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
-е
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.