ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.17
УЛУЧШЕНИЕ ВРЕМЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАЛОРИМЕТРА НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛОВ ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА
© 2014 г. Д. В. Александров, А. А. Виноградов, М. С. Ипполитов, В. А. Лебедев, В. И. Манько, С. А. Никулин, А. С. Нянин, Ю. Г. Сибиряк, А. В. Акиндинов*, А. С. Водопьянов**, Н. В. Горбунов**, С. А. Запорожец**, П. В. Номоконов**, И. А. Руфанов**, Д. В. Будников***, Ю. И. Виноградов***, В. А. Деманов***, Н. В. Завьялов***, А. В. Курякин***, А. В. Мамонов***, С. Т. Назаренко***, В. Т. Пунин***, С. Ю. Пучагин***, К. В. Страбыкин***, А. Д. Тумкин***, С. В. Фильчагин***
Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1 E-mail: Mikhail.ippolitov@cern.ch *Институт теоретической и экспериментальной физики НИЦ "Курчатовский институт" Россия, 117218, Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25 **Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6
***РФЯЦ-ВНИИэкспериментальной физики Россия, 607188, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 Поступила в редакцию 23.07.2013 г.
Приведены результаты пучковых испытаний прототипа фотонного спектрометра PHOS, установленного в эксперименте ALICE на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Основой спектрометра являются детектирующие элементы, состоящие из кристаллов вольфрамата свинца PbWO4 размером 22 х 22 х 180 мм и лавинных фотодиодов Hamamatsu S8664-55(S8148). Испытания проводились на вторичном пучке T10 протонного синхротрона PS. Основное внимание было уделено вопросу улучшения временного разрешения. Показано, что введение дополнительного временного канала с кремниевым фотоумножителем (SiPM) в качестве фотодетектора приводит к улучшению временного разрешения для энергии 1 ГэВ с существующего at = 3 нс до at = 0.3 нс. Использовались кремниевые фотоумножители семейства MPPC S10362-33 Hamamatsu с площадью 3 х 3 мм2. С помощью быстрых вакуумных фотоумножителей (ф.э.у.) c диаметром фотокатода 8 мм измерено временное разрешение, которое возможно получить при развитии электромагнитного ливня в кристалле воль-фрамата свинца для фотоприемника большей площади. Величина временного разрешения для энерговыделения 1 ГэВ составила 150 пс. Исследовалось влияние температуры детектирующего канала на временное разрешение. Понижение температуры кристалла приводит как к увеличению интенсивности сцинтилляций, так и к увеличению времени высвечивания и заметно не улучшает временное разрешение.
DOI: 10.7868/S0032816214030033
1. ВВЕДЕНИЕ
Для поиска электромагнитных сигналов от кварк-глюонной материи и, в частности, измерения спектров прямых фотонов, образующихся в релятивистских ядро-ядерных взаимодействиях, российскими институтами — НИЦ "Курчатовский институт" (Москва), ОИЯИ (Дубна), ВНИИЭФ (Саров) в сотрудничестве с рядом зарубежных университетов создан однородный кристаллический многоканальный сегментированный электромагнитный калориметр — фотонный спектро-
метр PHOS [1], входящий в состав эксперимента ALICE [2, 3] на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. В основе детектирующего канала калориметра лежат тяжелые сцинтиллирующие кристаллы вольфрамата свинца — PbWO4 (или PWO) [4—6], имеющие форму прямоугольного параллелепипеда размерами 22 х 22 х 180 мм. Преобразование света в электрический сигнал осуществляется лавинными фотодиодами (л.ф.д.) S8664-55(S8148) производства фирмы Hamamatsu с размером чувствительной области 5 х 5 мм, соединенными с
малошумящими зарядочувствительными преду-силителями (з.ч.п.) [7—9]. Для повышения отношения сигнал/шум и усиления выходной сигнал з.ч.п. проходит через фильтр второго порядка с постоянной времени формирования сигнала 1 мкс. При этом эквивалентный шумовой заряд ENC < <500 е- при емкости детектора 80 пФ и токах утечки около 20 нА.
Основным элементом калориметра является модуль, содержащий 3584 детектирующих канала, формирующих матрицу размерностью 64 х 56. Первоначальным проектом в составе PHOS планировалось 5 одинаковых модулей с общей площадью кристаллов 8 м2, перекрытием по азимутальному углу 100° (при расстоянии до поверхности кристаллов 4.6 м) и перекрытием по псевдобыстроте п в диапазоне -0.12 < п < +0.12. В настоящее время изготовлены и работают три модуля, еще один модуль находится в стадии производства.
Одной из физических задач, решаемой фотонным спектрометром, является измерение спектра прямых фотонов, испущенных в результате тер-мализации кварк-глюонной плазмы. Выход таких фотонов предсказывается в области низких для релятивистской ядерной физики энергий - менее 10 ГэВ и на уровне, не превышающем 5-10% от уровня фона [10]. Увеличение световыхода PWO с рост температуры [1] обусловило выбор рабочей температуры спектрометра —25°C. Это решение позволило увеличить световыход кристаллов в ~3 раза, существенно снизить уровень шумов л.ф.д.—з.ч.п. и добиться хорошего разрешения по инвариантной массе двух фотонов - для пика от распада нейтрального пиона с энергией >1 ГэВ величина этого разрешения составила около <5m = 7 МэВ [11].
Одним из основных требований к детекторам для поиска прямых фотонов является минимизация различных источников систематических ошибок, определяющих возможность выделения "слабого" сигнала от прямых фотонов на фоне многочисленных фотонов из распада нестабильных мезонов. Главными источниками систематических погрешностей являются ошибки определения в выходе нейтральных пионов и ошибки, вызываемые попаданием нейтронов и антинейтронов в детектор, которые могут быть ошибочно идентифицированы как фотоны. Для уменьшения систематических ошибок в спектрах прямых фотонов, вызванных нейтронами и антинейтронами, предлагается использовать идентификацию частиц по времени пролета. Моделирование по методу Монте-Карло показало [12, 13], что для достижения приемлемого уровня этой систематической ошибки фотонный спектрометр должен обладать временным разрешением лучше 1 нс при энергиях более 1 ГэВ. Отметим, что сам по себе кристалл PWO является быстрым сцинтиллятором, на котором
возможно получение временного разрешения с используемыми л.ф.д. и з.ч.п. лучше 0.5—0.6 нс при энергиях выше 1 ГэВ [14—16]. Хорошие временные параметры получены в работах [17, 18], в которых в качестве фотодетекторов использовались ф.э.у. В этих работах время пролета измерялось методом старт—стоп, для реализации которого использовался быстрый канал, содержащий дискриминатор и преобразователь время—код. Таким образом, считывающая электроника калориметра должна содержать два измерительных канала: "медленный" с временем формирования несколько микросекунд и "быстрый" с временем формирования несколько десятков наносекунд.
Наличие дополнительного быстрого канала усложняет считывающую электронику калориметра, поэтому при проектировании PHOS было предложено получать временную информацию путем цифровой обработки выборок сигнала в "медленном" канале. Это происходит следующим образом. Сигнал от л.ф.д. через з.ч.п. поступает на вход считывающей электроники, в которую входят усилители-формирователи с постоянной времени 1 мкс и быстрые аналого-цифровые преобразователи (а.ц.п.). А.ц.п. оцифровывают профиль сигнала с периодом 10 МГц. Полученные коды запоминаются системой сбора данных. При off-line-обработке по полученным кодам восстанавливается форма импульса, из которой определяются амплитуда сигнала, т.е. энергия, и время прихода сигнала. Такой цифровой метод обработки сигнала позволяет получить хорошее энергетическое разрешение [11], но не дает возможности определять времена прихода сигналов относительно триггера эксперимента с точностью лучше 3—4 нс при выделенных в калориметре энергиях 1—2 ГэВ1.
В данной работе приведены результаты исследования одного из технических решений по улучшению временного разрешения PHOS, а именно, использование лавинных многопиксельных фотодетекторов, обычно называемых кремниевыми фотоумножителями или SiPM [19—22] для получения временной отметки. Основными преимуществами этих фотодетекторов являются их хорошие временные параметры и внутреннее усиление, сравнимое с обычным вакуумным ф.э.у.
Проведены испытания SiPM MPPC(Multi-Pix-el Photon Counter) серии S10362-33 производства Hamamatsu на вторичных пучках ускорителя PS в ЦЕРН. Исследовано влияние на временное разрешение параметров SiPM, таких как усиление и количество пикселей, расположение фотодетектора относительно пучка, температура детектирующего канала.
Для сравнения при помощи быстрых малошу-мящих фотоэлектронных умножителей проведе-
1 Устное сообщение П.В. Номоконова.
но измерение временного разрешения электромагнитного калориметра на основе кристаллов Р^О для случая регистрации электромагнитного ливня, вызванного электронами с энергией в диапазоне 1—3 ГэВ.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА 2.1. Описание прототипа
Для экспериментов на пучке был создан 4-ка-нальный прототип, состоящий из светонепроницаемого корпуса с выводами для сигналов и подачи напряжения (см. рис. 1). Под детектирующим каналом PHOS (каналом регистрации, детектирующим элементом и пр.) подразумевается сцинтил-ляционный кристалл вольфрамата свинца размером 22 х 22 х 180 мм, просматриваемый с торца одним л.ф.д., впаянным в плату з.ч.п. Кристалл обертывается светоотражающим материалом Tyvek. Второй торец кристалла открыт.
В нашем случае три кристалла с одного торца просматривались л.ф.д., соединенными с з.ч.п., как в детектирующем канале PHOS. Считывание электрических сигналов этих каналов проводилось при помощи измерительной электроники, описанной в [14—16]. С противоположной стороны первый кристалл просматривался MPPC S10362-33-025C, второй - MPPC S10362-33-050C, третий кристалл просматривался MPPC S10362-33-100C. Фотодетекторы были впаяны в плату преду-силителя, описание которого приведено ниже. Таким образом, был проверен вариант добавления отдельного временного канала с сохранением существующей в PHOS спектрометрии (без передачи части образованного в фотодетекторе заряда, как в [16] для временных измерений). Параметры MPPC приведены в табл. 1.
Четвертый кристалл PWO просматривался с каждого т
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.