ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 9, с. 1352-1354
УДК 539.1.074.2
ВРЕМЯПРОЛЕТНАЯ СИСТЕМА МНОГОЦЕЛЕВОГО ДЕТЕКТОРА MPD © 2011 г. В. А. Бабкин, С. В. Волгин, В. И. Воскобойник, В. М. Головатюк, С. П. Лобастов
Объединенный институт ядерных исследований, ЛФВЭ, Дубна E-mail: babkin@nrmail.jinr.ru
Концептуальный проект многоцелевого детектора (MPD) предлагается для изучения горячей и плотной барионной материи в столкновениях тяжелых ионов в диапазоне атомных масс 1—197 в системе центра масс при энергии до 11 ГэВ (для Au79+). Детектор MPD будет установлен на будущем ускорителе NICA. Идентификация заряженных адронов (PID) промежуточных импульсов (0.1—2 ГэВ/с) осуществляется времяпролетными (TOF) измерениями. Как базовый элемент детектора TOF мы решили использовать 10-зазорные МРПК со "стриповым" или "падовым" считыванием. Представлены результаты испытаний прототипов МРПК.
ВВЕДЕНИЕ
Как и множество современных установок, предназначенных для исследований в области физики высоких энергий (ALICE, STAR, CBM), многоцелевой детектор (MPD) [1] направлен на изучение свойств горячей и плотной барионной материи в столкновениях ионов. Он будет располагаться на ускорителе тяжелых ионов NICA [2], который создается в ОИЯИ на базе ускорителя Нуклотрон. Детектор MPD будет идентифицировать импульсы и треки частиц, образующихся в процессе соударений ускоренных ионов в широкой области псевдобыстрот |nl < 3 и при большой частоте столкновений (до 7 кГц) с высокой эффективностью идентификации.
Рис. 1. Модель времяпролетной системы в МРВ. Цифры показывают размеры времяпролетной системы в см (см. таблицу).
1. СТРУКТУРА МНОГОЦЕЛЕВОГО
ДЕТЕКТОРА MPD
Многоцелевой детектор состоит из центральной части и двух передних спектрометров. В центральном детекторе MPD можно выделить три основные детектирующие системы:
1. Система идентификации частиц, состоящая из времяпроекционной камеры (TPC), определяющей импульс частиц и dE/dx и времяпролетной системы (TOF), идентифицирующей заряженные частицы; электромагнитного калориметра (ECal), который идентифицирует фотоны и электроны и измеряет их энергию.
2. Трековая система, в которую входят а) внутренний трекер (IT), обеспечивающий прецизионный трекинг и определение вершины взаимодействия частиц; б) времяпроекционная камера (TPC), т.е. основное трековое устройство; в) торцевой строу-трекер (ECT), определяющий треки частиц, идущих под малыми углами.
3. Система триггера, используемая для старта и определения центральности событий. Она состоит из быстрого переднего детектора (FFD — fast forward detector), счетчиков пучка (BBC — beam-beam counters) и калориметра нулевого угла (ZDC — zero degree calorimeter).
Основными детекторами идентификации заряженных частиц в MPD являются TPC и TOF.
2. ВРЕМЯПРОЛЕТНАЯ СИСТЕМА
Времяпролетная система детектора MPD состоит из центральной части — "барреля" и двух торцевых детекторов — "эндкапов" (рис. 1). В барреле определяется время пролета частиц с псевдобыстротами |nl < 1.4. Торцевые части времяпролетной системы перекрывают область псевдобыстрот 1.5 < |nl < 2. Для того чтобы различать пионы и каоны в импульсном диапазоне 0—2.5 1эВ/с и
ВРЕМЯПРОЛЕТНАЯ СИСТЕМА МНОГОЦЕЛЕВОГО ДЕТЕКТОРА MPD
1353
4 1
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 — триггер, 2 — сцинтилляционный телескоп, 3 — датчики, включенные на совпадения, 4 — счетчики, 5 — микрострип, 6 - МРПК 1, 7 - МРПК 2, 8 - диджи-тайзер АОСМ16-!ТС.
АТ, пс
Рис. 3. Временной спектр, полученный при напряжении 11.5 кВ. Гистограмма — экспериментальное распределение 782 событий со средним значением АТэкс = 0.01873 пс и шириной на полувысоте 0.1557. Сплошная кривая — аппроксимация Гаусса с ^макс = = 112.2 ± 0.7, средним значением АТапп = 0.02252 пс и среднеквадратичным отклонением ст = 0.09985 ± 0.00077.
протонов от каонов в диапазоне 0—4.5 ГэВ/с, ТОБ должен иметь временное разрешение лучше, чем 100 пс, поэтому в качестве основного элемента времяпролетной системы были выбраны многозазорные резистивные плоские камеры (МРПК), которые с успехом применяются для времяпро-летных измерений на многих экспериментах [3— 5]. МРПК просты в производстве и относительно недороги. При этом их временное разрешение достигает 20 пс [6]. В настоящее время рассматривается несколько вариантов детекторов МРПК, которые будут использованы в ТОБ-системе МРЭ. В качестве считывающих электродов планируется использовать "стрипы". Сигнал будет считывать-
ся с обеих сторон "стрипа". Основные параметры времяпролетной системы приведены в таблице.
3. РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЯ ПРОТОТИПОВ МРПК
Первые два прототипа МРПК имели активную область площадью 140 х 65 мм2. Для снятия сигнала с детектора были изготовлены платы со считывающими электродами, расположенными в два ряда по восемь (размер электрода 35 х 16 мм).
Первые испытания прототипов проводились на космическом излучении. Для этого был собран стенд, схематически изображенный на рис 2. В
Таблица
Длина центральной части детектора 500 см
Радиус барреля (времяпролетная база) ~ 120 см
Радиус торцевых частей внешний —110 см
внутренний ~40 см
Ширина модуля барреля 62 см
Ширина "стрипов" МРПК 5 мм
Ширина газового зазора МРПК 10 х 200 мкм (в качестве спейсера — леска)
Резистивный материал МРПК Стекло ("Glaverbel" flat glass) 400 мкм — внутреннее, 550 мкм — внешнее
Число каналов в барреля —10000
Газовая смесь 90% C2H2F4 + 5% C4H10 + 5% SF6
Временное разрешение <100 пс
1354
БАБКИН и др.
AT, пс
Рис. 4. Зависимость временного разрешения МРПК от напряжения на детекторе.
качестве системы триггера использован сцинтил-ляционный телескоп (четыре датчика, включенные на совпадение). Для определения координат пролетающих частиц в стенде был установлен микростриповый кремниевый детектор.
Сигналы с МРПК имеют средний заряд ~500 фКл. Сигнал с камеры усиливался и считывался 16-ка-нальным диджитайзером ЛВСМ16-ЬТС [7], на базе РС1-Е. Данные записывались в файлы и впоследствии обрабатывались компьютером.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
Основной задачей при испытании детекторов было определение их временного разрешения. Для этого импульс с первого детектора использовался как стартовый сигнал, а со второго — как "стоп". После обработки данных были получены временные спектры (рис. 3). Временное разрешение одного детектора из этого спектра определя-
лось как ст/л/2, где а — параметр аппроксимации полученного спектра распределением Гаусса. Таким образом, в испытании на стенде было получено разрешение 100/V2 ~ 70 пс. На рис. 4 представлена зависимость временного разрешения от поданного на детектор напряжения. Видно, что при напряжении 11 кВ временное разрешение становится лучше 100 пс.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате испытания прототипов МРПК было показано, что детекторы имеют временное разрешение лучше 100 пс, что и требуется для нормальной идентификации частиц. В дальнейшем планируется изготовить и испытать полноразмерный детектор, который будет использоваться в TOF-системе MPD.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. MPD Collaboration // The Multipurpose Detector -MPD. Conceptual Design Report. JINR, 2010. http://nica.jinr.ru/files/CDR_MPD/MPD_CDR_V. 1. P. 1.pdf.
2. Searching for a QCD mixed phase at the Nuclotron-based Ion Collider fAcility (NICA White Paper). June 22, 2010. Draft v 3.03. http://nica.jinr.ru/files/Wh_P. db9.pdf.
3. ALICE Collaboration // Alice TDR8, CERN/LHCC 2000-12. February 16, 2000.
4. The STAR TOF Collaboration // Proposal for a Large Area Time-of-Flight System for STAR (STAR TOF). May 24, 2004.
5. CBM Collaboration // Compressed Baryonic Matter Experiment (CBM). Technical Status Report. January 2005. P. 121.
6. An S. et al. // Nucl. Instrum. Methods. A. 2008. V 594. P. 39.
7. http://afi.jinr.ru/ADCM16-LTC.
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.