ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 13-17
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 53.043
РЕГИСТРАЦИЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЧАСТИЦ В ТОНКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРАХ
© 2014 г. И. А. Толстухин, А. С. Сомов*, С. В. Сомов, А. И. Болоздыня
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 *Thomas Jefferson National Accelerator Facility Newport News, VA, USA E-mail: ivantolstukhin@gmail.com Поступила в редакцию 28.03.2014 г.
Представлены результаты исследования сборки тонких сцинтилляторов и кремниевых фотоумножителей для регистрации релятивистских частиц с минимальной ионизацией. Показана высокая эффективность регистрации релятивистских частиц в комбинации: сцинтиллятор (Ej-212), спек-тросмещающее волокно (Saint-Gobain, BSF-91A) и кремниевый фотоумножитель фирмы Hamamatsu. Результаты измерений использованы для создания сцинтилляционного годоскопа магнитного спектрометра для регистрации у-квантов в эксперименте GlueX.
DOI: 10.7868/S0032816214060184
1. ВВЕДЕНИЕ
Сцинтилляторы толщиной 1—2 мм обычно применяются в годоскопах, предназначенных для точного измерения координат треков заряженных частиц. В эксперименте по исследованию природы конфайнмента (С1иеХ [1, 2]) на ускорителе электронов СЕВАБ лаборатории им. Джеф-ферсона сборка из таких сцинтилляторов используется для прецизионного измерения энергии у-квантов и мониторинга фотонного пучка в области энергий до 12.25 ГэВ [3]. Вакуумные фотоэлектронные умножители (ф.э.у.) из-за своих больших габаритов практически невозможно использовать для годоскопов с высокой сегментацией. Регистрация света с торца тонкого сцин-тиллятора в этом случае осуществляется с помощью спектросмещающих волокон (с.с.в.) и кремниевых фотоумножителей (8ьф.э.у.) [3].
Кремниевые фотоумножители по сравнению с вакуумными имеют еще ряд преимуществ: низкое напряжение питания, высокий коэффициент усиления и высокую квантовую эффективность, компактные размеры и невосприимчивость к магнитным полям. В настоящее время 81-ф.э.у. успешно применяют в экспериментах на ускорителях, в космических исследованиях и ядерной медицине [4—6].
В эксперименте С1иеХ [1, 2] 81-ф.э.у. используются в качестве фотодетекторов для электромагнитного калориметра [7], в стартовом счетчике [2], в магнитном спектрометре у-квантов для регистрации электронов и позитронов [3, 8]. В магнитном спектрометре энергия фотонов измеряет-
ся системой годоскопов по величине отклонения электронов и позитронов в магнитном поле. Минимальное количество фотоэлектронов для оценки высокой эффективности регистрации должно составлять 4—5 фотоэлектронов с целью отделения сигнала детектора от однофотоэлектронных шумов кремниевых фотоумножителей [4].
Нами исследована с помощью 81-ф.э.у. эффективность светосбора со сцинтилляторов размером 30 х 10 х 1 мм и 30 х 10 х 2 мм, используемых в магнитном спектрометре у-квантов.
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СВЕТОСБОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАДИОАКТИВНОГО ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ
Схема установки для исследования эффективности светосбора представлена на рис. 1.
Исследуемый сцинтиллятор (тайл) расположен между двумя алюминиевыми пластинами с двумя соосными отверстиями. Отверстие в верхней пластине служит коллиматором для электронов от источника 908г(У). В отверстие нижней пластины вставлено сцинтилляционное волокно, свет от которого регистрируется вакуумным фотоумножителем. Сигнал с ф.э.у. через дискриминатор поступает на "ворота" амплитудно-цифрового преобразователя (а.ц.п.) fADC-250 для отбора релятивистской частицы. Электроны от источника имеют сплошной энергетический спектр в диапазоне 0—2.26 МэВ, из которого необходимо выделить область с энергией, соответствующей мини-
А908Г
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования светосбора с тайлов с использованием радиоактивного источника 908г.
с большим уровнем дискриминации соответствуют электронам с энергией >1 МэВ и используются в качестве триггера. Спектросмещающие волокна выведены на кремниевый фотоумножитель.
В эксперименте использовались пластиковые сцинтилляторы Б|-212 размером 30 х 10 х 1 и 30 х 10 х 2 мм и с.с.в. Б8Б-91Л (200 х 1 х 1 мм) производства компании 8ат1-ОоЬат. Спектросмеща-ющее волокно имеет максимальную длину испускания света ~490 нм, что хорошо согласуется с областью максимальной эффективности кремниевых фотоумножителей производства Нашаша18и [9].
Количество фотоэлектронов определялось по однофотоэлектронным калибровочным спектрам. Калибровка каждого 81-ф.э.у. осуществлялась при помощи слабой засветки от светодиода. Амплитуда сигнала с 81-ф.э.у. оцифровывалась с помощью а.ц.п. fЛDC-250. Характерное однофо-тоэлектронное распределение амплитуды сигнала 81-ф.э.у. представлено на рис. 3. Расстояние между соседними пиками определяет количество каналов а.ц.п., приходящихся на один фотоэлектрон.
На рис. 4 приведены типичные амплитудные распределения 81-ф.э.у. в одной из конфигураций "сцинтиллятор—с.с.в.—Вьф.э.у." при работе с источником 908г(У) (рис. 4а) и космическими мюо-нами (рис. 4б) с энергией >250 МэВ. В последнем
мальной ионизующей способности. Порог дискриминатора регулируется для выбора сигналов от электронов с энергией порядка 1—2 МэВ, которые занимают область "хвоста" спектра. Распределения амплитуд сигналов ф.э.у. для двух порогов дискриминатора представлены на рис. 2. Сигналы
N N
Каналы а.ц.п.
Рис. 2. Распределения числа отсчетов в каналах а.ц.п. для сигналов ф.э.у. при двух значениях порога дискриминатора: 0.3 (1) и 1.0 В (2).
РЕГИСТРАЦИЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЧАСТИЦ
15
N 1400
1200
1000
800
600
400
200
0
50 100 150
Каналы а.ц.п.
Рис. 3. Типичное однофотоэлектронное распределение амплитуды сигнала 81-ф.э.у., полученное с помощью слабой засветки от светодиода.
случае исследуемый сцинтиллятор помещался между двумя счетчиками и свинцовым фильтром.
Из сравнения спектров видно, что выбранный уровень дискриминации удовлетворяет условиям эксперимента. В этих условиях измерено число зарегистрированных фотоэлектронов при различных комбинациях сцинтиллятора, с.с.в. и 81-ф.э.у. Результаты измерений приведены в таблице. В этой же таблице приведены результаты измерения числа фотоэлектронов при прохождении релятивистской частицы вдоль сцинтиллятора.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГОДОСКОПА МАГНИТНОГО СПЕКТРОМЕТРА НА ПУЧКЕ ЭЛЕКТРОНОВ
Спектрометр у-квантов применяется для прецизионного (1%) измерения энергии продольно
поляризованных фотонов. Фотон образует элек-трон-позитронную пару в тонком конверторе (~10-3Х0), расположенном в пучке перед диполь-ным магнитом. Отклоненные в магните электроны и позитроны регистрируются двумя сцинтилляци-онными годоскопами, состоящими из 145-ти тонких (1—2 мм) сцинтилляционных пластин. Для определения эффективности регистрации элек-трон-позитронных пар прототип годоскопа из 19-ти сцинтилляторов размером 30 х 10 х 1 и 30 х 10 х 2 мм экспонировался в пучке электронов с энергией 0.54 ГэВ на ускорителе электронов лаборатории им. Джефферсона (рис. 5).
Спектросмещающее волокно приклеено к торцу сцинтиллятора. Для уменьшения оптического контакта между тайлами размещена светонепроницаемая фольга толщиной 50 мкм. Регистрация света осуществляется кремниевыми фотоумножителями Нашаша18и серии 810362 с эффективной чувствительной площадью 1 х 1 мм2 и размером ячейки 50 х 50 мкм. Электроника для испытания годоскопа реализована на двух основных блоках: плате предусиления сигнала (набор широкополосных усилителей) и контрольной плате. На контрольную плату подается напряжение питания 81-ф.э.у., которое корректируется резисторами для каждого 81-ф.э.у. С этой же платы сигналы от кремниевых фотоумножителей подаются на а.ц.п.
В качестве триггера используется сигнал от сцинтилляционного счетчика, расположенного по пучку за детектором. Результаты измерений представлены в таблице.
Из анализа данных, приведенных в таблице, можно сделать следующие выводы.
1. При прохождении электрона перпендикулярно плоскости тайла и сборе света одним с.с.в.
N 160
120
80
40
01-1—1-1.
200 400
600 800 1000 Каналы а.ц.п.
N 25
20
15
10
5 -
200 400 600 800 1000 Каналы а.ц.п.
Рис. 4. Амплитудные распределения сигналов 81-ф.э.у. Нашаша18и с чувствительной площадью 3x3 мм2 при работе с радиоактивным источником (а) и с космическими мюонами (б). Толщина сцинтиллятора в обоих случаях составляет 2 мм.
0
0
Результаты исследования светосбора со сцинтилляционных тайлов
Источник Геометрия Размер тайла, мм Чувствительная площадь Si-ф.э.у. (Hamamatsu), мм2 Число с.с.в. Число фотоэлектронов
90Sr Перпендикулярно 30 х 10 х 1 1 х 1 1 4.8 ± 0.9
тайлу
30 х 10 х 1 3 х 3 1 11.1 ± 1.7
30 х 10 х 2 3 х 3 2 20.0 ± 2.
е- Вдоль тайла 30 х 10 х 1 30 х 10 х 2 1 х 1 1 х 1 1 1 28.8 ± 3.4 29.1 ± 3J
на 81-ф.э.у. с рабочей площадью 1 мм2 число зарегистрированных фотоэлектронов (сработавших пикселей) составляет 4.8 ± 0.9.
2. При сборе света двумя с.с.в. на 81-ф.э.у. с рабочей площадью 3 мм2 это число увеличивается примерно в два раза.
3. Увеличение в два раза толщины сцинтилля-тора при прохождении частицы перпендикуляр-
но плоскости тайла удваивает число зарегистрированных фотоэлектронов.
4. Увеличение толщины сцинтиллятора с 1 до 2 мм при прохождении частицы вдоль тайла практически не меняет числа зарегистрированных фотоэлектронов. Это число (~30) в соответствии с п. № 1 и п. № 2 должно увеличиться в два раза в случае использования двух с.с.в. и 8ьф.э.у. с чувствительной площадью 3 мм2.
e
Рис. 5. Прототип годоскопа спектрометра у-квантов на пучке ускорителя электронов. 1 — сцинтилляционные пластины Б)-212 размером 30 х 10 х 1 и 30 х 10 х 2 мм; 2 — спектросмещающее волокно Б8Б-91Л (200 х 1 х х 1 мм), приклеенное к торцу сцинтиллятора; 3 — матрица 81-ф.э.у.; 4 — подставка из тефлона.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования светосбора со сцинтилляционного тайла с помощью кремниевого фотоумножителя в условиях прохождения релятивистской частицы как перпендикулярно, так и вдоль плоскости сцинтиллятора свидетельствуют о высокой эффективности регистрации релятивистских частиц в тонких сцинтилляторах с применением Si
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.