ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 1, с. 5-13
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 524.1-352
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИЛЕТА ЧАСТИЦ В "РАСШИРЕННОЙ" АПЕРТУРЕ ПРИБОРА ПАМЕЛА С ПОМОЩЬЮ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО КАЛОРИМЕТРА © 2013 г. С. В. Борисов*, С. А. Воронов, А. М. Гальпер, А. В. Карелин
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 *Engineering Faculty, Bar-Ilan University Ramat Gan 52900, Israel Поступила в редакцию 03.02.2012 г. После доработки 02.05.2012 г.
В рамках эксперимента ПАМЕЛА разработан метод восстановления трека и направления проходящей через детектор частицы с помощью позиционно-чувствительного калориметра. Для расширения стандартной апертуры прибора, определяемой геометрическими размерами магнитного спектрометра, реализуется триггер для частиц, пересекающих под большими углами позиционно-чув-ствительный калориметр и не попадающих в чувствительную часть магнитного спектрометра. Использование данного метода позволит не только осуществить измерение пространственной анизотропии космических лучей, но и обеспечить разделение электронной и протонной компонент и изучение их энергетических спектров.
DOI: 10.7868/S00131332816213010059
1. ВВЕДЕНИЕ
В современном космофизическом эксперименте при изучении потоков космических лучей и у-квантов одной из актуальных задач остается определение их траектории в приборе. Восстановленная траектория первичной частицы в приборе помогает идентифицировать тип частицы и измерить ее энергию. Определение направления ее прилета в космическом пространстве служит одновременно как для идентификации источника частиц (у-кванты, космические лучи высоких энергий), так и для определения зарядового состава потоков частиц по их отклонению в магнитном поле Земли.
В данной работе на примере калориметрических измерений в спутниковом эксперименте ПАМЕЛА рассматривается методика восстановления направления прилета частиц внутри калориметра.
Экспериментальный комплекс ПАМЕЛА [1] в составе космического аппарата "Ресурс ДК1" был выведен на орбиту Земли в июне 2006 года и находится там в активном состоянии по сегодняшний день. Орбита спутника эллиптическая и полярная с наклонением 70.4°. Основная задача эксперимента ПАМЕЛА — изучение состава и энергетических спектров частиц космического излучения в широком диапазоне энергий в околоземном космическом пространстве.
Прибор ПАМЕЛА (рис. 1) состоит из нескольких специализированных детекторов: магнитного спектрометра с системой координатных кремниевых детекторов, системы времени пролета с тре-
Калориметр C4 _
III
Рис. 1. Общий вид спектрометра ПАМЕЛА. С^—С3 — сцинтилляционные счетчики. Пунктирной линией показана основная апертура.
ÁR, ГВ
103
102 101 100
10-
—I_I_I_I_
102
103 R, ГВ
Рис. 2. Зависимость погрешности измерения жесткости АЯ магнитным спектрометром от жесткости Я, полученная в тестовом эксперименте на ускорителе на пучках протонов. Пунктирная линия соответствует случаю АЯ = Я.
мя двойными плоскостями сцинтилляторов, системы антисовпадений, детектора нейтронов, нижнего ливневого сцинтилляционного детектора и электромагнитного калориметра. Геометрический фактор для высокоэнергичных частиц (>1 ГэВ), проходящих сквозь чувствительный объем магнитного спектрометра, равен 21.6 см2 • ср, что соответствует угловой апертуре 19° х 16°. Мертвое время прибора составляет 5 мс для одиночной частицы. Габариты прибора 123 х 89 х 91 см.
Одной из возможностей прибора является расширение угловой апертуры с помощью позици-онно-чувствительного калориметра, что позволяет существенно увеличить статистику. Как показал опыт, возможно восстановление трека частиц с углом до ~70°, что увеличивает апертуру почти в ~30 раз
2. ОПИСАНИЕ ДЕТЕКТОРОВ
Магнитный спектрометр содержит шесть плоскостей микростриповых кремниевых детекторов, которые позволяют определять знак заряда и жесткость частицы. Точность измерения координат магнитным спектрометром составляет 4 и 15 мкм в проекциях X и У соответственно. Разрешение по жесткости (см. рис. 2) ухудшается с ростом энергии. Максимально детектируемая жесткость, определяемая характеристиками магнита и кремниевых детекторов, составляет порядка нескольких сотен гигаэлектронвольт для антича-
Рис. 3. Позиционно-чувствительный калориметр.
стиц (позитронов, антипротонов) и 1 ТэВ для протонов и электронов. Таким образом, магнитный спектрометр обеспечивает идентификацию типа частиц космических лучей и определение их жесткости в диапазоне энергий <1 ТэВ. Для расширения измеряемого энергетического диапазона в область до 15 ТэВ используются данные калориметра.
Времяпролетная система состоит из трех парных сцинтилляционных плоскостей (счетчики С1—С3). Она предназначена для выработки главного триггера, отбора частиц, приходящих в основной апертуре прибора, и измерения скорости пролета частиц. Кроме того, система участвует в определении заряда путем измерения ионизационных потерь в сцинтилляторах. Разрешающее время времяпролетной системы порядка 300 пкс.
Стриповый многослойный электромагнитный калориметр толщиной 17 радиационных длин (0.6 ядерной длины взаимодействия) идентифицирует тип частицы, измеряет энерговыделение, а также позволяет определять направление проходящей через прибор частицы. Калориметр [2] (рис. 3) состоит из 22-х (х, у)-слоев кремниевых стриповых детекторов, между которыми расположены 22 пластины вольфрама толщиной 2.3 мм каждая ^ = 74, А = 183.85, р = 18.1 г/см3, Х0 = 0.3735 см). Один слой содержит 96 стрипов с шагом 2.2 мм. Амплитуда с каждого стрипа оцифровывается 16-битным а.ц.п. Энергетическое разрешение калориметра для электронов улучшается с ростом энергии вплоть до нескольких сотен гигаэлектронвольт, однако при более высоких энергиях начинают сказываться утечки ливня из калориметра и насыщения стрипов (см. рис. 4). Энергетическое разрешение калориметра для протонов и ядер гелия хуже 40%.
Нижний сцинтилляционный ливневый детектор
С4 регистрирует долю энергии ливней, уносимой частицами каскада, выходящими из калориметра,
ст(Е )/E
E, ГэВ
Рис. 4. Энергетическое разрешение калориметра в случае измерения энергии электронов высоких энергий по полному энерговыделению в зависимости от энергии. Данные моделирования.
и запускает дополнительный триггер при превышении установленного порога энерговыделения, позволяя увеличить апертуру. Детектор С4 (рис. 5) представляет собой сцинтиллятор размером 480 х х 480 мм и толщиной 10 мм, просматриваемый шестью фотоэлектронными умножителями (ФЭУ-85). Полная масса детектора 4 кг, потребляемая мощность 5 Вт. Суммарный сигнал с шести фотоумножителей оцифровывается 12-битным а.ц.п.
Для дальнейшего расширения измеряемого энергетического диапазона с целью увеличения статистики используется комбинация калориметра и детектора С4, включенного в триггер. Триггер С4 срабатывает, если энерговыделение в нем превышает 510 mip (Minimum Ionization Particle). (1 mip соответствует энергии, выделившейся в детекторе при прохождении одной минимально ионизирующей частицы.) Данный порог позволяет отбирать частицы высоких энергий, т.е. частицы, при взаимодействии которых с веществом калориметра в последнем выделяется энергия не ниже данного порога.
Нейтронный детектор на основе гелиевых счетчиков помогает разделять электромагнитные и ядерные каскады по количеству регистрируемых нейтронов, рождаемых при взаимодействиях в калориметре. Высокий порог срабатывания, установленный у гелиевых счетчиков нейтронного детектора, позволяет регистрировать только тепловые нейтроны. Тепловые нейтроны обладают высоким сечением взаимодействия (5000 б). Полиэтилен, используемый в качестве замедлителя нейтронов, имеет размеры 430 х 430 х 150 мм.
Система счетчиков антисовпадений регистрирует частицы, попадающие в прибор вне основной апертуры, а также выходящие из прибора вторич-
Рис. 5. Нижний сцинтилляционный детектор С4.
ные частицы. Разрешающее время схемы совпадений 110 нс.
3. ПЕРВОНАЧАЛЬНЫЙ ОТБОР СОБЫТИЙ
Событием называется регистрация частиц при срабатывании одного из триггеров прибора ПАМЕЛА с участием детектора С4 или одного калориметра. Такое событие реализуется либо при генерации в калориметре электромагнитного ливня первичной частицей (электроном, протоном), либо при прохождении через него тяжелого ядра.
В отобранных с помощью триггеров высоко-энергетичных событиях будут преобладать многозарядные ядра низких энергий (более половины), протоны и ядра гелия высоких (более сотен гигаэлектронвольт) энергий, а также электроны с энергией более десятков гигаэлектронвольт (четвертая часть от протонов и ядер гелия).
Тяжелые многозарядные ядра, легкие ядра и электроны создают разную картину взаимодействия в калориметре. При прохождении тяжелого ядра без взаимодействия энерговыделение вдоль траектории значительно больше, чем при прохождении легких ядер, однако, если взаимодействие все-таки произошло, то формы ядерного каскада для легких и тяжелых ядер уже практически неразличимы. Различие, тем не менее, сохраняется в случае электронных каскадов: 96% электронов взаимодействует исключительно в первых слоях калориметра, электромагнитные ливни более компактны, большая часть энерговыделения сосредотачивается вдоль ствола ливня.
В случае отбора электронов определение направления движения первичной частицы имеет особое значение, поскольку топологические па-
(а)
(б)
и
н о о а
о о ч с
р
£ о
X
10-
15-
20-
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Номер стрипа
и т с о
а
с о
ч
п р
е м о Н
10
15
20
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Номер стрипа
Рис. 6. Характерный вид события без выделенного направления в калориметре в X- (а) и У-проекции (б). Трехмерная гистограмма. Экспериментальные данные.
5
5
е и
X
е
К
е д
А «
о
и
р
е
X
120 100
80
60
40
20
Стрип с максимальным энерговыделением
Положение центра тяжести
(а)
И
J_I_I_|_
20 40 60 80 Номер стрипа
100 80 60 40 20 0
20 40 60 80 Номер стрипа
0
0
0
Рис. 7. Распределение энерговыделения по стрипам в одной плоскости при регистрации событий без выделенного направлени
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.