Электромагнитная калориметрия на основе радиационностойких кристаллов и стекол тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Российская Академия Наук Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН

На правах рукописи УДК 539 1 074

ООЗД4И4 г

Козлов Валентин Алексеевич

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ НА ОСНОВЕ РАДИАЦИОННОСТОЙКИХ КРИСТАЛЛОВ И СТЕКОЛ

(01 04 01 - приборы и методы экспериментальной физики)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 2008

1 5 0НТ 2008

003448473

Работа выполнена в Физическом институте имени П.Н Лебедева РАН

Официальные оппоненты • доктор физико-математических наук,

профессор Б И Лучков МИФИ, Москва

доктор физико-математических наук,

профессор В И. Манько

РНЦ "Курчатовский институт", Москва

доктор физико-математических наук, ГА Сокол ФИАН, Москва

Ведущая организация НИИЯФ МГУ, Москва

Защита состоится " 27 октября" 2008 года в " 12 " часов на заседании диссертационного совета Д 002 023 02 при Физическом институте им П Н Лебедева РАН по адресу 119991, Москва, Ленинский проспект, 53

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН Автореферат разослан " " 2008 г

Ученый секретарь Я Н.Истомин

диссертационного совета доктор физ - мат наук

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В конце 80-х годов, в связи со строительством новых ускорителей на встречных пучках (УНК, SSC, LHC), особенно актуальным стал поиск новых перспективных материалов для электромагнитной калориметрии, способных работать в условиях высоких радиационных нагрузок (> 107 рад/год) Требования к материалам были довольно жесткими - кристаллы и стекла должны были обладать высокой плотностью, быстрым временем высвечивания и высокой радиационной стойкостью Известно, что на кол-лайдере LHC (CERN,Женева) светимость достигнет 1034см~2сек-1 Расчеты показывают, что для такой светимости радиационная нагрузка и нейтронный флюенс в области электромагнитного калориметра эксперимента CMS для псевдобыстроты |7j| = 3 составляют 15 Gy/час и 1014п/ст2/год соответственно

На существующих ускорительных комплексах также были востребованы радиационностойкие кристаллы для вновь создаваемых электромагнитных калориметров

В 1993 г на коллайдере HERA (DESY, Гамбург) начались работы по созданию эксперимента HERMES, нацеленного на изучение спиновых структурных функций нуклона с помощью глубоко-неупругого рассеяния поляризованных пучков лептонов на поляризованных газовых мишенях Одним из важных компонентов установки HERMES должен был быть монитор светимости, расположенный в нескольких миллиметрах от первичного пучка и регистрирующий частицы от Bhabha (М011ег)-рассеяния в режиме совпадений Поэтому требования к монитору светимости были следующими высокая радиационная стойкость (> 10б рад), высокое временное разрешение (< 10 нсек), стабильная работа в течение длительного времени набора данных Так как монитор светимости должен был располагаться в ограниченном пространстве, то активные материалы для создания электромагнитных калориметров монитора светимости (кристаллы или стекла) должны были обладать малыми радиационной длиной и радиусом Мольера для обеспечения компактности и высокого пространственного разрешения Выбор подходящего материала и создание полномасштабного монитора светимости стали исключительно актуальной задачей

С конца 80-х годов интенсивно исследовались различные фторидные и

оксидные кристаллы, такие как PbF2, BaF2t Cef,3, Bi^Ge^On, GdïSiO*,, PbWOi и др, с целью их применения в радиационностойких электромагнитных калориметрах Перспективные кристаллы изучались как специалистами, работающими в области физики высоких энергий, так и в области спектроскопии и выращивания кристаллов В ЦЕРНе была организована коллаборация "Crystal Clear Collaboration", чьей целью являлась разработка и изучение перспективных кристаллических материалов для применения их на коллайдере LHC

В течение последних 20 лет группа Физического института имени П H Лебедева во главе с автором данной работы вела разработку и исследовав ния новых сцинтилляционных и черенковских кристаллов, а также сцин-тиллирующих фторидных стекол Эти разработки проводились как для планируемых в то время экспериментов по физике высоких энергий на коллайдерах УНК, HERA и LHC, так для вновь создаваемых экспериментальных установок

Работа по поиску и изучению новых материалов проводилась совместно со специалистами по выращиванию кристаллов из институтов ИКАН, ИОФРАН, ВНИИСИМС, ИФП РАН и ГИРЕДМЕТ Целью настоящей работы

являлась разработка и исследование новых радиационностойких материалов (кристаллов и стекол) для электромагнитных калориметров, создаваемых для экспериментов на ускорительных комплексах УНК, HERA и LHC, а также создание и ввод в эксплуатацию 2-х электромагнитных калориметров на основе тяжелых радиационностойких кристаллов NaBi(WOi)2, предназначенных для измерения светимости в эксперименте HERMES (DE-SY, Гамбург). Научная новизна работы

Были исследованы люминесцентные характеристики и радиационная стойкость новых перспективных кристаллов и стекол с целью их использования на современных ускорителях Ряд материалов- сцинтиллирующие фторид-ные стекла и кристаллы BaYb2F% были предложены и изучены впервые С помощью вновь найденных оптимальных добавок была существенно повышена радиационная стойкость кристаллов CeF,3 и NaBi(WOi)2

Впервые в мире был создан, включен в состав установки HERMES и успешно эксплуатировался в течение 12 лет монитор светимости, состоящий из 2-х электромагнитных калориметров, изготовленных на основе

новых радиационностойких кристаллов NaBt(W04)2

Научная значимость и практическая ценность работы

состоят в том, что

- Исследована радиационная стойкость новых черенковских и сцинтил-ляционных кристаллов (NaBi(W0^2-, BaYb2F&, CeFz, PbWOi), предназначенных для работы как на существующих ускорителях, так и на ускорительных комплексах нового поколения с еще большей энергией и интенсивностью пучков Результаты исследований имеют особую значимость для подобного поиска новых кристаллов и стекол, так как заметно снижают затраты на выращивание серий опытных образцов,

- Разработан новый класс сцинтилляционных материалов - фторидные стекла на основе тяжелых металлов (Я/F4 и др ) Перспективность использования таких стекол определяется в первую очередь экономическими соображениями, а именно, меньшими затратами на получение модулей электромагнитного калориметра Очевидным преимуществом фторидных стекол по сравнению с кристаллами является то, что составы стекол можно легко менять в зависимости от необходимых параметров детектора и типа регистрируемых частиц,

- На примере кристаллов CeF,3, NaBi(W0^2 показано, что повышение радиационной стойкости кристаллов целесообразно проводить путем поиска оптимальных добавок в исходное сырье, что является экономически выгодным способом по сравнению с многократной очисткой компонентов исходной шихты,

- Спроектированы, созданы и исследованы в электронном пучке DESY прототип монитора светимости и полномасштабные электромагнитные калориметры монитора светимости на основе новых радиационностойких кристаллов NaBi(WOi)2\

- В 1995 г монитор светимости был введен в состав установки HERMES и успешно эксплуатировался в течение 12 лет в условиях высоких радиационных нагрузок Монитор светимости кроме основной задачи - измерения светимости эксперимента HERMES, использовался для наведения лептонного пучка на мишень, а также для измерения поляризации газовой мишени,

- Радиационностойкие кристаллы NaBi{WOi)2 успешно работающие в мониторе светимости эксперимента HERMES стали широко использоваться в DESY для создания других детекторов предназначенных для работы

вблизи первичного пучка коллайдера HERA (детектор мечения электронов монитора светимости эксперимента HI и калориметр продольного поляриметра эксперимента HERMES)

По результатам работы с кристаллами PbW0,\ получен патент России №2202011 под названием "Способ получения сцинтилляционных монокристаллов вольфрамата свинца", приоритет от 24 апреля 2002 г Апробация работы

Материалы, изложенные в работе, доложены на международных конференциях и совещаниях совещание "Физика на УНК" (Протвино, 25-29 сент 1990), 2-ая Международная конференция по калориметрии в физике высоких энергий (Италия, Капри, 14-18 окт 1991), LHC семинар (Протвино, 27-29 мая 1992), Международный семинар по тяжелым сцинтилляторам для научных и промышленных применений "Crystal 2000" (Франция, Шамони, 22-26 сент 1992), Международная конференция по структуре бари-онов (США, Сайта Фе, 3-7 окт 1995), Европейская конференция по люминесцентным детекторам и преобразователям ионизирующего излучения "Lumdetr'2000" (Латвия, Рига, 21-24 авг 2000), Национальная конференция по росту кристаллов (Москва, ИКАН, окт 2000), Научная конференция Отделения ядерной физики Российской Академии Наук (Москва, ноябрь 2000), Международные конференции по неорганическим кристаллам и их применению ("SCINT") 1995, 1999, 2001, 2003, 2007 годов

Результаты, полученные в работе, обсуждались также на заседаниях международных коллабораций CMS, HERMES, Crystal Clear Collaboration (CERN), на научных семинарах в Лаборатории Резерфорда (Англия) и в Лаборатории Немецкий Синхротрон (DESY, Германия) Вклад автора

Автор принимал активное и лидирующее участие на всех этапах настоящей работы Руководил работами по исследованию новых материалов для электромагнитной калориметрии, а также по созданию и вводу в эксплуатацию монитора светимости эксперимента HERMES Под руководством автора защищена кандидатская диссертация, входящая в этот цикл исследований Публикации

По результатам диссертации опубликованы в виде статей, препринтов, докладов и тезисов 33 работы, из них 17 в отечественных и зарубежных периодических изданиях, входящих в список Высшей Аттестационной Ко-

миссии РФ

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1 Создание многофункциональной установки для исследования сцинтил-ляционных и оптических характеристик кристаллов и стекол

2 Результаты исследований оптического пропускания и радиационной стойкости кристаллов GeF%, BaYb^F^ и NaBi(W04)2, легированных оптимальными добавками

3 Способ повышения радиационной стойкости кристаллов PbWOi путем их отжига в атмосфере чистого инертного газа

4 Результаты измерений люминесцентных и оптических характеристик новых сцинтиллирующих фторидных стекол

5 Исследования в электронном пучке DESY прототипов электромагнитных калориметров на основе кристаллов NaBi(WOji)i и PbWOi

6 Разработка и создание монитора светимости эксперимента HERMES на основе радиационностойких кристаллов NaBi(W6)4)2

7 Результаты измерений энергетического и пространственного разрешения электромагнитных калориметров монитора светимости в области энергий электронов 1 — 6 ГэВ

8 Методика измерения светимости в эксперименте HERMES

9 Метод определения положения лептонного пучка коллайдера HERA с помощью калориметров монитора светимости

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, 8 глав основного содержания, заключения, а также списка цитируемой литературы, включающего 162 ссылки Объем диссертации составляет 170 страниц, 72 рисунка, 12 таблиц

Содержание работы.

Во введении рассматривается история вопроса и современное состояние гомогенной электромагнитной калориметрии в физике высоких энергий, сформулированы основные цели диссертации, излагается ее краткое содержание, перечислены результаты, вынесенные на защиту

В первой главе рассматриваются общие характеристики гомогенных электромагнитных (ЭМ) калориметров, а также дается обзор наиболее известных экспериментов физики высоких энергий, где используются ЭМ калориметры на основе неорганических кристаллов

В современной экспериментальной физике ЭМ калориметры применяются для измерения энергий фотонов и электронов от десятков МэВ до нескольких сотен ГэВ, обеспечивая хорошее энергетическое разрешение

Конструкцию и характеристики кристаллического калориметра для конкретной задачи можно оценить путем моделирования методом Монте-Карло ливневых процессов в кристаллах с учетом спектрального состава электромагнитного ливня в поперечном и продольном направлениях, поглощения света, влияния пассивных материалов и зазоров между кристаллами, влияния полировки кристаллов и отражающих материалов и тд

Энергетическое разрешение электромагнитных калориметров на основе кристаллов обычно параметризуется формулой

сг е а ь ,чЧ

где "шумовой" член а отражает энергетический эквивалент шумов электроники, а также флуктуацию энергетического спектра фоновых частиц, попадающих в калориметр,

— "стохастический" член Ь, определяемый статистикой фотоэлектронов, зависит от световыхода кристалла, собирания света на фотокатод и площади кристалла, просматриваемой фотоприемником,

—"постоянный" член с представляет собой вклад в энергетическое разрешение, связанный с утечкой ливня из калориметра, погрешностями калибровки каналов калориметра, а также с неоднородностью светосбора по объему кристалла

В первой главе приведены также основные характеристики неорганических кристаллов применяемых в современной физике высоких энергий (см табл 1 и 2 )

Был сформулирован комплекс требований к неорганическим кристаллам, используемым в электромагнитной калориметрии

Далее приведены описания конструкций и основные характеристики некоторых кристаллических ЭМ калориметров, как запущенных ранее, так и вновь создаваемых

Одним из наиболее используемых в электромагнитной калориметрии кристаллов является CsI(Tl) Это касается детекторов CLEOIII, Crystal Barrel, Belle, ВаВаг и др , предназначенных для работы на е+е~ коллайдерах

Таблица 1

Сцинтилляциоиные кристаллы, используемые в электромагнитной

калориметрии

NaI(Tl) CsJ(Tl) Сз1 Сз1 PWO PbWOt BaF2 BaF2 CeFi CeF3 BGO ВцвегОп

Плотность, Р (г/см3) 3 67 4 53 4 53 8 28 4 89 6 16 713

Точка плавления, °С 651 621 621 1123 1354 1460 1050

Радиационная длина, Хо (см) 2 59 186 1 86 0 89 2 03 165 112

Радиус Мольера, Дт (см) 48 38 38 2 19 34 26 24

Световыход, (%) 100 85 7 1 5/20 5 7-10

Зависимость световыхода от температуры, (%/°С) 0 03 -0 6 -2 0 -2 0 14 -1 6

Время высвечивания, (не) быстрое медленное 230 1250 10/36 1000 6/25 06 620 5 30 300

Максимум эмиссии, (нм) 410 550 315/565 420/500 220/310 310/340 480

Показатель преломления, п в максимуме эмиссии 1 85 18 18 2 25 1 56 1 62 215

Оптическое пропускание, (нм) > 300 300 240 350 150 290 310

Радиационная стойкость, (рад) 103 103 104 106 106 107 105

Твердость, (Моос) 2 2 2 4 3 4 5

Гигроскопичность сильная слабая слабая нет нет нет нет

Критическая энергия, Ес (МэВ) 12 5 10 2 10 2 85 12 13 88

Таблица 2

Черенковские кристаллы (Показатели преломления приведены для области длин волн 400 - 450 нм )

PbF2 KRS- 6 NBW GGG BaYb2Fs

Химический состав PbF2 Т1С1(78%) Т1Вг(22%) NaBi(W04) 2 Gd3Gas012 BaYb-iFts

Плотность, Р (г/см3) 7 76 7 65 7 57 7 03 70

Точка плавления, СО 855 450 920 1800 1250

Радиационная длина, Хо (см) 0 93 0 92 1 03 1 45 1 28

Радиус Мольера, Ят (см) 2 21 2 08 2 38 2 37 2 44

Критическая энергия, Ес (МэВ) 9 06 8 95 9 75 13 8 И 08

Показатель преломления, п 1 82 2 20 2 31 2 05 1 76

Оптическое пропускание, (нм) > 250 420 380 420 200

Радиационная стойкость, (рад) 105 107 107 105 107

Гигроскопичность нет нет нет нет нет

Тяжелые сцинтилляционные кристаллы PbWOi(PWO) применяются в настоящее время как в области энергий создаваемых коллайдеров, так и в области средних и низких энергий Наиболее масштабные ЭМ калориметры, входящие в состав установок CMS и ALICE, состоят из 75848 и 17920 кристаллов PWO соответственно

Черенковские кристаллы также широко используются в настоящее время в электромагнитной калориметрии

Например, черенковские кристаллы Pbi^ были использованы коллабора-цией А4 (микротрон MAMI) для создания 1022 - канального ЭМ калориметра, предназначенного для измерения асимметрии упругого рассеяния электронов на протонах

Во второй главе описываются экспериментальные установки и методики для исследования оптических и люминесцентных характеристик кристаллов и стекол

Для определения световыхода сцинтилляторов наиболее часто используют спектры полного поглощения 7—квантов от радиоактивных источников, тн фотопики

Световыход исследуемых сцинтилляторов в терминах числа фотонов/ МэВ может определяться путем сравнения их фотопиков с аналогичными амплитудными распределениями от известных сцинтилляторов Nal, Cslи ДР

Световой выход в терминах числа фотоэлектронов/МэВ может также определяться с помощью калибровки каналов ADC, используя положение одноэлектронного пика

В данной работе измерение фотопиков сцинтилляторов проводилось на установке, в состав которой входили предусилитель Canberra 2007В, быстрый усилитель ORTEC-579, зарядо-чувствительный ADC (LeCroy 2249W) и триггерная электроника В измерительной установке использовались ФЭУ ХР1911 и Hamamatsu R4521Q В качестве источников высоковольтного питания для фотоумножителей использовались блоки Canberra 3002D Сцинтилляции в кристаллах возбуждались радиоактивными 7—источниками 22Na и 137Сs

Рис 1 Амплитудное распределение сцинтиллятора ЬщвгО^, облученного 7-квантами от источника 137Сз

На рис 1 приведен фотопик для сцинтиллятора Ь^БгОь (ЬБО), изме-

ренный с помощью источника 137Cs

В большинстве случаев высвечивание возбужденных атомов сцинтилля-тора происходит по экспоненциальному закону

I(t)=I0 е-Ч*, (2)

где /—интенсивность светового излучения,

г—время высвечивания сцинтиллятора, за которое интенсивность светового излучения уменьшается в е раз

40 60

т, ns

Рис 2 Спектр времени высвечивания сцинтиллятора ЬщБгОъ, облученного 7-квантами от источника шСз

Время высвечивания сцинтилляционных кристаллов исследовалось на специальной установке с использованием метода "задержанных совпадений", который заключается в измерении распределения временных интервалов между возбуждением в сцинтилляторе и образованием фотоэлектрона на фотокатоде ФЭУ С увеличением число отсчетов падает, так как интенсивность сцинтилляций уменьшается во времени (см рис 2) Для определения параметров временных спектров использовалась функция

/(«) = £ 4 еагрН/т,), (3)

где тг— г—компонента времени высвечивания сцинтиллятора и At— ее амплитуда

В электромагнитных калориметрах, предназначенных для работы на современных ускорителях частиц, должны использоваться радиационностой-кие кристаллы и стекла, способные выдерживать воздействие больших доз облучения заряженными и нейтральными частицами (около 1 Мрад в год и выше) Так как в экспериментах по физике высоких энергий используются радиаторы длиной 20 — 25 радиационных длин, то даже небольшое снижение оптического пропускания на единицу длины, возникающее из-за радиационных повреждений, может привести к значительному ухудшению характеристик электромагнитного калориметра

Для уменьшения влияния радиации на оптические характеристики кристаллов используются различные способы уменьшения плотности центров окраски, образующихся при облучении кристаллов очистка компонентов шихтовой смеси, поиск стехиометрического баланса между компонентами, введение элементов с активными донорно-акцепторными свойствами, по-слеростовой отжиг кристаллов в оптимальной атмосфере

Для измерения оптического пропускания кристаллов и стекол в интервале 250—700 нм и изучения радиационной стойкости использовались двухлу-чевые спектрофотометры, такие как Specord-M40, Hitachi и др , укомплектованные дейтериевой лампой для измерений в ультрафиолетовой области и вольфрамовой лампой для видимой области

Радиационная стойкость кристаллов и стекол изучалась с помощью мощного источника 7—излучения 60Со (Ег = 1 17 МэВ, Е2 = 1 33 МэВ) Максимальная мощность источника составляла 20 Крад/мин, а минимальная - 100 рад/мин Измерялось оптическое пропускание до и после облучения различными дозами с различной мощностью

Основным методом изучения центров окраски является анализ измеренной зависимости наведенного коэффициента поглощения света ц(\) от дозы облучения

где Т, Т1ГГ—пропускание до и после облучения, с?—толщина исследуемого кристалла

Для исследования радиационных повреждений кристаллов на малых дозах облучения использовалась специальная установка, где измерение оп-

тического пропускания кристаллов проводилось непосредственно во время их облучения от источника 137(7з

Далее приводится краткое описание основных методов выращивания неорганических монокристаллов

Третья глава посвящена исследованиям перспективных кристаллов -радиаторов для электромагнитной калориметрии Такими материалами на начало 90-х годов являлись сцинтилляционные кристаллы СеР% и РЬУ/О^

В 1990 г были исследованы люминесцентные характеристики и радиационная стойкость кристаллов СеРз, активированных ВаР^, СеР2> БгР2 (кристаллы были выращены в ИКАН) Основной целью работы был поиск оптимальных добавок для повышения радиационной стойкости кристаллов Се^з

Так как радиационная стойкость кристаллов-фторидов зависит от примесей кислорода, синтез монокристаллов фторида церия в Институте Кристаллографии проводили из шихты, приготовленной по технологической схеме, состоящей из последовательной цепочки операций многократного фторирования материала с целью его глубокой очистки от примеси кислорода

На рис 3 представлено оптическое пропускание для кристаллов СеР,з (риге) и СеРз(0 67%Ва), облученных дозами 1 2 • 107 рад и 108 рад Для образца СеРз(Ва) доза 1 2 107 рад не оказывала заметного влияния и незначительное снижение оптического пропускания на ~ 2% наблюдалось для дозы 108 рад

Результаты по радиационной стойкости CeFз(Яa) были доложены на конференции по калориметрии в октябре 1991 г (Капри, Италия)

Известно, что наиболее вероятными дефектами в кристаллах Се^з являются вакансии фтора, которые могут образовать ^-центры, захватывая электроны, освобождаемые при облучении кристалла F—центры играют главную роль в радиационных повреждениях СеРз прямо или через их участие в образовании более сложных центров окраски на основе оксидных примесей

При введении добавки ВаР2 часть анионных вакансий в кристалле СеР3 нейтрализуется, что приводит к уменьшению концентрации центров окраски и, как следствие, к повышению радиационной стойкости фторида церия

1 оо

Рис. 3: Спектры оптического пропускания кристаллов Се^з(риге) и CeFз(0.67%Ba) до и после облучения (толщина образцов 5 мм).

Кристаллы РЪШОа (Р\¥0), как радиаторы в электромагнитной калориметрии привлекли внимание сравнительно недавно, несмотря на то, что их световыход низок при комнатной температуре. Исследования кристаллов РИ^О, проведенные в ряде лабораторий, показали: наличие длинной компоненты высвечивания в сцинтилляциях РШО, низкую радиационную стойкость, оптическую неоднородность по длине кристалла.

Первые детальные исследования характеристик кристаллов РЖО, выращенных в ВНИИСИМС, были проведены в ФИАНе в 1994-1995 гг. с целью поиска условий выращивания прозрачных кристаллов РШО, обладающих повышенной радиационной стойкостью и улучшенным световыходом.

Люминесцентные характеристики и радиационная стойкость кристаллов Р\¥0 были изучены в зависимости от следующих условий выращивания: температурных и кинетических параметров режима роста, химического и фазового состава исходных оксидов свинца и вольфрама, окислительно-восстановительных свойств атмосферы, стехиометрии исходной шихтовой смеси РЪО — \УОз, присутствия в шихте добавок Мо, Ре, Бс,

послеростовой термообработки кристаллов

О 01 О 005

С- О 01 б

0 003

:

" / i .....! i Г" .....! ...I.......

: ( i i ! ! i 1 I 1

7 S 1 >0 1 25 1 SO П 5 2 70 2. 9 2. 50 275 time (h)

«ЫМ-!!

vSMWt» i

= 1 ! .1..1.........

7 3 1 30 1 25 1 SO 1 3 2 00 2 23 2 SO 275 time (h)

:

J -----i.....1...... i : I 1

Li i i i I

time (h)

Рис 4 Изменения коэффициента радиационно-индуцированного поглощения исходных кристаллов PbWC>4 в течение облучения

В результате исследований серий образцов была отработана технология выращивания прозрачных кристаллов Р\¥0

Однако, низкая радиационная стойкость кристаллов Р\УО на малых дозах облучения оставалось серьезной проблемой, поэтому следующий этап исследований был связан с подавлением ростовых дефектов и в конечном итоге, с повышением радиационной стойкости кристаллов Р\¥0 путем их дополнительного отжига

Для исследования радиационных повреждений исходных и отожженных кристаллов РЪ\\< О а на малых дозах облучения использовалась установка, описание которой приведено в главе 2

Зависимость коэффициента радиационно-индуцированного оптического поглощения (уи,г, см-1) исходных кристаллов РИ^О от времени облучения характеризуется резким возрастанием цгг в начале облучения (рис 4) Это определяется образованием центров оптического поглощения на свободных ловушках уже имевшихся в исходном кристалле в большой концентрации

Для кристаллов РШО, отожженных в атмосфере аргона, поведение ц„ значительно отличается (рис 5) В процессе отжига в атмосфере аргона электронные ловушки оказываются заполненными и следовательно, нейтрализованными для захвата освобождаемых излучением носителей заряда и образования центров радиационно-индуцированного оптического поглощения В результате этого при облучении таких кристаллов начальный скачек поглощения отсутствует Повышение радиационной стойкости кристаллов РШО выражено отсутствием цгг при дозах до 5 Крад и значениями ц1Г = (0 1 — 0 5) /л,г(неотож) в диапазоне доз от 10 Крад до 100 Крад

1 001 О 0079

^ О 005

0 0025

1

0 0075 § О 0О5

3

СЗ О 0025

р

100 120 140 160 1ВО 200 220 240

(■ше <1Г)

»ж?. .. - .

Рис 5 Изменения коэффициента радиационно-индуцированного поглощения отожженных в атмосфере аргона кристаллов РЫУОд в течение облучения

Далее следует раздел посвященный исследованиям прототипа электромагнитного калориметра на основе матрицы из четырех кристаллов РШО с размерами 22 х 22 х 200 3 каждый Измерения проводились на электронном пучке БЕБУ в интервале 1—6 ГэВ На рис 6 показаны полученные значения энергетического разрешения, а также их аппроксимация функцией ^ = (2 4 ± О 3)%/Е ф (3 9 ± 0 1 Щу/Ё © (1 2 ± 0 1)% , Е (ГэВ)

Рис 6 Энергетическое разрешение прототипа на основе кристаллов PbWOi

Четвертая глава посвящена исследованиям оптического пропускания и радиационной стойкости тяжелых черепковских кристаллов

Из фторидных кристаллов, используемых в лазерной технике, наибольшее внимание привлек черенковский кристалл BaYfoFs, выращенный в Институте Кристаллографии РАН (Москва) Исследование оптических свойств и радиационной стойкости показали, что кристалл BaYb2Fs с оптическим пропусканием от 200 нм - один из наиболее прозрачных черенковских радиаторов среди известных в настоящее время материалов и может быть использован в гомогенных электромагнитных калориметрах для работы в условиях высоких радиационных нагрузок в тех экспериментах, где требуется высокое энергетическое разрешение

Монокристаллы двойного вольфрамата натрия-висмута NaBi(WOi]i {NBW), известные ранее своими акусто-оптическими и лазерными свойствами, были предложены для использования в электромагнитной калориметрии в 1991 г после того, как прозрачные кристаллы NBW больших размеров были впервые выращены во ВНИИ Синтеза Минерального Сырья (г Александров) Первые результаты по изучению радиационной стойкости образцов NBW показали, что радиационное повреждение кристаллов NBW является незначительным для дозы 107 рад, что открывало возможность использования этих кристаллов в детекторах, предназначенных для работы в интенсивных е — у пучках

На рис. 7 представлена фотография одной исходной були и двух рабочих кристаллов NВУУ с размерами 22 х 22 х 200 мм3 каждый .

Рис. 7: Фотография кристаллов NaBi(W04)2-

С 1995 г. кристаллы NBW стали успешно использоваться в мониторе светимости эксперимента HERMES. Впоследствии кристаллы NBW стали использоваться в калориметре продольного поляриметра эксперимента HERMES и в детекторе мечения электронов монитора светимости эксперимента Н1.

Необходимость в сверхрадиационностойких прозрачных черенковских радиаторах стимулировала работы по улучшению оптических характеристик и радиационной стойкости кристаллов NBW.

Для подавления образования ростовых и радиационных центров оптического поглощения в кристаллах NBW использовались добавки SC2O3 и /П2О3. Легирование ионами /п3+ привело к расширению диапазона оптической прозрачности кристаллов в УФ область на ~ 50 нм. Облучение кристаллов NBW(In) дозой 3 ■ 107рад показало, что такая доза не оказывает заметного влияния на изменение их прозрачности (рис. 8).

Далее описываются результаты моделирования энергетического разрешения матриц из кристаллов NBW с использованием программы LITRANI.

Рис. 8: Спектры оптического пропускания кристаллов ИаВг{ШОь)г{риге) и ИаВ^)¥Оь)2{1п) до и после облучения дозой 30 Мрад (толщина образцов 10 мм).

Пятая глава посвящена исследованиям люминесцентных и оптических характеристик тяжелых фторидных стекол.

Сцинтиллирующие фторидные стекла на основе фторида гафния имеют очевидные преимущества по сравнению с кристаллами. Производство стекол дешевле вследствие того, что технология их изготовления менее сложна и более производительна.

Работы по фторидным стеклам начались в начале 90-х годов в России (Физический институт и Институт общей физики РАН) и Англии (Rutherford Appleton Laboratory) почти одновременно.

В Москве (ФИАН, ИОФАН) фторидные стекла на основе циркония и

гафния легировались добавками СеРз масштаба нескольких процентов В конце 1991г были получены первые сцинтиллирующие фторидные стекла на основе фторида гафния Сообщение об этих результатах на конференции "Crystal 2000" (Шамони, Франция, 22-26 сентября 1992 г) стимулировало дальнейшее продолжение исследований сцинтиллирующих фторидных стекол в Европе

Группой ФИАН изучались люминесцентные характеристики и радиационная стойкость фторгафнатных стекол в системе hff^ — мцр2 — rf^ — aif% — mif (мц и mi— катионы двух- и одновалентных металлов, r— редкоземельный катион) Базовой системой являлась система НfF\—BaFo - LaFz - AlFi

Для измерений использовались образцы фторидных стекол, синтезированные в различных условиях и легированные различными добавками

Полученные результаты измерений характеристик сцинтиллирующих фторидных стекол на основе фторида гафния представлены в таблице 3

Таблица 3

Основные характеристики фторидных стекол

Марка стекол FG- 1 FG- 2 FG- 3 FG- 4 FG-b

Плотность (г/см3) 5 98 6 04 5 83 5 84 6 93

Рад длина (см) 1 58 1 53 1 60 1 56 1 25

Радиус Мольера, ^ (см) 2 82 2 81 2 88 2 91 2 47

Световыход % от СеРз 21 2 ± 1 9 14 4 ± 1 5 19 8 ± 2 1 2 0 ± 0 2 2 4 ± 0 3

Время высвечивания (не)

быстрое 4 88 ± 0 44 3 7 ± 0 31 3 62 ± 0 33 - -

медленное 20 0 ± 3 7 17 8 ± 4 1 19 8 ± 3 9 - -

Максимум эмиссии (нм) 325 325 325 - -

Показатель преломления (для Л = 587 6 нм) 1 49 149 1 49 149 1 50

Фторидные стекла РС-4 и РС-5 являлись черенковскими радиаторами, причем в состав РС-5 для увеличения плотности был введен дополнительно

Оптическое пропускание и эмиссионный спектр фторидного стекла РС-1, который был легирован сцинтиллирующей добавкой СеРЛ) представлены на рис 9

^00 I 90

СЛ „ 80

§70 ь

60 50 40 30 20 10

J. ,

cnintillating flnnridp. gbss

Г Г

1-transmission

2-emission(arb.units)

300

400

500

600 700 wavelength,nm

Рис. 9: Оптическое пропускание и рентгенолюминесцентный спектр фторидного стекла FG-1 (толщина образца 3 мм).

Полученные результаты по сцинтиллирующим фторидным стеклам дали основание предложить эти материалы для возможного использования в качестве радиаторов ЭМ калориметра как альтернативу кристаллам CeF,3, стоимость которых высока.

В последующие годы был проведен большой объем исследований, направленных на повышение радиационной стойкости и световыхода фтор-гафнатных сцинтиллирующих стекол: исследованы характеристики стекол различного состава, влияние роди некоторых примесей и условий синтеза стекол.

В результате этих исследований были получены различные оптимальные составы стекол. С учетом требований конкретной экспериментальной задачи, они могут быть использованы в физике высоких энергий, ядерной физике и т.д.

Как известно, в 1993 —1994 гг. для электромагнитного калориметра установки Компактный Мюонный Соленоид (CMS), создаваемой на ускорителе LHC (CERN), рассматривались четыре различных варианта: гомогенные, на основе кристаллов PbWО4, CeF-s и фторидного стекла, а также многослойный свинцово-сцинтилляционный.

С целью определения конкурентоспособности фторидных стекол были проведены расчеты методом Монте-Карло энергетического разрешения элек-

* 1

I09

a, "0 8

07

06

05

04

03

02

0 1

0

20

Sf-.ntillnting flnnnrlff glass

3x3 glass matnx Fit parameters

stochastic term b ^ 3 48 +/- 0 12% constant term c=0 21 +/- 0 01%

40

60

80

100 120

E(GeV)

Рис 10 Энергетическое разрешение электромагнитного калориметра на основе фто-ридных стекол в зависимости от энергии эчектронов (моделирование методом Монте-Карло)

тромагнитного калориметра на основе сцинтиллирующих фторидных стекол Было проведено моделирование прототипа, состоящего из 9 стеклянных модулей в форме усеченной пирамиды, имеющих сечение переднего торца 22 х 22 мм2 и длину 25 Хо Каждый модуль просматривался фотоумножителем ХР2978, чувствительным в спектральной области 160 — 650 нм

Энергетическое разрешение было определено в диапазоне энергий электронов 20 — 120 ГэВ (см рис 10) и фитировалось функцией вида

(5>

где Е- энергия (ГэВ), b = (3 48 ± 0 12)%, с = (0 21 ± 0 01)%

Полученные результаты по энергетическому разрешению показывают, что сцинтиллирующие фторидные стекла вполне конкурентоспособны по сравнению с известными сцинтилляционными кристаллами

В шестой главе приводится описание эксперимента HERMES, в котором для измерения светимости в течение 12 лет использовались радиацион-ностойкие кристаллы NaBi{WOi)2

FIELD CLAMPS -

DVC

HODOSCOPE Hi STEEL PLATE

TRlQGER HODOSCOPE H1

DRIFT CHAMBERS

PRESHOWER <H2) _ _

Uli ■

IПП L LUMINOSITY I

1рип

I ~ ^р^Г ВС 3/4 I TRD " ~"CAbOßll^ETER вЦЛН

27.5 GeV

е+

CAbOßll£ETER HB! 140 mrad

IRON WALL"

MUON HODOSCOPES

Рис. И: Спектрометр HERMES.

Эксперимент HERMES располагался в Восточном зале накопителя HERA в лаборатории "Немецкий электронный синхротрон" (DESY) в Гамбурге, Германия (рис. 11). Эксперимент был запущен в 1995 г. и нацелен на исследование спиновой структуры нуклонов с помощью глубоко-неупругого рассеяния поляризованных пучков позитронов(электронов) на поляризованных газовых струйных мишенях. Проведение эксперимента было инициировано проблемой "спинового кризиса", так как в предыдущих экспериментах только 27% спина нуклона объяснялось спином составляющих его кварков.

Детектор HERMES являлся передним магнитным спектрометром и служил для определения импульса заряженных частиц, образующихся в мишени, а также их идентификации. Трековая система детектора HERMES состояла из дрейфовых камер перед магнитом для определения углов рассеяния и первичной траектории частицы. Дрейфовые камеры, расположенные за магнитом, использовались для измерения импульса частиц. Пропорциональные камеры, установленные внутри магнита, использовались для измерения координат треков частиц в области магнитного поля.

Детектор HERMES обеспечивал хорошее разделение позитронов, пионов, протонов и каонов с помощью четырех подсистем идентификации частиц: электромагнитного калориметра на основе свинцовых стекол; сцинтилля-ционных годоскопов Hl, Н2; детектора переходного излучения (TRD) и кольцевого черенковского детектора (RICH).

В состав детектора HERMES входил монитор светимости, состоящий из 2-х калориметров полного поглощения, созданных на основе черепковских кристаллов NaBi{WOi)2 (NBW)

Основной задачей монитора светимости эксперимента HERMES являлось измерение относительной светимости для противоположных состояний спина в поляризованной мишени при измерениях асимметрии сечений глубоко-неупругого рассеяния В то же время измерение абсолютных структурных функций и неполяризованного полуинклюзивного рождения адронов предполагало измерение абсолютной светимости

Монитор светимости измерял скорость счета совпадений частиц от упругого рассеяния позитронов (электронов) пучка на электронах атомов газовой мишени Скорость счета совпадений пропорциональна количеству атомных электронов и, следовательно, количеству нуклонов в мишени

1 2 3

4 5 б

7 8 9

10 11 12

13 14 15

16 17 18

19 20 21

22 23 24

Рис 12 Схема регистрации е+е-рассеяния монитором светимости В—поляризованный позитронный пучок коллайдера HERA, Г—поляризованная газовая мишень эксперимента HERMES, L—левый калориметр монитора светимости, Л—правый калориметр монитора светимости

В случае позитронного пучка монитор светимости регистрировал процессы е+е~ е+е~ (Bhabha-рассеяние) и аннигиляцию электрон-позитронной пары в 2 фотона е+е~ —> 77 (рис 12) Частицы от упругого М011ег-рассея-ния е~е~ —> е~е~~ регистрировались в случае, если в накопителе HERA циркулировали электроны

Седьмая глава посвящена разработке и созданию монитора светимости эксперимента HERMES

Для измерения светимости на установке HERMES предполагалось разместить два детектора лептонов в специальном сужении вакуумной камеры электронного пучка на расстоянии 7 2 м от места взаимодействия на расстоянии нескольких мм от первичного пучка, где имеется высокий радиационный фон Таким образом, одним из главных требований к детекторам, которые могли быть использованы в качестве монитора светимости эксперимента HERMES, является высокая радиационная стойкость (до 1 Мрад/год) Детекторы должны были обладать хорошим временным разрешением и способны работать при высоких загрузках в течение длительного времени набора статистики Из-за жесткого ограничения на размеры детекторов допускалось применение только калориметров полного поглощения, радиаторы которых должны обладать малыми радиационной длиной и радиусом Мольера Для регистрации рассеянных лептонов под малыми углами целесообразно было выбрать детекторы на основе кристаллов -радиаторов излучения Черепкова, которые не чувствительны к малоэнергичному фону заряженных частиц

На начало 90-х годов кристаллы NBW являлись наиболее приемлемыми для использования в мониторе светимости эксперимента HERMES

С целью более корректной оценки длины радиатора, были проведены расчеты методом Монте-Карло энергетического разрешения для кристаллов NBW с разной длиной В этих расчетах использовалась программа GEANT (версия 3 15) для моделирования электромагнитных ливней

Проводилась оценка энергетического разрешения для разных длин кристаллов NBW в интервале 8 —28 см и для энергий электронов 3,10, 20 ГэВ На рисунке 13 представлены результаты расчетов Видно, что для длин кристаллов NBW 17 — 18 см зависимость разрешения имеет минимум При дальнейшем увеличении длины кристалла энергетическое разрешение ухудшается за счет поглощения света в кристалле Длина кристаллов NBW для монитора светимости была выбрана 20 см с учетом того, что эти кристаллы в дальнейшем могут быть использованы в других экспериментах

Первые пучковые исследования прототипа калориметра из кристаллов NBW были проведены на электронном пучке DESY в 1993 году с целью изучения возможности использования этих кристаллов в мониторе светимости эксперимента HERMES

g. s

E

O) W

10

°1 8 5 16 23 5 31

length(cm)

Рис 13 Зависимость разрешения по энергии от длины кристаллов NBW

Прототип электромагнитного калориметра состоял из четырех идентичных кристаллов NBW с размерами 22 X 22 X 200 мм3 каждый Кристаллы были выращены во ВНИИ Синтеза Минерального Сырья методом Чо-хральского из смеси Na^CO3 + В12О3 + WО3

Энергетическое разрешение прототипа, измеренное в интервале энергий электронов 1 — 6 ГэВ, составило 6 5% для энергии 5 ГэВ

Исследования прототипа показали принципиальную возможность создания полномасштабных калориметров для монитора светимости эксперимента HERMES

Тридцать кристаллов NBW для монитора светимости были изготовлены в течение 1994 г во ВНИИСИМС

Монитор светимости эксперимента HERMES представлял собой два калориметра полного поглощения, каждый из которых состоял из 12 кристаллов NBW длиной 20 см

Фотоумножители, используемые в мониторе светимости, также подвергались большим радиационным нагрузкам, поэтому в качестве фотодетектора были выбраны фотоумножители фирмы Hamamatsu R4125Q с радиацион-ностойким кварцевым окном и мультищелочным фотокатодом диаметром 15 мм

ФЭУ и кристаллы были помещены в специальный металлический корпус

1 1 1 1 1 1 1 1 , . , . | , , 1 1 Energy

- ж А 3 GeV

т ▼ 10 GeV

О го Gev

О

А Cutfl

Т

« о E(?)>1 MeV

* ▼ Е(е)>0 5 MeV

2 *

А 4 4 A 4 » » 4 Ж

- т. , . 1 . , , . 1 5'5!o' 0 î 0 . , , , 1 , , , ,

с внешними размерами 90х 110x830 мм3, защищающий ФЭУ одновременно от воздействия света и магнитного поля (рис 14)

Сигнальные и HV- разъемы

NBW-кристаллы

HV делитель

Оптические Волокна

Рис 14 Конструкция и внешний вид монитора светимости

Каждый детектор был установлен на своем движущемся столе типа KR 3306AE+400LH (ТНК, Япония) На столе был смонтирован шаговый двигатель Phytron RSS 65 200 5, управляемый программируемым контроллером Phytron IXE — а — С — Т Для того чтобы избежать повреждения кристаллов во время инжекции и сброса пучка, оба детектора отодвигались на 20 см от пучковой трубы в положение парковки

Мониторирование детектора осуществлялось с помощью коротких импульсов света от красного лазера системы мониторирования HERMES Эти импульсы передавались по оптическим волокнам на торец каждого кристалла

Для независимого контроля каналов монитора светимости использовались источники света на основе ярких сцинтилляционных кристаллов Lu2Si05{LS0) и Y3Al5Ol2(YAG)

В восьмой главе описана работа монитора светимости в составе эксперимента HERMES

Калибровка калориметров монитора светимости, а также исследование их энергетических и пространственных характеристик проводились на тестовом электронном пучке ОЕБУ в интервале энергий 1 — 6 ГэВ

Калибровочные коэффициенты, вычисленные для всех 24 каналов монитора светимости, впоследствии применялись при реконструкции энерговыделения в калориметрах монитора светимости при их работе в реальном эксперименте

Экспериментальное энергетическое разрешение матрицы 3x3 калориметра монитора светимости представлено на рис 15

Рис 15 Экспериментальное энергетическое разрешение матрицы 3x3 калориметра монитора светимости

Энергетическое разрешение монитора светимости описывается выражением

^--ffl —ffic (6)

где знак ©— означает квадратичное суммирование,

Е— энергия (ГэВ),

а = (4 3 ± 0 8)%, Ъ = (9 3 ± 0 4)%, с = (0 3 ± 1 4)%

Полученное энергетическое разрешение монитора светимости, созданного на основе черенковских кристаллов NBW, конечно, хуже, чем для сцин-тилляционных кристаллов, однако вполне удовлетворительное для работы монитора в составе эксперимента HERMES

Известно, что пространственное разрешение годоскопического калориметра определяется соотношением между шириной профиля электромагнитного ливня и поперечными размерами ячейки калориметра

Перемещая один из калориметров монитора светимости относительно электронного пучка в поперечном направлении с шагом 2 мм, был измерен профиль электромагнитного ливня, позволяющий определить параметры ливня для кристаллов А?ВШ Для определения параметров ливня вычислялась асимметрия сигналов в смежных колонках кристаллической матрицы в зависимости от координаты падающего электрона хгтр (рис 16)

Ч = (АаЛЪ ~ Асоц)/{АСО12 + Асоп) (7)

где Асопи Ат12— энерговыделения в колонках 1, 2 матрицы 3x3

«=■ 1 08 06 04 02 О -0 2 -0 4 -0 6 -О 8 -1

Рис 16 Зависимость асимметрии г) = (Лсо(2 - АсоП)/(АС012 + АсоП) от координаты падающего электрона с энергией 3 ГэВ

Экспериментальные значения асимметрии Г] аппроксимировались функцией (рис 16)

Фгтр) = - + 2а1Ь1(е-^-1/62 - (8)

\%гтр\

где а, и - параметры электромагнитного ливня для кристаллов ЫВIV, определяемые фитом

Для реконструкции координат входа электронов в кристаллическую матрицу уравнение (8) численно инвертировалось. Из полученных распределений реконструированных координат определялись среднее значение х и пространственное разрешение ах для каждой точки входа электрона. На границе между двумя кристаллами пространственное разрешение имеет минимальную величину 1.19 мм для электронов с энергией 3 ГэВ.

Триггер и система сбора данных монитора светимости служили для записи коррелированных событий ВЬаЬЬа (М011ег)-рассеяния с целью измерения светимости. Триггерный сигнал вырабатывался в том случае, если энерговыделение в каждом калориметре превышало 4.5 ГэВ и, таким образом, коррелированные события ВЬаЬЬа (М011ег)-рассеяния отделялись от фоновых, большинство из которых имели высокое энерговыделение только в одном калориметре (рис.17). Если энерговыделение только в одном калориметре превышало 4.5 ГэВ, то в этом случае триггерный сигнал также поступал на запуск амплитудно-цифрового преобразователя ЬеСгоу 1881М для записи событий упругого рассеяния лептонов на ядрах мишени. Такие события с энерговыделением около 27.5 ГэВ в каждом калориметре использовались для их калибровки.

Ек (ОеУ)

Рис. 17: Двумерный спектр, выделенной в мониторе светимости энергии. Е^ и Ец -энергии для левого и правого калориметра. Штрих-линия обозначает порог дискриминатора, соответствующий энергии 4.5 ГэВ.

Так как электромагнитные калориметры монитора светимости предполагалось использовать также для измерений в рамках физической про-

граммы эксперимента HERMES, то была организована независимая "физическая" ветвь системы сбора данных, которая управлялась центральным триггером HERMES.

В этой ветви регистрировались события глубоко-неупругого рассеяния лептонов на ядрах мишени, а также рассеянные электроны в реакции рождения J/ï/> в целях полной реконструкции кинематики событий.

Для коррекции измеряемой энергии частиц, связанной с утечкой электромагнитного ливня, а также для определения положения первичного леп-тонного пучка, необходима реконструкция координат точек входа частиц в монитор светимости.

Координаты х, у точек входа частиц определялись с помощью зависимости асимметрии сигналов т](х) (8), полученной при калибровке монитора светимости в электронном пучке. Из рис. 18 видно, что наиболее загруженные каналы находятся в крайнем ряду, расположенном ближе всего к пучку. Для определения первичной энергии частиц, которые попали в крайние кристаллы, необходимо учесть утечку электромагнитного ливня за размеры кристалла.

-, 60

Г| I I I п п I I | I | I | I | | 1 | | I I I I I I I I I | | | I I | | I I | | | | 1 м

-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100

х (тт)

Рис. 18: Точки входа частиц от событий ВЬаЬЬа-рассеяния и е+е~- аннигиляции в калориметры монитора светимости.

Первичная энергия электрона, который попал в крайние кристаллы, определялась по формуле:

Есог

Е'

(9)

где Е' — энергия измеренная калориметром, асог(хе) и асог(уе)— коэффициенты коррекции, учитывающие утечку электромагнитного ливня.

Калибровочные коэффициенты, первоначальный набор которых был получен на тестовом пучке электронов, могут изменяться со временем из-за нестабильности усиления ФЭУ и ухудшения прозрачности кристаллов из-за радиационных повреждений. Следовательно, калориметр должен быть периодически перекалиброван, чтобы продолжать правильно измерять энергию падающих частиц.

О 5 10 15 20 25 30 35

Е(СеУ)

Рис. 19: Энергетическое распределение позитронов, упруго рассеянных на ядре мишени.

Для калибровки использовались события от процесса упругого рассеяния позитронов пучка на ядре мишени (рис. 19). Калибровочная процедура состояла из периодического определения набора калибровочных коэффициентов {с,} путем итерационной процедуры минимизации функционала:

где Ео — энергия частиц пучка (27.5 ГэВ); г - номер канала; А{, Р\ амплитуда и пьедестал в г - канале АЦП.

£ 450

Ей • (Аг - Рг) = Е0,

(10)

На установке с фиксированной мишенью, какой является детектор HERMES, для измерения светимости использовался процесс упругого рассеяния лептонного пучка на электронах атомов газовой мишени

Монитор светимости регистрировал на совпадение рассеянные частицы, энерговыделение которых в калориметрах превышало 4 5 ГэВ Зная скорость счета совпадений R, можно определить светимость L

где е- эффективность регистрации монитором светимости процесса рассеяния, а интегрирование производилось по области геометрического аксеп-танса монитора светимости

Для вычисления (12) использовалось компьютерное моделирование методом Монте-Карло с помощью программы GEANT

Для позитронного пучка расчеты интегрального сечения а проводились с помощью генераторов ВЬаЬЬа-рассеяния и е+е~- аннигиляции с учетом радиационных поправок В случае электронного пучка использовался генератор М011ег-рассеяния

Учет всех источников систематических ошибок в определении абсолютной светимости давал погрешность AL/L = 6 3%, наибольший вклад в которую вносила неопределенность величины геометрического аксептанса монитора

В эксперименте HERMES монитор светимости кроме своей основной функции - измерения светимости, использовался также для определения положения первичного лептонного пучка

Положение пучка измерялось с помощью реконструированных координат точек входа частиц от Bhabha (М011ег)-рассеяния в калориметры монитора Здесь использовался тот факт, что точка пересечения двух линий, соединяющих точки входа двух треков в монитор для двух разных событий, является также точкой пересечения пучка с плоскостью передней стенки монитора (рис 20) Положение лептонного пучка определялось фитирова-нием полученных распределений координат пучка хьеаm» Уьеат

сг

Сечение процесса рассеяния а определялось как

(И)

(12)

5о ' ' 11 i 1 i > i i I i 11 11 i < i < 11 > i i К < 11 11 11 i 111 i < 11 i i -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100

x (mm)

Рис. 20: Определение положения лептонного пучка с помощью монитора светимости. Распределения координат пучка хьеат, Уьеат определялись путем соединения точек входа частиц в левый и правый калориметры прямыми линиями.

Метод определения положения первичного лептонного пучка с помощью монитора светимости периодически использовался для оптимального наведения пучка на газовую мишень установки HERMES.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Основные результаты и выводы диссертации

1. Создана многофункциональная установка для исследования оптических и сцинтилляционных характеристик кристаллов и стекол, предназначенных для работы на современных ускорителях в условиях высоких радиационных нагрузок.

2. Показано, что легирование сцинтилляционных кристаллов CeF\3 ионами Ва2+ приводит к повышению их радиационной стойкости. Благодаря этому, радиационная стойкость кристаллов CeF$ была повышена до дозы « 107 рад.

3 Разработан способ повышения радиационной стойкости кристаллов PbWOi путем их отжига в атмосфере чистого инертного газа при давлении 0 8—15 атм и температуре 780 — 950 °С На способ получения кристаллов вольфрамата свинца получен патент Российской Федерации

4 Впервые были разработаны новые материалы для использования в электромагнитной калориметрии - сцинтиллирующие стекла на основе фторидов тяжелых металлов (HfFi и др ) Фторидные стекла имеют плотность ~ 6 г/см3, радиационную длину ~ 1 6 см, они прозрачны в области > 300 нм Перспективность использования таких стекол определяется в первую очередь экономическими соображениями, меньшими затратами на получение модулей электромагнитного калориметра, что может быть решающим фактором при крупномасштабном производстве

5 Впервые предложен для использования в электромагнитной калориметрии и исследован прозрачный фторидный кристалл BaYb^F^ с оптическим пропусканием > 200 нм

6 Улучшены оптическое пропускание и радиационная стойкость тяжелых черенковских кристаллов NaBi(W0^2 путем их легирования ионами Sci+ и /п3+, что значительно расширяет область применения этих кристаллов в электромагнитной калориметрии

7 По результатам испытаний прототипа монитора светимости на основе кристаллов NaBi{WOi)2 был сделан вывод о принципиальной возможности создания полномасштабных калориметров для измерения светимости в эксперименте HERMES

8 Созданы два электромагнитных калориметра монитора светимости эксперимента HERMES, состоящие из 2 х 12 кристаллов NaBi{WO\)г, проведено тестирование и калибровка монитора светимости в электронном пучке в диапазоне энергий 1—6 ГэВ Измеренное энергетическое разрешение монитора светимости составило

а в 4 3% ^ 9 3%

Е Е у/Ё

©0 3%

9 Разработана методика измерения светимости в эксперименте HERMES, основанная на регистрации процесса упругого рассеяния лептонного пучка коллайдера HERA на электронах атомов газовой мишени

10 В 1995 г монитор введен в состав установки HERMES и успешно использовался для измерения светимости в течение 12 лет

11 Разработан метод определения положения лептонного пучка коллай-дера HERA с помощью реконструкции координат точек попадания частиц в монитор светимости Метод широко применялся в практике измерений на установке HERMES

12 Проведены исследования характеристик прототипа электромагнитного калориметра на основе кристаллов PbWOi в области энергий 1-6 ГэВ с целью использования этих кристаллов на коллайдере HERA

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1 A A Aseev, Е G Devitsin, , V A Kozlov et al, New radiation hard heavy crystals for E M calormietry // Proc 2nd Int Conf on Calonmetry in High Energy Physics, Oct. 14-18, 1991, Capri, Italy, ed by A Ereditato, World Scientific, Singapore, 1992, 313-319

2 G I Britvich, A I Peresypkin, , V A Kozlov et al, A study on the characteristics of some materials for electromagnetic calorimeters // Nucl Inst Meth A308 (1991) 509-513

3 E G Devitsin, L N Dmitruk, , V A Kozlov et al, Heavy fluoride glasses as promising materials for application in electromagnetic calorimetry // Lebedev Phys Inst preprint n°25, Moscow, 1992

4 E G Devitsin, L N Dmitruk, , V A Kozlov et al, Heavy scintillating fluoride glasses as promising materials for electromagnetic calonmetry in high energy physics // Proc "Crystal 2000" Int Workshop on Heavy Scintillators for Scientific and Industrial Applications, Sept 22-26,1992, Chamonix, France, ed by F De Notanstefam et al, Editions Frontieres, 1993, 401-406

5 A A Aseev, E G Devitsin, , V A Kozlov et al, CeF3(Ba) radiation hard scintillator for electromagnetic calorimeters // Nucl Inst Meth A313 (1992) 340-344

6 A A Aseev, E G Devitsm, , V A Kozlov et al, BaYb2F^, a new radiation hard Cherenkov radiator for electromagnetic calorimeters // Nucl Inst Meth A317 (1992) 143-147

7 E Г Девицин, В А Козлов, С Ю Поташов Расчеты распределений радиационной нагрузки на фторидные стекла в электромагнитном кало-

риметре методом Монте-Карло // Краткие сообщения по физике ФИАН, №7-8(1994) 3-6

8 Е G Devitsin, N Yu Kirikova, , V A Kozlov et al, Emission properties of cerium-doped fluoro-hafnate glasses studied by synchrotron radiation excitation // Proceedings of Inter Conf on Inorganic Scintillators and Their Applications (SCINT 95), Aug 28 - Sept 1,1995, Delft, The Netherlands, ed by P Doren-bos and С W E van Eijk, Delft University Press, 1996, 407-410

9 L N Dmitruk, S Ch Batygov, , V A Kozlov et al, Optimization of basic matrix composition of scintillating fluonde-hafnate Ce3+ doped glasses // Proceedings of Inter Conf on Inorganic Scintillators and Their Applications (SCINT 95), Aug 28 - Sept 1, 1995, Delft, The Netherlands, ed by P Dorenbos and С W E van Eijk, Delft University Press, 1996, 502-504

10 M V Belov, E G Devitsin, , V A Kozlov et al, Characteristics of scintillating PbWOi crystals produced at different growing conditions // Proceedings of Inter Conf on Inorganic Scintillators and Their Applications (SCINT 95), Aug 28 - Sept 1, 1995, Delft, The Netherlands, ed by P Dorenbos and С W E van Eijk, Delft University Press, 1996, 270-273

11 E Devitsin, V Kozlov, S Potashov Monte-Carlo simulation of radiation dose distribution in electromagnetic calorimeter of CMS // CMS technical note, TN/95-190, CA ECXL, CERN, Geneva, 1995

12 M V Belov, E G Devitsin, V A Kozlov et al, Characteristics of scintillating PbWOi crystals produced at different growing conditions // CMS technical note, TN/95-191, CA ECXL, CERN, Geneva, 1995

13 T Ludziejewski, К Moszynska, , V Kozlov et al, Advantages and limitations of LSO scintillator m nuclear physics experiments / / IEEE Transactions on Nucl Science, Vol 42, 4(1995) 328-336

14 L Dmitruk, N Vinogradova, , V Kozlov et al, Scintillating HfF.4-based glasses doped cerium chloride and cerium oxide compounds //J Non-Cryst Solids 213&214 (1997) 311-314

15 О Arzhatkina, S Batygov, , V Kozlov et al, Further progress in R&D of scintillating fluoride glasses // Lebedev Phys Inst preprint №24, Moscow, 1997

16 К Ackerstaff, A Airapetian, , V Kozlov et al, Measurement of the neutron spin structure function gin with a polarized 3He internal target // Phys Lett B404 (1997) 383-389

17 E G Devitsin, N Yu. Kirikova, , V A Kozlov et al, Time-resolved

studies of emission properties of cerium doped fluoro-hafnate glasses under VUV synchrotron radiation excitation // Nucl Inst Meth A405 (1998) 418-422

18 A Airapetian, N Akopov, , V Kozlov, et al , Measurement of the proton spin structure function g\(p) with a pure hydrogen target // Phys Lett B442 (1998) 484-492

19 К Ackerstaff, A Airapetian, , V Kozlov et al , The HERMES spectrometer // Nucl Inst Meth A417 (1998) 230-265

20 T Бениш, С Бернрайтер, , В Козлов и др Определение положения электронного пучка монитором светимости эксперимента HERMES // Препринт ФИ АН 7V°16, М , 1999

21 Т Бениш, С Бернрайтер, , В Козлов и др Калибровка монитора светимости установки HERMES // Краткие сообщения по физике ФИАН, iV°5(1999) 33-38

22 Е Devitsm, V Kozlov, S Potashov et al , Monte-Carlo simulation of energy resolution of PbWOi end cap type crystal matrix // Lebedev Phys Inst preprint N°7, Moscow, 2000

23 A Airapetian, N Akopov, , V Kozlov, et al, Measurement of the spin asymmetry in the photoproduction of pairs of high p(T) hadrons at HERMES // Phys Rev Lett 84 2584-2588, 2000

24 E Devitsm, V Kozlov, S Potashov et al, NaBi{WOA)2 Sc a new radiation hard Cherenkov radiator for electromagnetic calorimeters // Lebedev Phys Inst preprint №l, Moscow, 2000

25 Th Benisch, S Bernreuther, , V Kozlov et al, The luminosity monitor of the HERMES experiment at DESY // Proceedings of the 5-th International Conference on Inorganic Scintillators and Their Applications (SCINT99), Aug 16-20, 1999, Moscow, ed by V Mikhaihn, Moscow State University, 2000, 730734

26 L N Dmitruk, SCh Batygov, ,VA Kozlov et al, Effect of impurities on the radiation hardness of the scintillating fluorohafnate glasses // Proceedings of the 5-th International Conference on Inorganic Scintillators and Their Applications (SCINT99), Aug 16-20, 1999, Moscow, ed by V Mikhaihn, Moscow State University, 2000, 708-714

27 V A Nefedov, В I Zadneprovski, , V A Kozlov et al , "Transparency and radiation hardness of Cherenkov crystals NaBi(WOi)2 Sc // Radiation Measurements 33 (2001) 597-600

28 E G Devitsm, V A Kozlov, S Yu. Potashov et al , Non-stoichiometry

defects and radiation hardness of lead tungstate crystals PbWOn // CMS Conference Report, CMS CR 2001/013, CERN, Geneva, 2001

29 T Benisch, S Bernreuther, , V Kozlov et al, The luminosity monitor of the HERMES experiment at DESY // Nucl Inst Meth A471 (2001) 314-324.

30 E Devitsin, V Kozlov, S Yu Potashov et al, Non-stoichiometry defects and radiation hardness of lead tungstate crystals PbWOi // Nucl Inst Meth A486 (2002), 336-344

31 В I Zadneprovski, V A Nefedov, , V A Kozlov et al, Improvement of optical properties and radiation hardness of NaBi(WOi)2 Cherenkov crystals // Nucl Inst Meth A486 (2002), 355-361

32 В.И Заднепровский, B.A. Козлов, JI H Моисеева и др , Черенков-ские кристаллы NaBi(WOi)2 In для электромагнитной калориметрии // Краткие сообщения по физике ФИАН, №7(2007) 19-25

33 Е Г Девицин, В А Козлов, В Корбель и др , Исследование характеристик электромагнитного калориметра на основе кристаллов PbWO^ // Краткие сообщения по физике ФИАН, №1(2008) 12-18

Патент

Е Г Девицин, Б И Заднепровский, В А Козлов, В А Нефедов, Е В Полянский, С Ю Поташов, А Р Теркулов Способ получения сцинтилляци-онных монокристаллов вольфрамата свинца Патент РФ №2202011 Приоритет от 24 04 2002 Бюллетень изобрет, №10 (2003)

Подписано в печать _2008 г

Формат 60x84/16 Заказ № Тираж ?0 экз Объем 2 5"пл

Отпечатано в Редакционно-издательской и информационной службе Физического института им П Н Лебедева РАН с оригинал-макета заказчика 119991 Москва, Ленинский проспект, 53 Телефон- (499) 783 36 40

Введение.

1 Электромагнитные калориметры в экспериментах по физике высоких энергий.

1.1 Общие характеристики гомогенных электромагнитных калориметров.

1.2 Требования к кристаллам, применяемым в физике высоких энергий.

1.3 Современные электромагнитные калориметры на основе сцинтилляционных кристаллов.

1.3.1 Эксперимент L3.

1.3.2 Эксперимент KTeV.

1.3.3 Эксперименты Belle и ВаВаг.

1.3.4 Эксперимент CMS.

1.3.5 Эксперимент ALICE.

1.3.6 Эксперимент BTeV.

1.4 Электромагнитная калориметрия на основе черенковских кристаллов.

2 Экспериментальные установки для исследования люминесцентных и оптических характеристик кристаллов и стекол.

2.1 Определение световыхода сцинтилляционных кристаллов и стекол.

2.2 Определение времени высвечивания сцинтилляционных кристаллов и стекол.

2.3 Радиационные повреждения в кристаллах.

2.4 Измерение оптического пропускания и радиационной стойкости кристаллов.

2.5 Измерение радиационной стойкости кристаллов для малых доз облучения в режиме on-line.

2.6 Методы выращивания неорганических монокристаллов.

3 Перспективные сцинтилляционные кристаллы для электромагнитных калориметров.

3.1 Фторидные кристаллы CeF3.

3.1.1 Световыход и время высвечивания кристаллов CeF3.

3.1.2 Радиационная стойкость кристаллов CeFz.

3.2 Кристаллы вольфрамата свинца PbWO4.

3.2.1 Оптические и люминесцентные характеристики кристаллов PWO, выращенных во ВНИИ Синтеза Минерального Сырья.

3.2.2 Радиационная стойкость кристаллов PWO.

3.2.3 Исследование прототипа электромагнитного калориметра на основе кристаллов PWO в электронном пучке.

4 Радиационностойкие черенковские кристаллы.

4.1 Черенковские фторидные кристаллы BaYbïFç,.

4.2 Кристаллы вольфрамата натрия - висмута NaBiiWO4)2.

4.2.1 Улучшение оптических характеристик и радиационной стойкости кристаллов NaBi(WO4)2.

4.2.2 Расчеты энергетического разрешения электромагнитного калориметра на основе кристаллов ИВШ методом Монте-Карло.

5 Тяжелые сцинтиллирующие фторидные стекла.

5.1 Сцинтиллирующие фторидные стекла - новые материалы для электромагнитных калориметров.

5.2 Исследование люминесцентных и радиационных характеристик фторид-ных стекол.

5.3 Повышение радиационной стойкости и световыхода фторидных стекол.

5.4 Расчеты характеристик электромагнитного калориметра на базе фторидных стекол методом Монте-Карло.

6 Установка HERMES на коллайдере HERA.

6.1 Физическая задача.

6.2 Поляризованный лептонный пучок.

6.3 Газовая струйная мишень.

6.4 Детектор HERMES.

6.5 Задачи монитора светимости.

7 Разработка и создание монитора светимости эксперимента HERMES.

7.1 Оптимизация длины радиатора электромагнитного калориметра.

7.2 Исследование прототипа монитора светимости в электронном пучке.

7.3 Изготовление и процедура контроля кристаллов NaBi(WO4)2.

7.4 Конструкция монитора светимости.

7.4.1 Система мониторирования.

8 Работа монитора светимости в составе установки

HERMES.

8.1 Калибровка и тестирование монитора светимости в электронном пучке.

8.2 Система триггера и сбора данных.

8.3 Реконструкция координат и энергий частиц, попадающих в монитор светимости.

8.4 Калибровка с использованием событий упругого рассеяния электронов на ядрах мишени.

8.5 Измерение светимости в эксперименте HERMES.

8.6 Дополнительное применение монитора светимости.

8.6.1 Определение положения первичного лептонного пучка.

8.6.2 Измерение поляризации мишени с помощью монитора светимости.

8.6.3 Определение плотности газовой мишени.

В современных экспериментах в области физики высоких энергий в качестве детекторов, измеряющих энергию электронов и фотонов, применяются электромагнитные калориметры. В гомогенных (однородных) электромагнитных калориметрах радиатор является активным детектором, преобразующим выделенную в нем энергию в сцинтилляционный свет, черенковское излучение или электрический заряд.

В дальнейшем будут рассматриваться только гомогенные электромагнитные калориметры на основе неорганических кристаллов (сцинтиллято-ров и черенковских радиаторов).

Как правило, электромагнитные калориметры на базе сцинтилляцион-ных кристаллов обеспечивают лучшее энергетическое разрешение в широком интервале энергий электронов и фотонов.

В течение ряда лет сцинтилляционные кристаллы Nal(Tl) были единственными для использования в многоканальной электромагнитной калориметрии. Эксперимент Crystal Ball, основу которого составляли 732 кристалла Nal(Tl), ярко продемонстрировал возможности калориметра с высоким энергетическим разрешением при исследованиях рождения очарованных частиц [1]. Надо отметить, что использование кристаллов Nal(Tl) в электромагнитной калориметрии существенно ограничивалось из-за их сильной гигроскопичности, а также больших радиационной длины и радиуса Мольера.

В связи с увеличением размеров экспериментов в электромагнитной калориметрии стали использоваться более плотные кристаллы CsI{TÏ) и Bi^Ge^Oyi (BGO). На базе этих кристаллов были созданы электромагнитные калориметры для прецизионного измерения энергий электронов и фотонов в экспериментах на е+е~ коллайдерах: L3 (BGO); Belle и ВаВаг ('CsI(Tl)) [1]. Однако серьезным недостатком кристаллов CsI{TÏ) и BGO было медленное высвечивание. Очевидно, что электромагнитные калориметры, создаваемые для новых коллайдеров, должны обладать высоким быстродействием, позволяющим уменьшить эффект наложения событий ("pile-up").

11 Быстрые"сцинтилляторы, такие как BaF2 (т « 0.6 не) и CeF^ (т « 30 не), рассматривались как возможные кандидаты для использования в качестве радиаторов электромагнитных калориметров на коллайдерах SSC и LHC, однако эти кристаллы-фториды достаточно дороги [2].

В настоящее время тяжелые сцинтилляционные кристаллы PbWO4 являются наиболее используемыми в экспериментах по физике высоких энергий, но в ряде планируемых экспериментов кристаллы вольфрамата свинца не удовлетворяют требованиям к их радиационной стойкости (см. раздел 3.2).

Актуальность темы

В конце 80-х годов, в связи со строительством новых ускорителей на встречных пучках (УНК, SSC, LHC), особенно актуальным стал поиск новых перспективных материалов для электромагнитной калориметрии, способных работать в условиях высоких радиационных нагрузок (> 107 рад/год). Требования к материалам были довольно жесткими - кристаллы и стекла должны были обладать высокой плотностью, быстрым временем высвечивания и высокой радиационной стойкостью. Известно, что на кол-лайдере LHC (CERN,Женева) светимость достигнет 1034см2сек-1. Расчеты показывают, что для такой светимости радиационная нагрузка и нейтронный флюенс в области электромагнитного калориметра эксперимента CMS для псевдобыстроты \q\ = 3 составляют 15 Gy/час и 1014п/см2/год соответственно [3].

На существующих ускорительных комплексах также были востребованы радиационностойкие кристаллы для вновь создаваемых электромагнитных калориметров.

В 1993 г. на коллайдере HERA (DESY, Гамбург) начались работы по созданию эксперимента HERMES, нацеленного на изучение спиновых структурных функций нуклона с помощью глубоко-неупругого рассеяния поляризованных пучков лептонов на поляризованных газовых мишенях. Одним из важных компонентов установки HERMES должен был быть монитор светимости, расположенный в нескольких миллиметрах от первичного пучка и регистрирующий частицы от Bhabha (М011ег)-рассеяния в режиме совпадений. Поэтому требования к монитору светимости были следующими: высокая радиационная стойкость (> 106 рад), высокое временное разрешение (< 10 нсек), стабильная работа в течение длительного времени набора данных. Так как монитор светимости должен был располагаться в ограниченном пространстве, то активные материалы для создания электромагнитных калориметров монитора светимости (кристаллы или стекла) должны были обладать малыми радиационной длиной и радиусом Мольера для обеспечения компактности и высокого пространственного разрешения. Выбор подходящего материала и создание полномасштабного монитоpa светимости стали исключительно актуальной задачей.

С конца 80-х годов интенсивно исследовались различные фторидные и оксидные кристаллы, такие как PbF2, BaF2, CeF3, Bi^Ge^O^ Gd2SiO§, PbWO4 и др., с целью их применения в радиационностойких электромагнитных калориметрах. Перспективные кристаллы изучались как специалистами, работающими в области физики высоких энергий, так и в области спектроскопии и выращивания кристаллов. В ЦЕРНе была организована коллаборация "Crystal Clear Collaboration", чьей целью являлась разработка и изучение перспективных кристаллических материалов для применения их на коллайдере LHC.

В течение последних 20 лет группа Физического института имени П.Н. Лебедева во главе с автором данной работы вела разработку и исследования новых сцинтилляционных и черенковских кристаллов, а также сцин-тиллирующих фторидных стекол. Эти разработки проводились как для планируемых в то время экспериментов по физике высоких энергий на коллайдерах УНК, HERA и LHC, так и для вновь создаваемых экспериментальных установок.

Работа по поиску и изучению новых материалов проводилась совместно со специалистами по выращиванию кристаллов из институтов: ИКАН, ИОФРАН, ВНИИСИМС, ИФП РАН и ГИРЕДМЕТ.

Целью настоящей работы являлась разработка и исследование новых радиационностойких материалов (кристаллов и стекол) для электромагнитных калориметров, создаваемых для экспериментов на ускорительных комплексах УНК, HERA и LHC, а также создание и ввод в эксплуатацию 2-х электромагнитных калориметров на основе тяжелых радиационностойких кристаллов NaBi(W04)2, предназначенных для измерения светимости в эксперименте HERMES (DE-SY, Гамбург).

Научная новизна работы

Были исследованы люминесцентные характеристики и радиационная стойкость новых перспективных кристаллов и стекол с целью их использования на современных ускорителях. Ряд материалов: сцинтиллирующие фторидные стекла и кристаллы BaYb2Fg были предложены и изучены впервые. С помощью вновь найденных оптимальных добавок была существенно повышена радиационная стойкость кристаллов CeF3 и NaBi( WÖ4)2,

Впервые в мире был создан, включен в состав установки HERMES и успешно эксплуатировался в течение 12 лет монитор светимости, состоящий из 2-х электромагнитных калориметров, изготовленных на основе новых радиационностойких кристаллов NaBi(WС^Ь

Научная значимость и практическая ценность работы состоят в том, что:

- Исследована радиационная стойкость новых черенковских и сцинтил-ляционных кристаллов (NaBi {WO^ BaYbïFg, Ce F,3, PbWOÀ), предназначенных для работы как на существующих ускорителях, так и на ускорительных комплексах нового поколения с еще большей энергией и интенсивностью пучков. Результаты исследований имеют особую значимость для подобного поиска новых кристаллов и стекол, так как заметно снижают затраты на выращивание серий опытных образцов.

- Разработан новый класс сцинтилляционных материалов - фторидные стекла на основе тяжелых металлов (HfF,4 и др.). Перспективность использования таких стекол определяется в первую очередь экономическими соображениями, а именно, меньшими затратами на получение модулей электромагнитного калориметра. Очевидным преимуществом фторидных стекол по сравнению с кристаллами является то, что составы стекол можно легко менять в зависимости от необходимых параметров детектора и типа регистрируемых частиц.

- На примере кристаллов CeF,3, NaBi(W0^2 показано, что повышение радиационной стойкости кристаллов целесообразно проводить путем поиска оптимальных добавок в исходное сырье, что является экономически выгодным способом по сравнению с многократной очисткой компонентов исходной шихты.

- Спроектированы, созданы и исследованы в электронном пучке DESY прототип монитора светимости и полномасштабные электромагнитные калориметры монитора светимости на основе новых радиационностойких кристаллов NaBi(WO±)2

- В 1995 г. монитор светимости был введен в состав установки HERMES и успешно эксплуатировался в течение 12 лет в условиях высоких радиационных нагрузок. Монитор светимости кроме основной задачи - измерения светимости в эксперименте HERMES, использовался для наведения лептонного пучка на мишень, а также для измерения поляризации газовой мишени.

- Радиационностойкие кристаллы NaBi(W04}2 успешно работающие в мониторе светимости эксперимента HERMES стали широко использоваться в DES Y для создания других детекторов, предназначенных для работы вблизи первичного пучка коллайдера HERA (детектор мечения электронов монитора светимости эксперимента HI и калориметр продольного поляриметра эксперимента HERMES).

По материалам работы с кристаллами PbWO4 получен патент России №2202011 под названием "Способ получения сцинтилляционных монокристаллов вольфрамата свинца", приоритет от 24 апреля 2002 г.

Апробация работы

Материалы, изложенные в работе, доложены на международных конференциях и совещаниях: совещание "Физика на УНК" (Протвино, 25-29 сент. 1990); 2-ая Международная конференция по калориметрии в физике высоких энергий (Италия, Капри, 14-18 окт. 1991); LHC семинар (Протвино, 27-29 мая 1992); Международный семинар по тяжелым сцинтиллято-рам для научных и промышленных применений "Crystal 2000" (Франция, Шамони, 22-26 сент. 1992); Международная конференция по структуре ба-рионов (США, Санта Фе, 3-7 окт. 1995); Европейская конференция по люминесцентным детекторам и преобразователям ионизирующего излучения "Lumdetr'2000" (Латвия, Рига, 21-24 авг. 2000); Национальная конференция по росту кристаллов (Москва, ИКАН, окт. 2000); Научная конференция Отделения ядерной физики Российской Академии Наук (Москва, ноябрь 2000); Международные конференции по неорганическим кристаллам и их применению ("SCINT") 1995, 1999, 2001, 2003, 2007 годов.

Результаты, полученные в работе, обсуждались также на заседаниях международных коллабораций CMS, HERMES, Crystal Clear Collaboration (CERN), на научных семинарах в Лаборатории Резерфорда (Англия) и в Лаборатории Немецкий Синхротрон (DESY, Германия).

Вклад автора

Автор принимал активное и лидирующее участие на всех этапах настоящей работы. Руководил работами по исследованию новых материалов для электромагнитной калориметрии, а также по созданию и вводу в эксплуатацию монитора светимости эксперимента HERMES. Под руководством автора защищена кандидатская диссертация, входящая в этот цикл исследований.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Создание многофункциональной установки для исследования сцинтилляционных и оптических характеристик кристаллов и стекол.

2. Результаты исследований оптического пропускания и радиационной стойкости кристаллов CeF%, BaYb2Fg и NaBi(WO4)2, легированных оптимальными добавками .

3. Способ повышения радиационной стойкости кристаллов PbWOi путем их отжига в атмосфере чистого инертного газа.

4. Результаты измерений люминесцентных и оптических характеристик новых сцинтиллирующих фторидных стекол.

5. Исследования в электронном пучке DES Y прототипов электромагнитных калориметров на основе кристаллов NaBi(WO/i)2 и PbWO4.

6. Разработка и создание монитора светимости эксперимента HERMES на основе радиационностойких кристаллов NaBi{WO^)2

7. Результаты измерений энергетического и пространственного разрешения электромагнитных калориметров монитора светимости в области энергий электронов 1 — 6 ГэВ.

8. Методика измерения светимости в эксперименте HERMES.

9. Метод определения положения лептонного пучка коллайдера HERA с помощью калориметров монитора светимости.

Структура и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав основного содержания, заключения, а также списка цитируемой литературы, включающей 162 ссылки. Объем диссертации составляет 170 страниц, 72 рисунка, 12 таблиц.

Заключение.

В ходе исследований, описанных в диссертационной работе, автором были получены следующие результаты:

1. Создана многофункциональная установка для исследования оптических и сцинтилляционных характеристик кристаллов и стекол, предназначенных для работы на современных ускорителях в условиях высоких радиационных нагрузок.

2. Показано, что легирование сцинтилляционных кристаллов Сеі^з ионами Ва2+ приводит к повышению их радиационной стойкости. Благодаря этому, радиационная стойкость кристаллов Сеі<з была повышена до дозы « 107 рад.

3. Разработан способ повышения радиационной стойкости кристаллов РЪ]¥Оа путем их отжига в атмосфере чистого инертного газа при давлении 0.8 — 1.5 атм. и температуре 780 — 950 °С. На способ получения кристаллов вольфрамата свинца получен патент Российской Федерации.

4. Впервые были разработаны новые материалы для использования в электромагнитной калориметрии - сцинтиллирующие стекла на основе фторидов тяжелых металлов (Я/і7^ и др.). Фторидные стекла имеют плотность ~ 6 г/см3, радиационную длину ~ 1.6 см, они прозрачны в области > 300 нм. Перспективность использования таких стекол определяется в первую очередь экономическими соображениями, меньшими затратами на получение модулей электромагнитного калориметра, что может быть решающим фактором при крупномасштабном производстве.

5. Впервые предложен для использования в электромагнитной калориметрии и исследован прозрачный фторидный кристалл і?аУ&2^8 с оптическим пропусканием > 200 нм.

6. Улучшены оптическое пропускание и радиационная стойкость тяжелых черенковских кристаллов ИаВгіуУО^ путем их легирования ионами б'є34" и 1п3+, что значительно расширяет область применения этих кристаллов в электромагнитной калориметрии.

7. По результатам испытаний прототипа монитора светимости на основе кристаллов NaBiiWО4)2 был сделан вывод о принципиальной возможности создания полномасштабных калориметров для измерения светимости в эксперименте HERMES.

8. Созданы два электромагнитных калориметра монитора светимости эксперимента HERMES, состоящие из 2 х 12 кристаллов NaBiÇWO^', проведено тестирование и калибровка монитора светимости в электронном пучке в диапазоне энергий 1 — 6 ГэВ. Измеренное энергетическое разрешение монитора светимости составило: аЕ 4.3% 9.3% Л ofV -JT = -тг- е —F=- е 0.3% Е Е у/Ё

9. Разработана методика измерения светимости в эксперименте HERMES, основанная на регистрации процесса упругого рассеяния лептонного пучка коллайдера HERA на электронах атомов газовой мишени.

10. В 1995 г. монитор введен в состав установки HERMES и успешно использовался для измерения светимости в течение 12 лет.

11. Разработан метод определения положения лептонного пучка коллайдера HERA с помощью реконструкции координат точек попадания частиц в монитор светимости. Метод широко применялся в практике измерений на установке HERMES.

12. Проведены исследования характеристик прототипа электромагнитного калориметра на основе кристаллов PbWO4 в области энергий 1 — 6 ГэВ с целью использования этих кристаллов на коллайдере HERA.

Благодарности.

В заключении автор выражает искреннюю благодарность Заведующему Лабораторией Электронов Высоких Энергий ФИ АН, доктору физ.-мат. наук A.A. Комару за поддержку и постоянное внимание, обсуждения и важные замечания по результатам работы.

Особую благодарность хочу выразить своим товарищам по многолетней работе в ФИАНе, без которых работа над диссертацией была бы не возможна: A.A. Асееву, М.В. Белову, Е.Г. Девицину, JI.H. Моисеевой, JI.C. Попову, С.Ю. Поташову, К.А. Соколовскому, А.Р. Теркулову.

Автор считает своей приятной обязанностью поблагодарить специалистов по выращиванию кристаллов, совместно с которыми проводилась многолетняя работа по поискам новых перспективных кристаллов и стекол: Т.В. Уварову и Л.Н. Дмитрука - Институт Общей Физики РАН; Б.И. Зад-непровского и В.А. Нефедова - ВНИИ Минерального Сырья; Б.П. Соболева и Е.А. Кривандину - Институт кристаллографии РАН; В.Д. Федорова и A.M. Проворову - ВНИИ Химической Технологии; Т.И. Дарвойд - ГИ-РЕДМЕТ.

Хочу поблагодарить моих коллег по работе в ФИАНе за их помощь и поддержку: Ю.А. Александрова, С.П. Баранова, М.В. Завертяева, В.Н. Махова, Ю.М. Александрова, A.B. Багулю, Н.Ю. Кирикову, В.А. Мурашову, М.А. Негодаева, Т.И. Сырейщикову, Я.А. Ваздика, Л.А. Горбова, H.A. Локтионову, C.B. Русакова, П. А. Смирнова, Ю.В. Соловьева, A.M. Фоменко, И.П. Шевякова.

Пользуюсь случаем, чтобы поблагодарить коллег по эксперименту HERMES за плодотворное сотрудничество, помощь и поддержку: - членов группы проф. К. Rith из университета Эрланген - Нюрнберг: Т. Benisch, С. Weiskopf, S. Bernreuter, Е. Steffens, M. Kirsch, A. Gute, a также: E.C. Aschenauer, A. Brull, G.P. Capitani, B. Filippone, E. Garutti, E. Kinney, A. Kisselev, V. Korotkov, W. Lorenzon, A. Lung, N. Makins, F. Meissner, R. Milner, A. Nagaitsev, Y. Naryshkin, W.-D. Nowak, P. Schüler, A. Schwind, A. Simon, J. Stewart, Y. Holler, N. Meiners, V. Garibyan.

Приношу благодарность членам группы, руководимой проф. R. Brown из Лаборатории Резерфорда, за многолетнее сотрудничество в области исследований фторидных стекол: P. Flower, M. Sproston, D. Cockerill, К. Bell.

Выражаю благодарность В.А. Васильченко и В.А. Качанову, сотрудникам ИФВЭ, Протвино, за полезные обсуждения.

1. P. Lecoq et al., Inorganic scintillator for detector system: Physical principles and crystal engineering // Springer-Verlag, Berlin, 2006.

2. R.Y. Zhu, G. Gratta and H. Newman, Crystal calorimeters for particle physics // Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 44(1995) 88-108.

3. CMS ECAL Technical Design Report, CERN/LHCC 97-33, 1997. M. Diemoz, The electromagnetic calorimeter of the CMS experiment // Nucl. Inst. Meth A581 (2007) 380-383.

4. И.В. Рабин, Электрон-фотонные калориметры. Основные свойства. // ПТЭ, N6, 1992.

5. C.W. Fabian, Calorimetry in high-energy physics // Preprint CERN-EP/85-54 (1985).

6. D.F. Anderson et al., Lead fluoride: an ultra-compact Cherenkov radiator for EM calorimetry // Nucl. Inst. Meth A290 (1990) 385-389.

7. Белоусов А.С. и др., Черенковский спектрометр полного поглощения с радиатором из монокристалла КРС-6 // Препринт ФИАН №109 (1969).

8. D.E. Anderson, Cerium Fluoride: a Scintillator for High-Rate Applications // Nucl. Inst. Meth. A287 (1990) 606-612.

9. G.I. Britvich, A.I. Peresypkin, ., V.A. Kozlov et al., A study on the characteristics of some materials for electromagnetic calorimeters // Nucl. Inst. Meth. A308 (1991) 509-513.

10. C.W.E. van Eijk, Inorganic-scintillator development // Nucl. Inst. Meth A460 (2001) 1-14.

11. M. Ishii and M. Kobayashi, Single crystals for radiation detectors // KEK preprint 92-10, April 1992.

12. B. Adeva et al., The construction of L3 experiment // Nucl. Inst. Meth A289 (1990) 35.

13. P.N. Shanahan The performance of a new Csl calorimeter for the KTeV experiment at FERMILAB // Frascati Phys. Ser. 6:717-726, 1996.

14. B.A. Shwartz Performance and upgrade plans of the Belle calorimeter // Prepared for 10th International Conference on Calorimetry in HEP (CALOR 2002), Pasadena, California, 25-30 Mar. 2002. Published in "Pasadena 2002", 182-189.

15. B. Aubert et al., The BaBar detector // Nucl. Inst. Meth A479 (2002) 1-116.

16. The Compact Muon Solenoid Technical Proposal CERN/LHCC 94-38, 1994.

17. R.M. Brown, Avalanche photodiodes and vacuum phototriodes for the CMS electromagnetic calorimeter // Nucl. Inst. Meth. A572 (2007) 2628.

18. A. Annenkov at al., Large-scale production of PWO scintillation elements for CMS ECAL // Nucl. Inst. Meth. A537 (2005) 173-176.

19. E. Auffray at al., Status of PWO crystal production for the electromagnetic calorimeter of CMS and of its construction // Nucl. Inst. Meth. A537 (2005) 373-378.

20. ALICE Technical Proposal for a Large Ion Collider Experiment at CERN LHC, CERN/LHCC 95-71 (1995).

21. ALICE, Technical Design Report of the Photon Spectrometer (PHOS'), ALICE TDR2, 1999.

22. M. Ippolitov at al., Lead tungstate crystals for the ALICE/CERN experiment // Nucl. Inst. Meth. A537 (2005) 353-356.

23. D.V. Alexandrov et al., A high resolution electromagnetic calorimeter based on lead-tungstate crystals // Nucl. Inst. Meth. A550 (2005) 169184.

24. T. Brennan et al., The BTeV electromagnetic calorimeter // Nucl. Inst. Meth A494 (2002) 313.

25. V.A. Batarin et al., Precision measurements of energy and position resolutions of the BTeV electromagnetic calorimeter prototype // Nucl. Inst. Meth A510 (2003) 248-261.

26. V.A. Batarin et al., Study of radiation damage in lead tungstate crystals using intense high energy beams // Nucl. Inst. Meth. A512 (2003) 488505.

27. V. Batarin at al., Study of possible scintillation mechanism damage in PbWOi crystals after pion irradiation // Nucl. Inst. Meth. A540 (2005) 131-139.

28. V. Batarin at al., Correlation of beam electron and LED signal losses under irradiation and long-term recovery of lead tungstate crystals // Nucl. Inst. Meth. A550 (2005) 543-550.

29. N. Gendner et al., A PbW04 beampipe calorimeter for ZEUS // ZEUS note 98-072, DESY, Hamburg.

30. F.G. Binon et al., Beam studies of SAD-150 heavy crystal PWO calorimeter, small angle multiphoton detector of GAMS—4-77 spectrometer // Nucl. Inst. Meth A428 (1999) 292.

31. D. Neyret et al., A photon calorimeter using lead tungstate crystals for the CEBAF Hall A Compton Polarimeter // Nucl. Inst. Meth A443 (2000) 231.

32. M. Kubantsev et al., Performance of the PrimEx Electromagnetic Calorimeter // arXiv: physics / 0609201, VI, 22 Sep. 2006.

33. A. Borisevich et al., Lead tungstate scintillation crystal with increased light yield for the PANDA electromagnetic calorimeter // Nucl. Inst. Meth. A537 (2005) 101-104.

34. R. Novotny et al. The PHOTON BALL at COSY // Proc. 10th Int. Conference on Calorimetry in HEP (CALOR 2002), Pasadena, California, 25-30 Mar. 2002. Published in "Pasadena 2002", 215-222.

35. B. Dally and R. Hofstadter, A lead fluoride cherenkov shower counter // IEEE Trans. Nucl. Sei. NS-15 (1968) 76.

36. C.L. Woody et al, A study on the use of lead fluoride for EM calorimetry // IEEE Trans. Nucl. Sei. NS-40 (1993) 546-551.

37. R.D. Appuhn et al., Electromagnetic calorimeter with lead fluoride crystals // Nucl. Inst. Meth A350 (1994) 208-223.

38. P. Achenbach et al., Radiation resistance and optical properties of lead fluoride Cherenkov crystals // Nucl. Inst. Meth A416 (1998) 357-363.

39. Abt et al., The HI detector at HERA // Nucl. Inst. Meth A386 (1997) 310-347.

40. Варфоломеев A.A. и др., Ливневые спектрометры с радиаторами из галоидных солей талия // Письма в ЖЭТФ; Т. 10, (1969) 477-479.

41. Лисицкий П.С. и др., Получение кристаллов КРС-6 и применение их в качестве радиаторов счетчиков Черенкова // Науч. тр. Гиредмет; Т. 29, Москва, Металлургия, 1970, 105-110.

42. M.Moszynski at al., Characterization of CaWO4 scintillator at room and liquid nitrogen temperatures // Nucl. Inst. Meth. A553 (2005) 578-591.

43. J. Janoth et al., Response of mesh type photomiltiplier tubes in strong magnetic fields // Nucl. Inst. Meth. A350 (1994) 221-225.

44. M. Bollinger and G.E. Thomas, Measurements of the time dependence of scintillation intensity by a delayed-coincidence method // Rev. Sei. Inst. 32 (1961) 1044.

45. M. Moszynski and B. Bengtson, Light pulse shape from plastic scintillators // Nucl. Inst. Meth. A142 (1977) 417.

46. Б.М. Синельников, Физическая химия кристаллов с дефектами // Москва, Высшая школа, 2005, 14.

47. М.П. Шаскольская, Кристаллография // Москва, Высшая школа, 1984, 293.

48. С. Laviron and P. Lecoq Radiation damage of bismuth germanate crystals Nucl. Inst. Meth. A227 (1984) 45-53.

49. A. Annenkov et al., On the origin of the transmission damage in lead tungstate crystals under irradiation // CMS note 1998/041, CERN, Geneva, 1998.

50. D.A. Ma et al., Optical bleaching in situ for barium fluoride crystals // Nucl. Inst. Meth. A356 (1995) 309.

51. A. Annenkov et al., Radiation damage kinetics in PWO crystals // CMS note 1997/008, CERN, Geneva, 1997.53. 10. Ren-yuan Zhu, Radiation damage in scintillating crystals // CMS note 1998/07, CERN, Geneva, 1998.

52. Z.Y. Wei et al., Radiation resistance and fluorescence of europium doped BGO crystals // Nucl. Inst. Meth. A297 (1990) 163-168.

53. Г.В. Бюргановская и др., Действие излучения на неорганические стекла // Москва, Атомиздат, 1968.

54. R.Y. Zhu, IEEE Trans. Nucl. Sei. NS-44 (1997) 468.

55. N. Gendner, DESY Thesis-2000-024 Hamburg University, July 2000.

56. D.E. Anderson, Properties of the High-Density Scintillator Cerium Fluoride // IEEE Trans. Nucl. Sei NS-36 (1989) 137-140.

57. W.W. Moses and S.E. Derenzo, IEEE Trans. Nucl. Sei NS-36 (1989) 173176.

58. M. Kobayashi et all., Cerium fluoride, a highly radiation resistive scintillator // Nucl. Inst. Meth. A302 (1991) 443-446.

59. G.I. Britvich . V.A. Kozlov et al., Radiation resistant multicomponent inorganic materials for homogeneons e.m. calorimeters // Nucl. Inst. Meth. A321 (1992) 64-68.

60. A.A. Aseev, E.G. Devitsin, ., V.A. Kozlov et al., CeFd(Ba) radiation hard scintillator for electromagnetic calorimeters // Nucl. Inst. Meth. A313 (1992) 340-344.

61. A. Anderson, E. Auffray et all., Further results on cerium fluoride crystals // Nucl. Inst. Meth. A332 (1993) 373-394.

62. N.E. Korolev et all., Scintillation properties of strontium-doped cerium fluoride // Nucl. Inst. Meth. A333 (1993) 425-428.

63. R. Chipaux et all., Behaviour of CeF,3 scintillator in an LHC like environment // Nucl. Inst. Meth. A345 (1994) 440-444.

64. Gao Ming et all., Annealing and radiation damage effects in CeF% crystals // Nucl. Inst. Meth. A348 (1994) 163-166.

65. E. Auffray et all., Extensive studies on CeF^ crystals, a good candidate for electromagnetic calorimetry at future accelerators // Nucl. Inst. Meth. A383 (1996) 367-390.

66. E. Auffray et all., Performance of a cerium fluoride crystal matrix measured in high-energy particle beams // Nucl. Inst. Meth. A378 (1996) 171-178.

67. M.A. Terechin . V. Kozlov et al., Luminiscence Quenching Studies of CeF,3 and CeF% — LaF,3 by Means of Nanosecoud Time-resolved VUV Spectroscopy // Journal of Physics: Condensed Matter 8(1996) 497.

68. M.A. Schneegans, Cerium fluoride crystals for calorimetry at LHC // Nucl. Inst. Meth. A344 (1994) 47-56.

69. The Compact Muon Solenoid (CMS) // Letter of Intent, CERN/LHCC 92-3, LHCC/I1 Oct. 1992.

70. S.E. Derenzo et al., IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-37(1990) 203.

71. V.G. Baryshevsky et al., Single crystals of tungsten compounds as promising materials for the total absorption detectors of the e.m. calorimeters // Nucl. Inst. Meth. A322(1992) 231.

72. V.A. Katchanov et al., Beam studies of EM-calorimeter prototype built of PbWO 4 crystals // presented at the 4 th Int. Conf. On Calorimetry in High Energy, Isola Elba, Italy, September 15-19 1993.

73. M. Kobayashi et al., Scintillation charactericties of PbWO4 single crystals at room temperature // Nucl. Inst. Meth. A333(1993) 429-433.

74. A. Fyodorov et al., Progress in PbWO4 scintillating crystal // Preprint LAPP 94-25, December 1994.

75. P. Lecoq et al., Lead Tungstate (PbW04) Scintillator for LHC EM-Calorimetry // Nucl. Inst. Meth. A365(1995) 291-98.

76. P. Lecoq, Development of lead tungstate crystals for high performance calorimetry // Proc. 6th Inter. Conference on Calorimetry in High Energy physics, June 8-14, 1996, Frascati, Italy, 755-764.

77. A. Annenkov et al., Systematic study of the short-term instability of PbWOi scintillator parameter under irradiation // Radiation measurements 29(1998) 27-38.

78. E. Auffray et al., Impovement of several properties of lead tungstate crystals with different doping ions // Nucl. Inst. Meth. A402 (1998) 75-84.

79. M. Kobayashi et al., Improvement in radiation hardness of PbWO4 scintillating crystals by La—doping // Nucl. Inst. Meth. A404, (1998) 149-156.

80. A. Annenkov et al., Suppression of the radiation damage in lead tungstate scintillation crystal // Nucl. Inst. Meth. A426, (1999) 486-490.

81. E. Auffray et al., Status on PWO crystals from Bogoroditsk after one year of preproduction for CMS-ECAL // Nucl. Inst. Meth. A453, (2000) 218-222.

82. M.X. Ашуров, . В.А. Козлов и др. Фотоиндуцированное короткожи-вущее поглощение в сцинтилляционных кристаллах PbWO4 : La // Атомная энергия, 2001, т. 91, вып. 1, 43-46.

83. М.Х. Ашуров . В.А. Козлов и др., Радиационно-индуцированное оптическое поглощение в сцинтилляционных кристаллах PbWO^ : La // Атомная энергия, т. 91, вып. 1, (2001) 43.

84. S. Burachas et al., Influence of variable tungsten valency on oplical transmittance and radiation hardness of lead tungstate (PWO) scintillation crystals // NIM A505(2003) 656-662.

85. M. Kobayashi et al., Further study on different dopings into PbWO a single crystals to increase the scintillation light yield // Nucl. Inst. Meth. A540 (2005) 381-394.

86. S. Burachas at al., Functional approach to lead tungstate (PWO) scintillators in development of their fabrication technology // Nucl. Inst. Meth. A537 (2005) 185-188.

87. P.A. Semenov et al., First study of radiation hardness of lead tungstate crystals at low temperatures // Nucl. Inst. Meth. A582 (2007) 575-580.

88. M.V. Belov, E.G. Devitsin, V.A. Kozlov et al., Characteristics of scintillating PbWO4 crystals produced at different growing conditions // CMS technical note, TN/95-191, CA ECXL, CERN, Geneva, 1995.

89. E. Devitsin, V. Kozlov, S. Potashov. Monte-Carlo simulation of radiation dose distribution in electromagnetic calorimeter of CMS // CMS technical note, TN/95-190, CA ECXL, CERN, Geneva, 1995.

90. E. Devitsin, V. Kozlov, S.Yu. Potashov et al., Non-stoichiometry defects and radiation hardness of lead tungstate crystals PbW04 // Nucl. Inst. Meth. A486 (2002) 336-344.

91. E.G. Devitsin, V.A. Kozlov, S.Yu. Potashov et al., Non-stoichiometry defects and radiation hardness of lead tungstate crystals PbW04 // CMS Conference Report, CMS CR 2001/013, CERN, Geneva, 2001.

92. M. Sulc at al., On-line measurement of gamma radiation-induced absorption in A3+ -codoped PbWO4 : Mo crystals // Nucl. Inst. Meth. A537 (2005) 446-448.

93. Е.Г. Девицин, В.И. Заднепровский, В.А. Козлов, В.А. Нефедов, Е.В. Полянский, С.Ю. Поташов, А.Р. Теркулов. Способ получения сцинтилляционных монокристаллов вольфрамата свинца. Патент РФ №2202011. Приоритет от 24.04.2002. Бюллетень изобрет., №10 (2003).

94. Е.Г. Девицин, В.А. Козлов и др., Исследование характеристик электромагнитного калориметра на основе кристаллов PbW04 // Краткие сообщения по физике ФИАН, JV°1 (2008) 12-18.

95. A.A. Aseev, E.G. Devitsin, ., V.A. Kozlov et al., BaYb2F%, a new radiation hard Cherenkov radiator for electromagnetic calorimeters // Nucl. Inst. Meth. A317 (1992) 143-147.

96. A.A. Власенко и др., Спектры пропускания монокристаллов типа BaLr^Fg в широкой области спектра (от 12 до 0.12 мкм) // ДАН, 1985, Том 282, №3, 565-567

97. V.A. Nefedov et al., Proc. of Int. Symposium LUMDETR91, Oct. 1991, Riga, Latvia, 158.

98. V.A. Nefedov, B.I. Zadneprovski, E.V. Polyansky, Growing and properties of NaBiiyVO^)2 crystals // Proc. of the Intern. Workshop on Tungstate Crystals Rome, Oct. 1998, 83-91

99. K. Ackerstaff, A. Airapetian, ., V. Kozlov et. al., The HERMES spectrometer // Nucl. Inst. Meth. A417 (1998) 230-265.

100. T. Benisch, S. Bernreuther, ., V. Kozlov et al., The luminosity monitor of the HERMES experiment at DESY // Nucl. Inst. Meth. A471 (2001) 314-324.

101. E. Devitsin, V. Kozlov, S. Potashov et al., NaBi(WO^)2 : Sc a new radiation hard Cherenkov radiator for electromagnetic calorimeters // Lebedev Phys.Inst. preprint iV°l, Moscow, 2000.

102. V.A. Nefedov, B.I. Zadneprovski, ., V.A. Kozlov et al., "Transparency and radiation hardness of Cherenkov crystals NaBi(WO4)2 Sc // Radiation Measurements 33 (2001) 597-600.

103. B.I. Zadneprovski, V.A. Nefedov, ., V.A. Kozlov et al., Improvement of optical properties and radiation hardness of NaBi(WO4)2 Cherenkov crystals // Nucl. Inst. Meth. A486 (2002) 355-361.

104. Б.И. Заднепровский, В.А. Козлов, JI.H. Моисеева и др., Черенковские кристаллы NaBi(W04)2 ' /п для электромагнитной калориметрии // Краткие сообщения по физике ФИАН, №7(2007) 19-25.

105. F.X. Gentit, Litrani: a General Purpose Monte-Carlo Program Simulating Light Propagation in Isotropic or Anisotropic Media. CMS note -2001/044 ECAL, CERN, Geneva, 2001.

106. M. Kobayashi, Y. Prokoshkin et al., Radiation hardness of lead glasses TF1 and TF101 // Nucl. Inst. Meth. A345 (1994).

107. U. Buchner et al., Performance of a scintillating glass calorimeter for electromagnetic showers // Nucl. Inst. Meth. A272 (1988) 695-706.

108. M. Poulain et al., Mat.Res. Bull. 12 (1975) 243.

109. M. Schussler, Report on 5th "Crystal Clear Collaboration "meeting, Dec. 1991, CERN, Geneva.

110. E.G. Devitsin, L.N. Dmitruk,., V.A. Kozlov et al., Heavy fluoride glasses as promising materials for application in electromagnetic calorimetry // Lebedev Phys. Inst, preprint N°2b, Moscow, 1992.

111. E. Auffray et al., Cerium doped heavy metal fluoride glasses, a possible alternative for electromagnetic calorimetry // Nucl. Inst. Meth. A380 (1996) 524.

112. L.N. Dmitruk, V.A. Kozlov et al., Fluoro-hafnate scintillating glasses // Proceedings of the IX Int. Symposium on Nonoxide Glasses. Hanjzhou, China, 1994, 90-95.

113. O. Arzhatkina, S. Batygov, .V. Kozlov et al., Further progress in R&D of scintillating fluoride glasses // Lebedev Phys. Inst, preprint №24, Moscow, 1997.

114. L. Dmitruk, N. Vinogradova, ., V. Kozlov et al. Scintillating HfF4-based glasses doped cerium chloride and cerium oxide compounds // J. Non-Cryst. Solids. 213&214 (1997) 311-314.

115. E.G. Devitsin, N.Yu. Kirikova, . , V.A. Kozlov et al. Time-resolved studies of emission properties of cerium doped fluoro-hafnate glasses under VUV synchrotron radiation excitation // Nucl. Inst. Meth. A405 (1998) 418-422.

116. E. Г. Девицин, В.А. Козлов, С.Ю. Поташов. Расчеты распределений радиационной нагрузки на фторидные стекла в электромагнитном калориметре методом Монте-Карло // Краткие сообщения по физике ФИАН, №7-8 (1994) 3-6.

117. R. Brun et al.: GEANT3. CERN/DD/EE/84-1.

118. E. Devitsin, V. Kozlov, S. Potashov et al, Monte-Carlo simulation of energy resolution of PbWOk end cap type crystal matrix // Lebedev Phys. Inst, preprint N°7, Moscow, 2000.

119. HERMES Technical Design report. DESY/1993.

120. M. Dueren. The HERMES experiment: From the design to the first results // Habilitation Thesis, University Erlangen Nurnberg, 1995.

121. К. Ackerstaff, A. Airapetian, ., V. Kozlov et. al., Measurement of the neutron spin structure function gin with a polarized 3He internal target // Phys. Lett. B404 (1997) 383-389.

122. A. Airapetian, N. Akopov,., V. Kozlov, et al., Measurement of the proton spin structure function gi(p) with a pure hydrogen target // Phys. Lett. B442 (1998) 484-492.

123. A. Airapetian, . V. Kozlov, et al., Quark helicity distribution in the nucleón for up, down, and strange from semi-inclusive deep-inelastic scattering // Phys. Rev. D71:012003, 2005.

124. A. Airapetian, N. Akopov, ., V. Kozlov, et al., Measurement of the spin asymmetry in the photoproduction of pairs of high p(T) hadrons at HERMES // Phys. Rev. Lett. 84:2584-2588, 2000.

125. A. Airapetian, . V. Kozlov, et al., First measurement of the tensor structure function b\ of the deuteron // Phys. Rev. Lett., 95:242001, 2005.

126. A. Airapetian, . V. Kozlov, et al., Evidence for a narrow 151 = 1 baryon state at a mass of 1528 MeV in quasi-real photoproduction // Phys. Lett., B585 (2004) 213.

127. A.A. Sokolov, L.M. Ternov, On polarization and spin effects in the theory of synchrotron radiation // Phys. Dokl. 8:1203-1205, 1964.

128. D.P. Barber et. al, Phys. Lett., B345 (1995) 436.

129. K. Zapfe-Duren. The internal storage cell target for HERMES //In Cologne 1995, Polarized targets, 400-407.

130. D. De Schepper et al. The HERMES polarized 3Яе internal gas target // Nucl. Inst. Meth. v. A419:16, 1998.

131. H.Avakian, et al., Performance of the electromagnetic calorimeter of the HERMES experiment // Nucl. Inst. Meth. A417: 69-78, 1998.

132. M. Dueren, HERMES report 5/90.

133. C. Moller, Ann. Physik 5], 14 (1932) 531.

134. Jl. Д. Ландау, E. M. Лифшиц. Теоретическая физика т. IV: Квантовая электродинамика, Москва, Наука, 1989, 368.

135. H. J. Bhabha, Proc. Royal. Soc.(London) A154(1935)195.

136. V.B. Berestetskii et al., Quantum Electrodynamics, Pergamon Press, 1982, 369.

137. С.Ю. Поташов, Диссертация, Физический институт им. П.Н. Лебедева, 2002.

138. В.А. Нефедов и др. Черенковский детектор, патент СССР Аг01817932, 1991.

139. B.W. Filippone (California Institute of Technology, Pasadena, CA, 91125, USA) частное сообщение.

140. Каталог фирмы Hamamatsu (1996).

141. Т. Ludziejewski, К. Moszynska, ., V. Kozlov et al., Advantages and limitations of LSO scintillator in nuclear physics experiments // IEEE Transactions on Nucl. Science, Vol.42, 4 (1995) 328-336.

142. M. Moszynski et al., Properties of the YAG:Ce scintillator // Nucl. Inst. Meth. A345 (1994) 461-467.

143. V.A. Kachanov et al., Light source for energy stabilization of calorimetric detectors based on photodetectors // Nucl. Inst. Meth. A314 (1992) 215218.

144. U. Amaldi, Phys. Scr. 23 (1981) 409.

145. G. Akopdjanov at al., Determination of photon coordinates in a hodoscope cherenkov spectrometer // Nucl. Inst. Meth. 140 (1977) 441-445.

146. Th. Benisch, Polarizierte Bhabha-Streuung und Luminositatsmessung im HERMES-Experiment. Dissertation, Universität Erlangen-Nurnberg (1998).

147. Т. Бениш, С. Бернрайтер, В. Козлов и др., Калибровка монитора светимости установки HERMES // Краткие сообщения по физике ФИАН, iV°5 (1999) 33-38.

148. F. Binon at al., Hodoscope multiphoton spectrometer GAMS-2000 // Nucl. Inst. Meth. A248 (1986) 86.

149. A. Terkulov, V. Kozlov, et al., Bhabha generator for HERMES luminosity monitor // HERMES Internal Report, 96-012 (1996).

150. Т. Бениш, С. Бернрайтер, ., В. Козлов и др. Определение положения электронного пучка монитором светимости эксперимента HERMES // Препринт ФИАН Лг01б, М, 1999.

151. С. Baumgarten, Relaxation and recombination at the HERMES hydrogen/deuterium gas target // Dissertation, Ludwig-Maximilians Universität München (2000).