ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2011, том 74, № 5, с. 809-813
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
МАТРИЧНЫЕ ГОДОСКОПЫ ДЛЯ УСТАНОВОК ОКА (ПРОТВИНО)
И NA62 (SPS, CERN)
© 2011 г. Е. Н. Гущин1), В. Ф. Куршецов2), В. А. Лебедев^, В. И. Романовский2), В. К. Семёнов2), С. Н. Филиппов2), А. А. Худяков1)*
Поступила в редакцию 10.02.2010 г.; после доработки 01.12.2010 г.
Описаны матричный годоскоп экспериментальной установки ОКА и прототип годоскопа для эксперимента NA62, представлены конструкции обоих годоскопов. Описаны требования к прототипу годоскопа и представлены результаты измерения эффективности и временного разрешения, полученные из экспериментальных данных.
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. Установка ОКА
Установка ОКА [1,2] предназначена для прецизионного измерения параметров редких распадов каонов с вероятностью в диапазоне 10_3—10_8. На установке используется сепарированный пучок K + -мезонов с импульсом 12.7 ГэВ/с и интенсивностью (4—6) х 106 K+-мезонов за сброс.
Схема установки приведена на рис. 1. В ее состав входят сцинтилляционные счетчики (S), пропорциональные камеры пучкового спектрометра (BPC), газовые черенковские счетчики (С1;2) для идентификации первичных каонов, распадный объем длиной 11 м с охранной системой, широко-апертурный магнитный спектрометр с пропорциональными камерами (PC), дрейфовыми трубками (DT) и строу-детекторами (ST), двухсекционный многоканальный 7-спектрометр (GAMS-EGS и GAMS-2000), адронный калориметр полного поглощения (GDA-100), матричный годоскоп (MH) и мюонные детекторы (MC).
1.2. Установка NA62
Основной целью экспериментальной установки NA62 [3] является измерение вероятности ультраредкого распада K + ^ n+vv. Это позволит с высокой точностью проверить предсказания стандартной модели. Установка использует несепари-рованный пучок высокой интенсивности, 3.3 х 1012 протонов за сброс, с импульсом 75 ГэВ/с.
Схема установки приведена на рис. 2. В состав установки входят пучковый спектрометр
'-'Институт ядерных исследований РАН, Москва.
2)Институт физики высоких энергий, Протвино, Россия.
E-mail: aleksey.khudyakov@cern.ch
GIGATRACKER, вакуумированный распадный объем длиной 80 м, дифференциальный черен-ковский счетчик CEDAR для идентификации первичных каонов и RICH для идентификации пионов, импульсный спектрометр, использующий строу-детекторы, жидко-криптоновый калориметр (LKr) и мюонные детекторы (MuV).
2. МАТРИЧНЫЙ ГОДОСКОП УСТАНОВКИ ОКА
Матричный годоскоп установлен непосредственно перед электромагнитным калориметром. На схеме установки (рис. 1) они обозначены MH и GAMS-2000 соответственно. Годоскоп служит для решения следующих задач.
Во-первых, он предназначен для разрешения XY-неопределенности, так как падовый годоскоп однозначно определяет координату частицы и установка не содержит наклонных камер.
Вторая задача годоскопа — временная привязка треков, что позволяет отбрасывать треки, связанные со случайными совпадениями.
Кроме того, годоскоп может вырабатывать триггер на множественность — количество сработавших падов. Это позволяет выделять распады с одной и тремя заряженными частицами в конечном состоянии.
2.1. Устройство годоскопа
Годоскоп состоит из четырех квадрантов по 8 х х 8 падов каждый. Ближайший к пучку угловой пад заменен на сборку из 3 х 3 падов, один из которых отсутствует для прохождения пучка. Схема расположения падов для одного квадранта приведена на рис. 3.
й £
и
•о и SC <N и оо PQ и Рч PQ
Рис. 1. Схема установки ОКА.
м
-2
Мишень
TAX
ANTI 1-12
Achromat 1
GIGATRACKER
ANTI 0
HAC
MuV
К
IRC
i f fr +
Straw Chambers
t
LKr
Железо
50 100 150
Рис. 2. Схема установки NA62.
200
250 Z, м
2
1
0
0
956 мм
Рис. 4. Сцинтилляционный пад. В центре пада закреплен УФ-фотодиод.
Рис. 3. Схема одного квадранта матричного годоскопа установки ОКА.
Каждый сцинтилляционный пад имеет форму параллелепипеда размером 120 х 120 мм и толщиной 15 мм. Светосбор осуществляется при помощи спектросмещающего волокна Y11(250)-MSJ (Kuгaгay) диаметром 1 мм, проложенного в круго-
вой канавке и делающего в ней 3.5 оборота. Для улучшения оптического контакта волокно вклеено в канавку клеем BC-600 (Bicron). Кроме того, каждый пад обернут в светоотражающее покрытие TYVEK для увеличения светосбора. Фотография сцинтилляционного пада приведена на рис. 4.
Сцинтилляционный свет регистрируется при помощи лавинных фотодиодов (APD). Они обла-
МАТРИЧНЫЕ ГОДОСКОПЫ ДЛЯ УСТАНОВОК
811
Число событий 60 50 40 30 20 10
jzEL
0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00
Эффективность
Рис. 5. Распределение эффективности падов матричного годоскопа. Сплошная гистограмма — распределение эффективности, определяемой по одному паду, штриховая — по всему годосокопу.
Число событий 80
60 -
40 -
20 -
215 225 235 245 255
Время прихода сигнала, нс
Рис. 6. Распределение времени прихода сигнала от годоскопа.
0
дают малыми размерами и не требуют для работы высокого напряжения. Это позволило разместить APD непосредственно на сцинтилляционных па-дах. Внутреннее усиление APD составляет порядка 106, что позволяет использовать их без дополнительного усиления [4].
Электроника, вырабатывающая триггер на множественность, смонтирована непосредственно на детекторе.
2.2. Эффективность годоскопа
Эффективность матричного годоскопа определялась по данным, набранным в апрельском сеансе 2009 г. Для этого отбирались однотрековые события. Их можно восстановить без использования матричного годоскопа. Эффективность па-да определялась следующим образом: отбирались события, для которых реконструированный трек указывал в пад, и делались две оценки — отношения числа срабатываний пада к числу событий и отношения событий, где есть хотя бы одно срабатывание в годоскопе, к их общему числу.
Первая оценка является заниженной: даже если трек указывает в пад, на самом деле частица могла пройти мимо пада. Такие события дают вклад в неэффективность. Вторая оценка является завышенной, так как случайные срабатывания в других падах могут маскировать неэффективность.
Распределение падов по эффективности, определенной двумя методами, приведено на рис. 5. Истинная эффективность лежит между двумя оценками и превышает 95%.
Рис. 7. Фотография годоскопа в процессе сборки.
2.3. Временное разрешение
На рис. 6 приведено распределение для времени прихода сигнала от матричного годоскопа. По оси абсцисс отложены номера каналов регистра с циклической памятью. Одно деление составляет 0.9 нс. Определенное таким образом временное разрешение составляет at = 1.8 нс.
2.4. Результаты
Годоскоп успешно работал в апрельском и ноябрьском сеансах 2009 г. Полученные данные использовались для реконструкции многотрековых событий. В ноябрьском сеансе был успешно испытан триггер на количество вторичных заряженных частиц.
3. МЮОННЫЙ ГОДОСКОП УСТАНОВКИ NA62
Мюонный годоскоп (далее MuV — Muon Veto) входит в триггеры нулевого уровня и служит для
ли Номер пада
1* 2* 3 4* 5* 6
21288 1.931 1.293 1.712 1.433 1.161 1.762
21290 1.811 1.162 1.813 1.533 1.172 1.741
21292 1.771 1.242 1.803 1.993 1.182 1.741
21298 1.761 1.251 1.692 1.522 1.242 1.731
-15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 50 55
Рис. 8. Схема годоскопа. Пады обозначены разными оттенками серого. Промежутки между падами показаны исключительно для иллюстративности, в действительности пады полностью перекрываются. Показан светосбор с двух падов. В области оптического контакта световоды показаны сплошными линиями, там, где они светоизолированы от сцинтиллятора, — штриховыми.
подавления мюонов от распада К + ^ /л+и ^г & & 63%). Поскольку установка работает с пучком сверхвысокой интенсивности, годоскоп должен обладать высоким временным разрешением нс) для минимизации мертвого времени установки. Эффективность регистрации мюонов должна превышать 99% для подавления мюонного фона более чем в 100 раз.
Годоскоп состоит из четырех квадрантов. Был изготовлен и испытан на пучке прототип мюонного годоскопа, состоящий из одного квадранта. На рис. 7 приведена фотография годоскопа в процессе сборки.
Каждый квадрант состоит из девяти падов неравного размера. Каждый пад состоит из двух слоев сцинтилляционных пластин размером 200 х х 200 мм. Вблизи пучка пады имеют размер 400 х х 400 мм или 2 х 2 пластины. Периферийные пады
Временное разрешение мюонного годоскопа (в нс), измеренное для различных ФЭУ
I
8.5 99.2 99.5 99.8 99.8 99.9
I
97.6 98.9 99.1 99.6 99.7 99.7
97.4 98.0 99.4 99.6 99.9 99.8
96.7 97.4 98.1 99.5 99.8 99.8
I
95.6 97.3 97.9 99.8 99.4 99.8
I
Примечание. Звездочка у номера пада означает, что световоды были вклеены в сцинтиллятор. Индексы соответствуют следующим типам используемых ФЭУ: 1 — ФЭУ-85, 2 — Hamamatsu-R7899-20, 3 - ФЭУ-115М.
0 10 20 30 40 50 60
Рис. 9. Эффективность мюонного годоскопа. Затемнена область перекрытия запускающих стрипов. Штриховые линии — границы падов годоскопа.
имеют больший размер — 400 х 600 и 600 х 600 мм (2 х 3 и 3 х 3 пластины соответственно), так как загрузка вдали от пучка меньше. Схема годоскопа приведена на рис. 8. Пады выделены разными оттенками серого.
В каждой сцинтилляционной пластине сделано восемь параллельных канавок, в которые проложено спектросмещающее волокно. В пределах одного пада оно находится в световом контакте с сцинтиллятором, после чего выводится над светоотражающим покрытием. Все волокна с одного пада собираются на один ФЭУ.
На схеме (рис. 8) световоды показаны сплошными линиями, штриховыми линиями обозначена область, где они светоизолированы от сцинтилля-тора.
3.1. Эффективность Mu V
Для выделения мюонов использовался стрипо-вый мюонный годоскоп установки, оставшийся от установки NA48/2. Две его плоскости с взаимно перпендикулярными стрипами расположены перед и за ЖоУ. Из одной плоскости использовались два стрипа, из другой — три. Область их перекрытия целиком лежит внутри ЖоУ.
На рис. 9 область перекрытия стрипов показана серым квадратом, границы между падами ЖыУ — штриховыми линиями. Для определения эффективности использовались только однотрековые события. Числа на рисунке — эффективность годоскопа в процентах в зависимости от координаты час
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.