Исследование длинных сцинтилляционных счетчиков для временных измерений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

1 Идентификация заряженных частиц

1.1 Детекторы черепковского излучения.

1.2 Детекторы переходного излучения

1.3 Идентификация частиц по ионизационным потерям

1.4 Времяпролетные детекторы

1.5 Сравнение методов идентификации заряженных частиц.

2 Экспериментальное исследование счетчиков

2.1 Схема эксперимента и обработка данных.

2.2 Характеристики счетчика с ФЭУ-115М.

2.2.1 Амплитудные измерения.

2.2.2 Временные измерения с формирователем СГБ

2.2.3 Временные измерения с пороговым формирователем.

2.3 Характеристики счетчиков с ф.э.у. ХР

2.3.1 Измерения со счетчиками сечением 6x2,5 см2.

2.3.2 Измерения со счетчиками сечением 6x1,25 см2.

2.3.3 Измерения со счетчиками сечением 2,5x2,5 см2, 5x5 см2 и 6x6 см

2.3.4 Зависимость временного разрешения от типа светоизоляции счетчика

2.3.5 Зависимость временного разрешения от интенсивности пучка.

2.4 Характеристики счетчиков с ф.э.у. Наталией

2.4.1 Временные измерения с формирователем СКБ.

2.4.2 Временные измерения с пороговым формирователем.

2.4.3 Временные измерения с использованием черенковского излучения

2.5 Измерения с микроканальными пластинами (МКП)

2.6 Идентификация частиц по времени пролета.

2.7 Обсуждение результатов.

3 Моделирование счетчиков методом Монте-Карло

3.1 Метод Монте-Карло.

3.2 Модель и ее параметры.

3.3 Амплитудные характеристики.

3.4 Временное разрешение.

3.5 Другие зависимости.

Актуальность проблемы. чг

Проблема идентификации (определения массы) стабильных частиц является одной из самых важных и сложных в экспериментах на ускорителях. Среди способов ее решения важное место занимает метод времени пролета (Т1те-о£-Р^Ы или ТОР). Этот метод основан на измерении скорости частицы /3 = у/с по времени £ пролета фиксированой базы I и затем определении ее массы т по известным энергии Е или импульсу р. В релятивистской области энергий разность времен пролета для частиц с массами т\ и Ш2 и импульсом р равна и, например, для базы / = 10 м разность времени пролета ж- и К-мезонов с импульсами 3 СеУ/с составит всего 370 пс. Таким образом, для идентификации частиц методом ТОР нужны детекторы с субнаносекундным временным разрешением.

Другой важной задачей в современных экспериментах на высокоинтенсивных пучках частиц на ускорителях или на коллайдерах с высокой светимостью является выделение частиц, принадлежащих к данному взаимодействию или распаду. Это можно сделать, если каждую частицу обеспечить временной "меткой" с субнаносекундной точностью. Для решения указанных выше проблем часто используются сцинтилляционные счетчики. Поэтому исследование временных свойств сцинтилляционных счетчиков является важной и актуальной задачей в экспериментальной физике частиц.

Новизна и практическая ценность работы.

Работа посвящена исследованию сцинтилляционных счетчиков для временных измерений. В настоящее время для целого ряда экспериментов в области физики высоких энергий требуются детекторы с очень высоким временным разрешением, например, для идентификации частиц по времени пролета. В частности, предполагается, что результаты работы будут

А использованы при создании системы для измерения времени пролета в эксперименте С1иеХ [18] (лаборатория им. Джефферсона, США) и годоскопа сцинтилляционных счетчиков для формирования быстрой временной привязки событий на установке Комплекс Меченых Нейтрино (ИФВЭ). Все это определяет практическую ценность работы.

Новизна работы состоит в том, что впервые проведено комплексное исследование характеристик длинных сцинтилляционных счетчиков в зависимости от большого количества факторов, так или иначе влияющих на их временное разрешение. Полученные значения временного разрешения для различных счетчиков находятся на уровне лучших мировых достижений, а в некоторых случаях и превосходят их.

Создан пакет программ для моделирования сцинтилляционных счетчиков методом Монте-Карло. Результаты моделирования хорошо описывают экспериментальные данные. Моделирование позволило дополнительно исследовать влияние на временное разрешение ряда факторов, экспериментальное изучение которых затруднено. Программа может быть использована для моделирования счетчиков произвольных размеров.

Цель исследований.

Основная цель диссертационной работы — исследование временных характеристик сцинтилляционных счетчиков со сцинтилляторами длиной 2 м, которые "просматривались" с двух сторон фотоэлектронными умножителями (ф.э.у.). Изучалась зависимость временного разрешения счетчика от места прохождения частицы, толщины сцинтиллятора, типа ф.э.у., метода компенсации зависимости времени задержки сигнала в формирователе от амплитуды сигнала, а также других факторов. Кроме того, исследовались временные свойства черенковских счетчиков с радиатором из полиметилметакрилата (органического стекла) и сцинтилляционных счетчиков с микроканальными фотоумножителями отечественного производства. Создана программа моделирования процессов в сцинтилляционном счетчике методом Монте-Карло.

Поддержка данной работы.

Данная работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований, гранты РФФИ 00-15-96733, 02-02-17019 и 05-02-16557, а также Министерства Образования и Науки, грант Президента РФ для ведущих научных школ 1305.2003.2.

Апробация работы.

Основные результаты, использованные в диссертации, были представлены на международных конференциях Vienna Instrumentation Conference 2000, 2002, Colliding Beam Physics 2002, Imaging 2003 и опубликованы в четырех Егаучных работах [28, 36, 37, 42].

Структура диссертации и защищаемые положения.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Во введении показана актуальность выбранной темы диссертации, отмечена новизна и практическая ценность результатов работы. В первой главе приводится сравнение различных методов идентификации заряженных частиц и краткий обзор публикаций, посвященных сцинтилляционным счетчикам с высоким временным разрешением. Во второй главе описаны экспериментальная установка для исследования характеристик счетчиков, метод обработки данных и полученые результаты. Третья глава посвящена моделированию сцинтилляционных счетчиков методом Монте-Карло. В заключении сформулированы основные результаты работы.

4 Заключение

В диссертационной работе проведены комплексные детальные исследования характеристик сцинтилляционных счетчиков длиной 2 метра с различными сечениями сцинтиллятора и различными типами фотоприемников. Счетчики сечением 6x1,25 см2 были изготовлены из сцинтиллятора Bieron ВС-404, все остальные счетчики - из сцинтиллятора Eljen EJ-200.

1. Показано, что при использовании формирователя постоянной части сигнала (CFD) временное разрешение счетчика сечением 2,5x2,5 см2 с фотоумножителями ФЭУ-115М составляет 150 не в центре счетчика и 80 пс вблизи фотоумножителя. При использовании фотоумножителей Philips ХР2020 временное разрешение этого счетчика составляет 90 пс в центре и 55 пс на краях. Близкие значения временного разрешения для указанного счетчика получены при использовании ф.э.у. Hamamatsu R6427: 90 пс в центре и 60 пс на краях счетчика.

2. Для сцинтиллятора сечением 6x1,25 см2, просматриваемого ф.э.у. ХР2020, временное разрешение составляет 113 пс в центре счетчика и 87 пс вблизи фотоумножителей.

3. Для сцинтилляторов сечением 6x2,5 см2 и ф.э.у. ХР2020 при расположении сцинтиллятора перпендикулярно пучку (пучок проходит в сцинтилляторе 2,5 см) достигнуто временное разрешение 75 пс в центре счетчика и 60 пс на краях. Если же грань сцинтиллятора шириной 6 см располагается параллельно пучку, то временное разрешение составляет 55 пс в центре счетчика и 40 пс вблизи фотоумножителя. В этом случае для X,Y годоскопа временное разрешение составит 35 пс. Этот результат является рекордным для годоскопов из длинных сцинтилляционных счетчиков.

4. Для счетчиков с сечениями сцинтилляторов 6x6 см2 и 5x5 см2 и фотоумножителями ХР2020 получено временное разрешение 71 и 87 пс в центрах счетчиков и 60 и 83 пс на их краях.

5. Показано, что при использовании пороговых формирователей и при последующей off-line коррекции walk-эффекта временное разрешение счетчиков не уступает разрешению, полученному с использованием формирователей CFD.

6. Проведены исследования временного разрешения сцинтилляционного счетчика с фотоприемниками МКП и черенковского счетчика с радиатором из органического стекла и фотоумножителями Hamamatsu R6427. Для счетчика с размерами 2,5x2,5x200 см3 со световодами и фотоприемниками МКП достигнуто временное разрешение 190 пс в центре и 160 пс вблизи фотоприемников. Для черенковского счетчика из полиметилметакрилата с размерами 2,4x2,4x150 см3 и ф.э.у. R6427 получено временное разрешение 210 пс в центре и 80 пс на краях счетчика.

7. Показано, что для исследованных счетчиков основной вклад во временное разрешение вплоть до 35 пс дает статистика фотоэлектронов.

8. Показано, что при импульсе частиц до 6.2 ГэВ/с может быть осуществлено разделение 7г-мезонов и протонов методом измерения времени пролета на базе 16,7 м с использованием счетчика сечением 2,5x2,5 см2 с фотоумножителями ХР2020.

9. Исследованные счетчики сечением 2,5x2,5 см2 с фотоумножителями ФЭУ-115М соответствуют требованиям, предъявляемым к детекторам для точной временной "привязки" частиц в эксперименте по изучению редких распадов заряженных каонов на ускорителе ИФВЭ. Счетчики сечением 6x1,25 см2 с ф.э.у. ХР2020 удовлетворяют условиям эксперимента С1иеХ по поиску "экзотических" мезонных состояний в Лаборатории им. Джефферсона (США), в котором они будут использоваться для разделения 7Г- и К-мезонов методом измерения времени пролета.

10. Создана программа для расчета временного разрешения длинных сцинтилляционных счетчиков, которая хорошо описывает полученные экспериментальные данные и может быть использована для моделирования и исследования счетчиков любых размеров.

При помощи этой программы исследована зависимость длины затухания света в длинном сцинтилляционном счетчике от величины потерь света при отражении от боковых граней (данный параметр характеризует качество полировки поверхности сцинтиллятора), а также зависимости временного разрешения от количества фотоэлектронов, объемной длины затухания света в сцинтилляторе, времени высвечивания сцинтиллятора и других параметров. ч

Благодарности

Я глубоко признателен моим научным руководителям — член-корреспонденту РАН Сергею Петровичу Денисову и кандидату физико-математических наук Владимиру Дмитриевичу Самойленко за постановку задачи, научное руководство и обсуждение полученных результатов.

Считаю своим приятным долгом выразить благодарность всему коллективу, принимавшему участие в разработке, наладке и обслуживании экспериментальной установки, а также отдельно поблагодарить наших американских коллег за предоставленное оборудование — сцинтилляторы, дорогостоящие фотоумножители и другие необходимые компоненты установки.

Я также благодарен кандидату физико-математических наук A.B. Попову и кандидату физико-математических наук Д.А. Стояновой за ценные советы и помощь в оформлении диссертации.

Отдельно хочу поблагодарить кандидата физико-математических наук A.B. Попова за помощь в обеспечении эффективной работы вычислительного комплекса, который использовался при обработке результатов измерений.

1. С. Grupen, Particle detectors . Cambridge University Press, 1996

2. S. Denisov et al, NIM 85(1970)101

3. S. Denisov et al., NIM 92(1971)77

4. В.В. Абрамов и др., Ядерная физика, 45(1987)725

5. N. Vishnevsky et al., Proceed, of the Int. Conf. on Instr. for HEP, 1971, p.305, Dubna

6. A. Kozhevnikov et al., NIM A 431(1999)164

7. J. Engelfried et al., NIM A 248(1999)53

8. B.JI. Гинзбург. Переходное излучение и переходное рассеяние. Природа. 1975, №8.

9. А.И. Абрамов, Ю.А. Казанский, Е.С. Матусевич. Основы экспериментальных методов ядерной физики. Атомиздат, 1977.

10. C.B. Стародубцев, A.M. Романов. Прохождение заряженных частиц через вещество. Изд-во АН УССР, 1962.

11. L. Landau, On The Energy Loss of Fast Particles by Ionisation, J. Phys. USSR 8 (1944) 201

12. H. Aihara et al., Charged Hadron Production in e+e~ Annihilation, LBL-23737 (1988)

13. J.E. Moyal, Theory of Ionisation Fluctuations, Nature, Ser. 7, Vol. 46, No. 374, p.263, March 1955

14. C.W. Fabian, H.G. Fischer, Particle detectors, CERN-EP/80-27 (1980)

15. E.Nappi et al, Experimental techniques of Cherenkov Light Imaging, NIM A, 343 (1994) 1

16. Клайкнехт К., Детекторы корпускулярных излучений, M.: Мир, 1990

17. С.П. Денисов, Достижения в области счетчиков Черепкова, доклад на Международной конференции по аппаратуре в физике высоких энергий, Дубна 197018. http://www.GluoX.org

18. M.Moszynski, NIM A 330 (1993) 100-102. Timing study with fast photomultipliers equipped with a screening grid at the anode.

19. Mizuki Kurata et al., NIM A 349 (1994) 447-453. Study of timing degragation and light attenuation in long plastic scintillation rods for time-of-flight counters in relativistic heavy ion experiments.

20. J.Lu et al., NIM A 437 (1999) 206-211. Performance test of a double-layer TOF scintillation counter.

21. Y.Tsujita et al, NIM A 383 (1996) 413-423. Test of a 3m long, 4x4 cm2 time-of-flight (TOF) scintillation counter using 38x38 mm2 fine-mesh photomultipliers in magnetic fields up to 1.5 T.

22. F.Ukegawa et al., NIM A 439 (2000) 65-79. Results from a 20 scintillation bar time-of-flight test system located in the 1.4 T CDF solenoid.

23. V.Sum et al, NIM A 326 (1993) 489-495. A time-of-flight array for 1 to 2 Gev/c particles.

24. M.Kuhlen et al., NIM A 301(1991)223-229. Timing properties of long scintillation counters based on scintillating fibers.

25. S.Nishimura et al., NIM A, accepted 15 may 2003. Systematic studies of scintillation detector with timing resolution of 10 ps for heavy ion beam.

26. А.В.Акиндинов и др., ПТЭ, 2003, №3. стр 68-73. Времяпролетные характеристики сцинтилляционных счетчиков с микросетчатыми фотоу м ножител ями.

27. S.Denisov, A. Dzierba, R. Heinz, A. Klimenko, V. Samoylenko, Е. Scott, A. Shchukin, P. Smith, С. Steffen, S. Teige, Timing characteristics of scintillator bars, NIM A 478 (2002) 440

28. Ю.А.Цирлин. Светособирание в сцинтилляционных счетчиках. Атомиздат, 1975 г.30. http://www.hamamatsu.com

29. А.А. Агаханян, Интегральные микросхе*мы. Энергоатомиздат М., 1983.32. http://www.philips.com33. http://www.bicron.com34. http://www.eljen.com35. http://www.apace-science.com

30. S.Denisov, A. Dzierba, R. Heinz, A. Klimenko, V. Samoylenko, E. Scott, A. Shchukin, P. Smith, C. Steffen, S. Teige, S. Volodina, Characteristics of the TOF counters for GlueX experiment. NIM A 494 (2002) 495

31. S.Denisov, A. Dzierba, R. Heinz, A. Klimenko, V. Samoylenko, E. Scott, A. Shchukin, P. Smith, C. Steffen, S. Teige, Systematic studies of timing characteristics for 2 m long scintillator counters. NIM A 525 (2004) 18338. http://www.melz.ct.ru

32. Philips Photonics, Photomultiplier tubes. 200040. http://www.photonics.com41. http://www.ortec.com

33. S.P.Denisov, A.Dzierba, R.Heintz, A.K.Klimenko, R.Mitchell, V.D.Samoylenko, E.Scott, P. Smith, S. Teige, Studies of timing and amplitude properties for 2 m long scintillation counter with FEU-115M PMT's. IHEP Preprint 2005-35