ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 46-48
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.2+537.563.22
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КАЛОРИМЕТРОВ
© 2014 г. В. И. Крышкин, В. В. Скворцов
ГНЦ РФ "Институт физики высоких энергий" Россия, 142281, Протвино Московской обл., пл. Науки, 1 E-mail: Victor.Skvortsov@ihep.ru Поступила в редакцию 18.09.2013 г.
Представлены результаты измерения радиационной стойкости материалов толстослойного газового электронного умножителя (т.г.э.у.), рассматриваемого в качестве кандидата на активный элемент калориметра, работающего при высоких радиационных загрузках. Для сравнения измерена радиационная стойкость активного элемента адронного калориметра на основе органического сцинтил-лятора и сбором света переизлучающим волокном. Полученные данные — неизменность сигнала с т.г.э.у. до 5 Мрад при падении почти втрое уровня сигнала со сцинтиллятора — можно рассматривать как качественное указание на возможность использования т.г.э.у. в качестве детектора, работающего при высоких радиационных нагрузках.
DOI: 10.7868/S0032816214030197
ВВЕДЕНИЕ
Установки, работающие при высоких загрузках детекторов, требуют высокой радиационной стойкости аппаратуры. В работе [1] рассмотрена возможность использования в качестве активного элемента калориметра, работающего при высоких радиационных загрузках, толстослойного газового электронного умножителя (т.г.э.у.). Радиационная стойкость газовых детекторов определяется радиационной стойкостью конструктивных материалов и газов, а также процессом старения детекторов при работе в интенсивных радиационных полях. Поэтому в качестве первого шага была измерена радиационная стойкость конструктивных материалов такого детектора. Для сравнения также была измерена радиационная стойкость активного элемента адронного калориметра, используемого в настоящее время в ЦЕРН [2, 3], в котором свет с органического сцинтиллятора собирается переизлучающим волокном.
АКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Детектор на основе т.г.э.у. (рис. 1) изготовлен в ИФВЭ из БЯ-4 — материала, используемого для печатных плат. Катод и анод имеют толщину 0.2 мм и с одной из сторон покрыты медью толщиной 35 мкм. Напряжения на электроды подаются через резистивный делитель.
На рис. 2 показан электрод т.г.э.у., выполненный из стеклотекстолита толщиной 0.5 мм и покрытый медной фольгой толщиной 35 мкм с двух сторон. Электрод имеет форму восьмигранной площадки, в которой просверлены отверстия диаметром 0.3 мм, расположенные гексагонально относительно друг друга с шагом 0.7 мм. Вокруг отверстий вытравлен ободок шириной 100 мкм.
Расстояние между электродами (рис. 3) фиксируется стеклотекстолитовыми пластинами толщиной 3 и 1 мм, склеенными эпоксидной смолой. Форма электродов катода и анода та же, что и для усиливающего электрода. На рис. 4 показана камера в сборе.
Катод Дрейфовый зазор
Т.г.э.у.
Индукционный зазор
Анод
3 мм
11 мм
10 МОм
—.-V Юм <15.1 МОм
Ом 20 МОм
2.5 МОм
Рис. 1. Схема активного элемента на основе т.г.э.у.
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ
47
Прокладки
Внешние рамки
Рис. 3. Разрез активного элемента на основе т.г.э.у. вдоль газовых разъемов.
Рис. 4. Фотография активного элемента адронного калориметра, состоящего из сцинтиллятора и переизлучающего волокна.
Для сравнения также исследовалась радиационная стойкость активного элемента торцевого адронного калориметра CMS, показанного на рис. 4. Элемент представляет собой сцинтиллятор SCSN-81 (производства Kuraray Co. LTD., Japan) трапецеидальной формы толщиной 4 мм, в кото-
Рис. 5. Световыход сцинтиллятора со светосбором переизлучающим волокном в зависимости от дозы облучения (точки на штриховой линии) и изменение отклика т.г.э.у. (1) и сцинтиллятора с переизлучающим волокном (2) после облучения дозой до 5 Мрад.
ром выфрезерована канавка и вставлено переизлучающее волокно типа У11 [4] диаметром 1 мм и длиной 20 см.
ОБЛУЧЕНИЕ
Оба активных элемента облучались одновременно, при этом сцинтилляционный элемент устанавливался после камеры. Облучение проводили дозой до 5 Мрад несколькими источниками 60Со, обеспечивающими равномерное облучение по площади с интенсивностью 2700 рад/мин. Интервал времени между облучением и измерением составлял 3 сут.
ИЗМЕРЕНИЯ
Характеристики активных элементов до и после облучения измерялись в одних и тех же условиях. Камера продувалась смесью Аг + 30%С02. Одновременно с потоком газа на камеру подавалось напряжение —2.84 кВ, устанавливался радиоактивный источник 908г, и измерялся ток с камеры до выхода его на плато. В пределах точности измерений показания с камеры до и после облучения не изменились.
При измерениях со сцинтилляционным элементом переизлучающее волокно просматривалось ФЭУ-85. В центр сцинтиллятора устанавливался радиоактивный источник 908г, и измерялся ток с ф.э.у. при напряжении 1.2 кВ. Измерения показали, что ток после облучения снизился до 34%.
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 4 2014
48
КРЫШКИН, СКВОРЦОВ
На рис. 5 приведена зависимость относительного световыхода сцинтилляционного элемента SCSN-81 размером 10 х 10 см и толщиной 4 мм адронного калориметра CMS от дозы облучения (точки на штриховой кривой). Светосбор осуществлялся переизлучающим волокном BCF-91A (производства Bicron Corporation). На рис. 5 также показано изменение отклика для элемента на основе т.г.э.у. и для сцинтилляционного элемента после облучения дозой до 5 Мрад.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленные результаты измерения радиационной стойкости материалов т.г.э.у. можно рассматривать как качественное указание на то, что он может быть использован в качестве детектора, работающего при высоких радиационных нагрузках.
Отметим, что в качестве материала детектора использовался самый доступный стеклотекстолит. Переход на более радиационно стойкие материалы (при необходимости) практически не увеличит стоимость детектора, поскольку она в основном связана с изготовлением отверстий.
Следующим шагом мы планируем провести измерения старения такого детектора. Для этого монитор на основе т.г.э.у. будет установлен на пучок с интенсивностью ~108 протонов/см2/с и изучены его характеристики во времени.
В заключение авторы выражают глубокую благодарность Г.И. Бритвичу, помощь которого в организации облучения позволила выполнить эту работу.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иньшаков В.И., Крышкин В.И., Скворцов В.В., Сытин А.Н., Кузьмин Н.А., Сычков С.Я. // ПТЭ. 2010. № 2. С. 16. arXiv: 0906.4441.
2. Абрамов В.В., Волков А.А., Гончаров П.И., Зайченко А.А., Кораблев А.В., Корнеев Ю.П., Криницын А.Н., Крышкин В.И., Марков А.А., Талов В.В., Турчанович Л.К.// ПТЭ. 2005. № 1. С. 36.
3. Abramov V.V., Volkov A.A., Goncharov P.I., Zaichenko A.A., Korablev A.V., Korneev Yu.P., Krinitsyn A.N., Kryshkin V.I., Markov A.A., Talov V.V., Turchanovich L.K. // Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 2006. V. 150. P. 110.
4. CMS Collaboration.// CMS TDR 2. CERN/LHCC 97-31. ISBN 92-9083-109-X. P. 531.
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 4 2014
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.