), а магнит поворачивался так, что пучок
I, отн. ед. 160
140
120
100
80
60
40
20
0 100
80
60
40
0 20 40 60
Ь, см
80
100
Рис. 5. Зависимость сигнала от положения радиоактивного источника в поперечном (а) и продольном (б) направлениях.
Рис. 6. Внешний вид адронного калориметра с открытыми боковыми крышками.
проходил через апертуру одного из плеч. Триггером являлись совпадения счетчиков ^^^^ и для выделения мюонов —
Сигнал с ф.э.у. калориметра подавался на вход аналого-цифрового преобразователя. Время интегрирования сигнала 100 нс. На рис. 8а приведено распределение амплитуд для мюонного триггера. Описывая левый склон спектра распределением Гаусса, можно оценить число зарегистрированных фотоэлектронов. Для данного распределения оно равно 20.
На рис. 8б—8г приведены амплитудные распределения при регистрации адронов и электронов (пучки с примесью мюонов). При импульсе адронов 10 ГэВ/с энергетическое разрешение калориметра равно 21.5% и соответствует, в основном, вкладу сэмплинга. При увеличении энергии адрона увеличивается асимметрия распределения, что связано с ростом утечек для адронного ливня. Для электронов форма распределений симметрична, энергетическое разрешение равно 14 и 10% для 10 и 20 ГэВ соответственно. Амплитуда сигнала от мюона в калориметре соответствует энергии 1.32 ГэВ/с.
Железный поглотитель
Рис. 7. Схема калибровки калориметра. — сцинтилляционные счетчики.
Рис. 8. Амплитудные спектры сигналов с адронного калориметра: а — для мюонного триггера (пьедестал указан стрелкой); б, в — для частиц вторичного пучка с импульсом 30 и 10 ГэВ/с соответственно; г — для пучка электронов с импульсом 10 ГэВ/с.
А, отн. ед 5000
4000 3000 2000 1000
0
50 60
E, ГэВ
Рис. 9. Отклик калориметра в зависимости от энергии адронов.
Отношение е/h для калориметра равно 1.04 (e и h — амплитуда в максимуме распределения соответственно для электронов и адронов одинаковой энергии).
На рис. 9 показан отклик калориметра для адронных ливней в зависимости от энергии пучка.
По вертикальной оси отложена амплитуда в максимуме распределения.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для выработки триггера на энерговыделение реконструированы адронные калориметры, в которых свет со сцинтилляторов собирается переизлучающими волокнами на один фотоэлектронный умножитель. Калориметры отличаются простотой конструкции, легкостью калибровки и быстротой выработки триггера. Отклик калориметра линеен в диапазоне энергий частиц, регистрируемых на установке ФОДС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамов В.В., Алексеев А.В., Балдин Б.Ю. и др. // ПТЭ. 1992. № 6. С. 75.
2. Бузулуцков А.Ф., Гуржиев А.Н., Крышкин В.И. и др. // ПТЭ. 1993. № 4. С. 55.
3. Kuraray Co., LTD. Methacrylic Resin Division. Scintillati
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.