Исследования характеристик адронных газовых ионизационных калориметров с урановыми, свинцовыми и стальными поглотителями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ
|
Сытник, Валерий Вениаминович
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Протвино
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1995
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.23
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
РГБ ОД
^ 1?нЖт^'^ИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
95 - 38 На правах рукописи
Сытник Валерий Вениаминович
Исследования характеристик адронных газовых ионизационных калориметров с урановыми,
свинцовыми и стальными поглотителями
01.04.23 - физика высоких энергий
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата фпзико-математипсскпх наук
Протвино 1995
М-24
Работа выполнена в Институте физики высоких энергий (г. Протвино)
Научный руководитель - доктор физико-математических наук С.П. Денисов.
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В.И.Крышкин, кандидат физико-математических наук Е.А.Кушнпренко.
Ведущая организация - Институт теоретической и экспериментально!" физики (г.Москва).
Защита диссертации состоится "_" _ 1995 г. г
_часов на заседании специализированного совета ДОЗ4.02.01 при
ИФВЭ по адресу: 142284, Протвино Московской области.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФВЭ.
Автореферат разослан "_" _:_ 1995 г.
Ученый секретарь
специализированного совета Д034.02.01 Ю.Г.Рябог
©
Институт физики высоких энергий, 1995
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Калориметр — один из ведущих инструментов в физике высоких энергий. Калориметры планируется широко применять для определения параметров физических процессов на будущих суперколлайдерах. Они будут использоваться дпя восстановления поперечной энергии, параметров элек-
троц'/г>, адроноз и струй.
Для работы в области малых ух лоя на супорко.-'ляЙАОрау с зксо-кой сл.;гимостью требуются бьхтртле, надежные. радшштпше стойки* л сргинигсльпо дешевке детекторы адрог'к'-п с хорлш;:м я:- ргс-тическим разрешением. Электромагнитные газотде калориметры, работящие л ионизационном режиме, облапаю I перечне лечг'ыми выше досточцс^симп. Адрояиые газовые цонпзащюшше калориметры ранее ке были изучены экспериментально.
Цель диссертационной работы состояла з разработке и исследовании характеристик адрошшх газовых ионизационных калориметров.
Результаты, выносимые на защиту:
!. Характеристики уранового калориметра (толщина слоя поглотителя 13 мм) и -зависимое гп от эаергаи алронои, каал^аил и высокого ттаттря-жештт на электродах.
2- Характеристики уранового калориметра (^зллтппа слоя поглотителя 6.5 мм) в зависимости от энергии адронеп, давления, пигокого ца-пряжения на электродах, толщины слоя поглотителя, полной толщины детектора.
3. Характеристики стального калориметра (толщина слоя поглотителя 15 мм) в зависимости от энергии адронов, высокого напряжения
на электродах, толщины слоя поглотителя, толщины поглотителя перед детектором, ширины и задержки строба АЦП.
4. Характеристики свинцового калориметра (толщина слоя поглотителя 10 мм) в зависимости от энергии адронов, давления, высокого напряжения на электродах, толщины слоя поглотителя, ширины п задержки строба АЦП.
5. Описание продольного развития адронного ливня.
6. Сэмплинг флуктуации в адронных газовых ионизационных калориметрах.
Научная новизна и практическая ценность
Впервые исследованы адронные газовые ионизационные калориметры. Продемонстрированы хорошее энергетическое, временное и пространственное разрешения, линейность, надежность, безопасность и возможность работать при более низких давлениях без существенного ухудшения характеристик калориметров.
Сигнал от детектора к прсдусплптелю передавался по кабельной связи, что может быть использовано для выноса электроники пз зоны с высоким уровнем радиации.
Установлена достаточная скомпенспрованность как урановых, так и свинцового н стального калориметров. Показано, что компенсационные свойства зависят от задержки строба АЦП.
Благодаря хорошей продольной гранулярности получена зависимость энергетического разрешения для адронов от толщины слоя поглотителя. Эти данные можно использовать для расчета энергетического разрешения калориметра с произвольной толщиной слоя.
Впервые двумя методами определены вклады сэмплинг флуктуации в энергетическое разрешепие уранового, свинцового п стального калориметров.
Созданные программные пакеты для гистограммпрования, графического представления гистограмм н данных могут быть использованы разработчиками программного обеспечения.
Апробация результатов и публикации
Диссертация написана на основе работ, выполненных в Отделе нейтринной фпзпкп ЙФВЭ с 1991 по 1994 гг. во время разработки, создания и исследований адронных газовых ионизационных калориметров с урановыми, свинцовыми и стальными поглотителями. Работы, составляющие основное содержание диссертации, опубликованы [1 - 7] в виде препринтов ИФВЭ на русском и английском языках, в журналах "Nuclear Instruments
Л Methods", "Приборы и техника эксперимента", в Трудах 3- и 4-й
ждународных конференций "Калориметрия в физике высоких энергий", Трудах Рабочего совещания по передней калориметрии для установки SM, а также в виде ATLAS Note. Результаты диссертации докладывались на семинарах ИФВЭ, ЦЕРН, с:кдународном совещании по физике на LHC, на 3-, 4-, 5-й между-родшлх конференциях "Калориметрия в физике высоких энергий", на .вещаниях по передней калориметрии лля установки ATLAS, Рабочем зещакпн по передней калориметрии для установки GEM.
ОСх-сы :: структура диссертации.
Работа изложена на 94 страницах, состоит и:, ^педодд.т, пгп ггтач заключения, содержит 62 рисунка, б таблиц и список цитируемой гературы из 85 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассмотрены факторы, определяющие энергетическое фешение адропного калориметра. Впдимуто энергию, выделяемую в зствительных слоях детектора, запишем в вице
= еЕст + rrF, + р£р + п Е„ ->- NEXud , (I )
Eau ' энергия электромагнитной компоненты в адронном каскаде; Ер, Е„ - энергии компонент заряженных пионов, протонов п нейтоо-; Енис1 - энергия, идущая на разрыв связи нуклонов в ядре ("невидимая: ргпя"); е,x,p,n,N - соответствующие сэмнлинг-фракшш (доли знер-компонент адронного ливня, выделяющиеся в активной среде). Из »мулы (1) следует, что флуктуации видимой энергии определяются:
» флуктуацпямп сэмплпнг-фракций (Де, Аж и т.д.) - езмпллпг флук-туацпямп;
s флуктуапиями энергий компонент адроииого каскада. (0>.Еет,&Еж и т.д.) -- внутренними флуктуацпямп, которые вызывают флуктуации Evis через различные сэлшлпнг-фракшш.
Формулу (1) молено переписать так:
Evis = eEtm 4- hEh,
fiEh — кЕ,г +pEp + nEn -f NEtfud - отклик на' чисто адронную ком-дату.
Вклад внутренних флуктуации в энергетическое разрешение coctoi пз члена, определяемого в основном флук ту алиями "невидимой энергии
c>ntr = aintrjs/E
п энергозависимого (постоянного) члена
cintr = X\e/h-l\.
Сэмшшнг-флуктуации представляют обычно в форме Psamp = 9.0%удЕ(МэВ)/Е(ГэВ) ,
где ДЕ ~ t(dE/dx)t + s(dE/dx)s - потери энергии на ионизацию в одн( слое {tus- толщины слоев поглотителя и активной среды).
Энергетическое разрешение адронного калориметра является комбин ЦИеЙ asamp, finir, C{t„r:
. r-, == (asamp ф finir) + C{nir.
< &vis >
Постоянный член довольно опасен, так как при больших энергиях он i минирует в энергетическом разрешении. Поэтому калориметры старают делать компенсированными (т.е. с e/h = 1).
Вклад внутренних флуктуации (e/h, aintr) зависит от следующих г раметров:
• Z поглотителя, так как Z поглотителя определяет отноептельн фракции протонов и нейтронов в адронном ливне (кулоновекпй f рьер, состав ядра), долю "невидимой энергии", отклик на эл< тромагнптную компоненту (сечение фотоэффекта ~ Z5), отклик нейтроны (упругое рассеяние);
• гранулярности - увеличение количества границ между чувстппте] ными слоями и пластинами конверторов приводит к увеличен] отклика на электромагнитную компоненту;
• наличия водорода в активной среде, что увеличивает отклик нейтронную компоненту (через протоны отдачи);
• времени сбора сигнала, определяющего эффективность регистрап 7 от захваченных ядрами тепловых нейтронов;
• отношения толщин слоев активного и пассивного вещества (R¿ t¡s), прп увеличении которого растет относительный отклик на н< троны через протоны отдачи.
Таким образом, отношение e/h уменьшается при увеличении Z поглотителя, содержания водорода в активной среде, времени сбора сигнала, отношения Rri = t/s. При улучшении гранулярности e/h возрастает, если
не используются обкладки из поглотитсл^Тс"мзлим Z.----------------------------------
ffintr минимально, если энергия, идущая на разрыв связей нуклонов з ядрах, компенсируется энерговыделекием от нейтронов. Расчеты показывают, что:
Л._! — 1 (калориметр урая/'РММА),
• е./к — 1, если — 4 (калориметр свинец/РММА).
В.д = 15 (калориметр сталь/РММА).
« Калориметры без недорода п активной срсде Н" могут быть скомпенсированы.
в Одновременное выполнение условий 1)е/к — 1, 2)аыг минимально возможно только в калориметре с £ поглотителя 50 -4- 70.
Энергетическое разрешение калориметра также может быть ограничено из-за
1) неоднородности отклика калориметра (длина затухания сцинтплля-
тора, "мертвые зоны",4горячие зоны"),
2) шума электроники,
3) фоновых частиц,
4) качества калибровки,
5) качества кластеризации,
6) шумоналожения.
Важными характеристиками активной среды являются коэффициент рекомбинации и содержание электроотрицательных примесей.
Во второй главе рассмотрены структуры газовых ионизационных калориметров в том порядке, в котором они были исследованы экспериментально, описана электроника детекторов. Все детекторы имеют плоскопараллельную геометрию электродов. Структуры всех калориметров состоят из двух частей: передней тонкогранулированной в продольном направлении части и задней "грубой" структуры ("кэтчера"). Для первых исследовании была выбрана структура (рис. 1а), первые 30 пассивных конверторов которой были сделаны из аллюминня и урана (3.5 мм А1 + 13 мм I/ + 3.5 мм А1), а следующие 15 - из стальных пластин толщиной 40 мм. Толщина более тонкой передней части детектора составила 4.ЗА, а полная толщина - 7.8А. Поперечные размеры пластин
■ t5Al.65U-3.SAI.
0ЕАМ
9.5
•V -V
£
г
-> и
V
Рис.1 Структуры урановых калориметров с 13-лл« (а) и 6.5-ми {6) поглотителями.
Рис.3 Конструкция калориметра.
Рис.2 Поперечный разрез калориметра.
-1«о -1 г« -ко -v»
зоа iw ieco
An, ke
Рис.5 Спектр шума, полученный суммированием сигналов по всем 225 каналам ( 1 -
распределение шума до принятия мер по заземлению и защите измерительного тракта от помех, 2 - слеатр шума после устранения петель по "земле'' и защиты электроники от помех, 3 - распределение Гаусса с дисперией, равной сумме дисперсий шумовых спектров отдельных каналов).
Рис.4 Схема измерительного триста системы сбора данных и разводки хзлибровочных сигналов. РА - предуешштель, МА - усилитель, G - генератор прямоугольных импульсов, АТТ - программируемый аттенюатор, MUX - демультиплексор 1 х 45. Емкость детектора Ci — 290 п Ф, высоковольтная емкость С» = 2200 пФх 6.3кВ, калибровочная емкость Се = (1 ± 0.05)пФ.
Mlk
"r^T-irri'frtftjirii-jrir^^irtrtjirtfe
Рис.7 Адроккмй ливень в урановом калориметре.
s,
-Ь-
S.A
-и-
с
I к тт.т
Рис.6 Схема
эксперимента. Si, 5а, S3, St, 5S, А - сшштил-ляционные счетчики, С - калориметр
поглотителя 580x580 мм2. Газовый зазор шпрпной 4.25 мм формировался следующим образом: в середину \0-мм промежутка между конверторами вставлялся сигнальный электрод из фольгпрованного стеклотекстолита толщиной 1.5 мм, на обеих сторонах которого было вытравлено по пять вертикальных полос размером 105 х 580 мм2 и расстоянием между ними 2 мм (рис.2). Конверторы были заземлены, высокое напряжение подавалось на сигнальные полосы.
Для дальнейших исследований было решено сделать урановую структуру более гранулированной в продольном направлении путем уменьшения толщины слоя поглотителя приблизительно в два раза (рпс.16). Число каналов электроники было сохранено за счет ухудшения поперечной гранулярности детектора: 3 полосы (вместо 5) размером 140 х 420 мм2 были вытравлены на листах стеклотекстолита. Заметим, что полосы стали несколько короче, чтобы сохранить емкость 4,-мм газового зазора. Полная толщина калориметра, состоящего из 60 6.5-лш пластин урана (4.7Л) и 20 плоскостей 20-мм пластин стали, несколько уменьшилась и стала 6.5Л. Поперечные размеры урановых поглотителей, помещенных в аллюминие-вые конверты, также были уменьшены до 60 X 40 см2.
Рассмотрим структуру стального и свинцового калориметров. Оба детектора имеют хорошо сегментированную переднюю часть из стали и свинца соответственно и "кэтчер" из толстых стальных поглотителей. Первые 60 плоскостей стального детектора (5.4Л) - это 15-мм стальные пластины. Задняя часть состоит из 4 плоскостей 20-мм пластин и 7 плоскостей пластин толщиной 40 мм.
Число продольных сегментов передней части свинцового калориметра 62 (4.4А). Толщина свинцовой пластины, помещенной в тонкие (0.5 и 1.5 мм) стальные обкладки, 10 мм. Задняя часть представляет собой набор iO-мм стальных конверторов.
Полная толщина калориметров 7.4Л. Как в стальном, так и в свинцовом детекторе слои поглотителя чередуются с 10-лш промежутками со вставленными в них сигнальными электродами из стеклотекстолита, образующими А-мм газовый зазор. На каждой стороне пластины стеклотекстолита вытравлено по 3 вертикальные сигнальные полосы шириной 14 см и высотой 42 см. Поперечный размер пластин поглотителей 58 х 58 см2.
Системы электродов всех описанных калориметров помещались в цилиндрический сосуд из нержавеющей стали, рассчитанный на давление до 40 атм (рпс.З). Сосуд пмел сферическое окно из 4.5-мм стали для пучка частивр фланцы для заполнения объема газовой смесью 95% Аг+Ь% CF4
под давлением 40 атм. (при исследованиях урановых калориметров) пли смесью_90% Аг + 10% CFn под давлением 24 атм (при исследованиях стального xi свинцовогокалориметров),ввода_высокого напряжения и вывода сигнальных и калибровочных кабелей.
Общая схемл. сьсма сигналов с 225 сигнальпых электродов детектора и разводки 45 калибровочных импульсов представлена на рпс.4. Часть измерительного тракта, обведенная пунктирной линией, находится внутри детектора. Разводка калибровочного сигнала внутри детектора выполнена в виде плоской полосковой лншш с волновым импедансом 50 Оле, в разрыве которой вставлены специально подобранные калибровочные емкости С'с = (1 ± 0.05) я Ф (калориметр с 13-мм урановыми поглотителями), С с = (3 ± 0.05) пФ (калориметры с тонкими урановыми, стальными и свинцовыми поглотителями).
Сигнал от детектора к предусплителю передавался по кабельной связи, что может быть использовано для выноса электроники из "горячей зоны" с высоким уровнем радиации. В связи с использованием кабельной связи потребовалась разработка специальных быстрых малошумящих усилителей с фиксированным входным сопротивлением, способных работать на кабельную нагрузку. Длительность сигнала на выходе усилителя при инжекцпи токовой ¿-функщш на емкость детектора составляла после 10-метрового кабеля <10 не (без кабеля - 30 не),
С дслыо минимизации наводок были приняты надлежащие меры по заземлению и защите измерительного тракта и синхронизации с работой ускоряющих станций У-70, что позволило уменьшить вклад когерентных заводок и, как следствие, ширин}' шумового спектра по всему детектору примерно в два раза (см. рис.5). Близость спектров 2 и 3 на рис.5 :видстсльствуст о малой величине когерентного шума. Измерения шу-иов производились в промежутках между циклами ускорителя, когда не работали ускоряющие станции.
В третьей главе описаны параметры пучхеов частиц, процедура сбора данных, порядок измерений, программные пакеты гистограммпрования и графического представления гистограмм и данных.
Исследования калориметра 'проводились на канале 2Б ускорителя ЙФВЭ в пучках отрицательных адронов с импульсами от 20 до 58 ГэВ/с, з 19.4; 26.6-ГэВ пучках электронов. Адронные пучки состояли в основном из 7г~-мезонов. Для исследования уранового калориметра с тонкой зродольной гранулярностью также использовался пучок протонов с им-тульсами 50 ГэВ/с.
Полное количество вещества в пучке составляло 0.7 рад. длин. Оно слабо влияло на импульсный разброс адронов в пучке (APJP = ±1.5%), но приводило к низкоэнергетическому "хвосту" в спектре электронов, связанному с.тормозным излучением. Пучок частиц монпторировался сцпнтпл-ляцпонными счетчиками совпадений S\ 5s и антпсовпаденпй .4 (рис.6), расположенными вдоль канала.
Для проведения измерений использовался персональный компьютер IBMPC/AT-386, сопряженный с крейтом КАМАК через контроллер 217.10. Сбором данных управляла специальная написанная на языке С программа (ON-LINE программа), которая могла работать в двух режимах:
1) калибровка детектора,
2) набор статистики.
Калибровались оновременно 5 каналов (одна плоскость, Сс — 1 пФ) или 6 каналов (две плоскости, Сс = 3 пФ).
Импульс от генератора (G) ослаблялся программируемым аттенюатором (АТТ) с коэффициентом ослабления от 28 до 84 дБ (Сс = 3 пФ), чтобы обеспечить калибровку детектора в нужном динамическом диапазоне. Далее калибровочный импульс заряжал калибровочные емкости пяти или шести каналов. Показания АЦП считывалпсь в память компьютера. Среднее значение и RMS тысячи отсчетов, записанных для каждого канала, в дальнейшем использовались для построения калибровочной кривой. Калибровка урановых калориметров проводилась только при стробе АЦП шириной ta = 55 не, стального и свинцового калориметров - при ^ = 25; 55; 145 не.
Чтобы избежать наводок, калориметры калибровались в промежутках между работой ускоряющих станций У-70 или в то время, когда ускоритель не работал.
Режим набора статистики применялся для измерения откликов частиц в детехсторах или для набора шумовых спектров калориметров. В отлпчпе от режима калибровки в память компьютера одновременно заносились данные со всего детектора (225 каналов электроники), которые формировали одно событие. Большинство параметров ON-LINE программы можно определять в интерактивном режиме. Это удобство позволяло быстро менять условия сбора данных во время проведения измерений.
Исследования состояли в измерениях амплитудных спектров сигналов с детектора при разных значениях импульсов частиц, высокого напряжения, давления рабочего газа, ширины строба АЦП, задержки строба
АЦП. Для каждого спектра регистрировалось от 3 до 18 тысяч событий. Перед началом II после окончания набора статистики для каждого спектра проводились И1МРрегшя~шумопгЭто-дслалось, во-первых, для того,
чтобы знать склад шума электроники в энергетическое разрешение п,"во--------
вторых, чтобы контролировать пьедесталы и на основании этих данных ^орректировать калибровочные кривые.
Оапк-два раза ^ сутки детектор калибровался. Наклон калибровочных фивых менялся не более чем на 10%. Для контроля стабильности работы установки периодически повторялись измерения при заданном режиме.
Рячрайотка ОЗ^-МКЕ программы для данного эксперимента включала 1 себя создание быстрого и удобного пакета гистогра:,:мттрования и графи-1еского п1>едставленпя гистограмм и данных (рис.7). Оперативное люлпе :пектров откликов частиц и спектров электронных шумов, распределе-ше энергии по ячейкам калориметров позволяло следить за точностью )Ыполненпя экспериментальной программы, фиксировать и устранять не-гсправностп, контролировать параметры режима работы: энергию и сорт истиц, качество пучка частиц, давление, высокое напряжение, ширину МфОТ.
В четвертой главе рассмотрена процедура обработки эксперимен-/альных данных. В результате калибровки газового ионизационного ка-юримотра для каждого канала получалась зависимость ионизационного ■аряда от сигнала, регистрируемого в АЦП. Калибровочный заряд ме-1ялся в диапазоне от 0 до 502 кг.". Этот диапазон был разбит на 11 штервалов: детектор калибровался в 10 точках.
Были рассмотрены описания зависимости номера канала АЦП от ка-шбрсвочтшго заряда прямой, параболой, прямыми отрезками, соединяющими соседние точки. В результате был выбран фит параболой точек ! диапазоне (1 — 63 ке~) а соединение точек между 63 и 502 ке~ яря-1ыми отрезками, так как такое построение калибровочной зависимости оответствовало наилучшему энергетическому разрешению.
Калибровка урановых калориметров проводилась только для ширины троба АЦП — 55 не. Стальной и свинцовый калориметры калнброза-ись при разных 1} - 25 ; 55; 145 не. Анализ экспериментальных данных ;оказал, что энергетическое разрешение калориметров становится наилуч-пгм, если использовать калибровочные данные с 1Я = 145 не. Поэтому анные калибровки с шириной ворот 145 не были использованы для полумиля всех экспериментальных зависимостей для этих детекторов. В конце роцедуры определения параметров калибровочных кривых на экран дне-
плея выводилась диагностика работоспособности каждого канала. Посл( устранения неисправностей в неработающих каналах проводилась пере калибровка этих каналов.
Калибровочные зависимости использовались в дальнейшем програм мой обработки данных, записанных во время экспозиций калориметров i пучках частиц и измерений шума электроники. Для анализа отбиралис! события с адронными ливнями, удовлетворяющие следующим критериям
1. Сигнал в центральных электродах вдвое превышает сигнал в боко вых электродах.
2. Взаимодействие адрона произошло между 1- и 5-м слоями (калори метр с 13-мм урановыми поглотителями).
3. Взаимодействие адрона произошло между 3- и 10-м слоями (калори метры с тонкими урановыми, стальными и свинцовыми поглотите лями).
Критерий 1 позволил исключить события, когда в результате слу чайного совпадения принималась информация о прохождении частпць из гало пучка через край детектора. Крптерип 2, 3 были использовань для уменьшения влияния продольных утечек энергии ливня и "грубости' структур задних частей калориметров на их энергетическое разрешение
Для получения энергетического спектра адронов складывались энер говыделения во всех 225 каналах детектора.
Энерговыделение от электронов определялось суммой сигналов в пер вых ~ 30 радиационных длинах детекторов. Электромагнитные ливш должны были содержать 90% энегрии в центральных электродах.
Пятая глава посвящена результатам исследований характеристш калориметров. Уменьшение среднего отклика от адронов в калориметр-с 13-мм поглотителями из урана при изменении напряжения на электро дах связано с уменьшением скорости дрейфа электронов. Энергетическое разрешение калориметра после вычета шума электроники слабо зави сит от напряжения на электродах и давления рабочего газа в диапазон 20-г 40 атпм. Зависимость отклика калориметра от энергии адронов npi давлении рабочего газа 40 атпм и высоком напряжении на электрода; 3.5 кВ линейна. Энергетическое разрешение детектора хорошо описыва ется формулой:
с _ 12 ГэВ 1.13 у/ТэВ Е~ Е Ш ^Ё
де Е - энергия адронов з ГэВ, а(ГэВ) - параметр распределения Гаусса. Тервый член в этой формуле связан с шумом электроники. Второй член >пределяется флуктуаци^пгэнерговыделешш в калориметре.
Определенная по экспериментальным данным величина отношения.е/к оставляет 1.13±0.03. Спектр шума электроники детектора с 6.5-мм. ура-говыми поглотителями, энергетические спектры для адронов с имцудьса-ш 20 и 50 ГэВ/с представлены на рис.8. Спектры хорошо описываются >аспределенаем Гаусса и демонстрируют хорошее отношение сигнал/шум. Амплитуда отклика калориметра, от адроноп лпнейко пястет с энергией кронного лучка (рис.9); измерения были проведены прн -1С>-о.тм. давлении [ высоком напряжении на злетстрояах 4 ?сВ. Свойства детектора слабо геняются в широком диапазоне напряжешхй прп фиксированном данлея^л.
Было установлено, что энергетическое разрешение калориметра для >0 ГэВ/с протонов после вычета шума электроники слабо меняется в (паиазоне давлений 12 40 атм (рис.10). Для давлений ниже 12 атм нергетпческое разрешение в основном определяется шумом электроники.
Такие преимущества детектора, как хорошая продольная грануляр-юсть, возможность анализировать информацию об энерговыделениях в :аждом зазоре, позволили изучить энергетическое разрешение и отклик :алорпметра не только для структуры с толщиной урановой пластины о = 6.5 мм, но и для более грубых структур с толщинами поглотите-1ей 2/о> 34/у, 5/о, суммируя экерговыделения б каждой 2-, 3-, 4- и 5-й глоскости соответственно.
Экспериментально полученная зависимость энергетического разрешены от энергии адропов и толщины пластины поглотителя (рис.И) хо->ошо описывается формулой (2) (значения параметров представлены н.г шс.11)
•де А - эквивалентная энергия шума, В представляет вклад стохастиче-:кпх флуктуации, С - постоянный член. Размерность А п В - ГэВ н
Отношение откликов от 19.4 ГэВ/с электронов и 50 ГэВ ¡с протонов ¡оставило 1.17 ±0.03.
Большинство измерений калориметров со стальными и свинцовыми поглотителями проведены прп трех ширинах строба АЦП: = 25; 55; 145 не. 1ля каждого 10 была выбрана задержка (/¿), при которой энергетическое >азрешенпе было наилучшим.
/ГШ.
Рис.6 Спектр шума в урановом калориметре. Спектры сигналов от 20; 50 ГэВ/с адронов, измеренные при давлении рабочего газа 40 атм и величине высокого напряжения 4 к В.
Рис.9 Зависимость средней амплитуды сигнала от энергии адронов при давлении рабочего газа 40 атм я величине высокого напряжения на электродах 4 к В.
• (tJW/KV * i.67.)a(a,t/c) ■ («ОЯДЕУ * 1.6Я)Э(?.2/С) о(ю <я/(С),Л * 1.бя)а(б.з/с> О (В9Я/£Е)'Л ♦ 1.6Х)9(5.1/£) Л 1.«Х)«(М/С)
E.S«»
Рис.10 Зависимость энергетичесхого разрешения уранового калориметра для 50 ГэВ/с протонов от давления рабочего газа; ( •) - без шума электроники.
Рис.11 Энергетическое разрешение калориметра в зависимости от энергии адронов и толщины слоя поглотителя: 1о(А), 2i0(Q), 3<0( С), 4«0(»), and 5i0( •)
На основании зависимостей среднего сигнала калориметров от давлена (Р), ширины ворот (f^), задержки строба АЦП (tи энергии адронов южно сделать следующие выводы:
» Ворота с ширинами tg =25;55; 145 не содержат соответственно 45; 70 и 98% ионизационного сигнала.
« Максимальное энерговыделение как от адронов, так и от электронов достигается при условиях:
td = 0 , ty = 145 не: tj = 10 не, tg = 55 не; и - 20 ке, \ - 25 «/•.
о Отношение сигналов от адронов для стального и свинцового калориметров равно 1.4±0.15. То лее отношение для электронов составляет 1.6 ±0.15.
в Отношение сигнал/шум слабо зависит от ширины строба АЦП. Это означает, что эквивалентная шумовая энергия приблизительно одинакова для разных tg.
• Отклик калориметров линеен для всех ширин ворот.
Зависимости энергетических разрешении калориметров от энергии для >азных толщин слоя поглотителя описаны формулой (2); значения пара-гетров представлены в табл. 1.
Стоит отметить следующее:
- стохастические флуктуации для стального калориметра меньше чем [ЛЯ свинцового,
- постоянный член в энергетическом разрешении свинцового детектора ¡лпзок к 0 в пределах ошибок измерений,
- коррекции данных для учета утечек в поперечном папрлплептш не ;ыли использованы.
При уменьшении давления от 28 до 4 ат.м a/Eh (без вклада шума лектроникп) ухудшается в ~ 1.5 раза (рпс.12). В диапазоне от 20 до !8 атм энергетическое разрешение почти не меняется.
Окончательные значения энергетических разрешении для электронов а/Ес) были получены двумя методами: коррекцией (с / Ес) с учетом шииты импульсного распределения пучка электронов и методом вложенных калориметров.
Таблица 1. Значения параметров в формуле (2); 1а - толщина слоя поглотителя. Ра мерность А и В - ГэВ и уГэВ.
Поглотитель Ширина ворот,НС Пара метр Толщина поглотителя
¿0 2«0 3(0 4*о 5*о
Сталь 25 А 6.0 9.0 11.0 12.9 14.4
В 0.71 0.82 0.98 1.07 1.22
С 0.025
55 А 5.0 7.6 9.5 11.0 12.3
В 0.70 0.85 0.94 1.07 1.18
С 0.045
145 А 5.0 7.5 9.2 10.6 11.7
В 0.77 0.88 1.00 1.18 1.27
С 0.044
Свинец 25 А 7.1 10.2 12.5 14.5 16.3
В 0.84 1.12 1.32 1.49 1.67
С 0.001
55 А 6.6 9.5 11.7 13.6 15.3
В 0.82 1.08 1.30 1.42 1.62
С 0.002
145 А 6.1 8.8 10.6 12.3 13.8
В 0.92 1.16 1.37 1.50 1.70
С 0.003 .
Оба подхода дали одинаковые результаты: а 2.8 т 0.25
— = — {стальные поглотители, <3 = 55 к с), Ее Ее у Ее
а 2.6 _ 0.28
— = — ф—р== (свинцовые поглотители, 1д — 55 не), Ее Ье V Ее
Входное окно стального детектора толщиной меньше двух рад.длин меньше 0.5А незначительно влияет на отклик и энергетическое разреш ние для электронов и адронов соответственно (рис.13).
Уменьшение отношения е/Л с увеличением задержки строба АЦП объясняется различием в форме адронных и электронных сигналов: и> низационные импульсы от электронов короче чем от адронов (рис.14 Калориметр со свинцовыми поглотителями скомпенсирован лучше стал ного. Задержке строба АЦП ^ = 20 не, при которой были проведен измерения энергетического разрешения с шириной ворот 13 = 55 не, соо: ветствует отношение е/Л 1.25 (стальной калориметр) и 1.10 (свинцовк калориметр). Близость к единице отношения е/Ь. для свинцового кале рнметра согласуется с маленьким постоянным членом в энергетическо разрешении этого детектора.
Eh*53CeV о С*'*
tur>MC> WH
«О 19 20 г»
Je
Кч
tfrZSXSb
.12 Зависимость энергетического разре-ия свгащового калориметра для адроков [авления газа (¿, = 55 «с).
Рис.15 Средние продольные профили лиа-кей от адронов с импульсами: 26.6; 40; 58 ГэВ/с в стальном калориметре.
» ♦
{ i I
1 «А, • • о 0 • Е.-2М G*V } ta« 55 n* i
• • i
t
« ; . * * •
ис.13 Параметр стохастического члена и средний отклик на адрпны (а) и электроны (б) в стальном калориметре в зависимости от толщины поглотителя перед калориметром ((, = 55 не). Ту/ измерена в единицах (о = 15 мм.
'9
• 2Sns
: f * • SSnl
• HSn» » 1
\
■ 1 < .... i.... i. í » 4 > 1 f, i ■ ■'.......... — > — 1....
1S » а К) 35 |*л»
о)
• J5r»
• 55 n»
* l«n»
i
i. ♦
Г i *
i
\
» ♦ t
1 > 1 1 1 l-t 1 t A . 1 1 . 1 i ♦ 1 1
м Ы
м «
<4. м
te.14 Зависимость отношения е/А от задержки строба АЦП для стального (а) я свинцового (б) калориметров.
t
t
и
Были получены зависимости разрешения по поперечной координг от энергии адронов для уранового, свинцового п стального калориметр Для определения координаты оси адронного ливня был использован мез центра тяжести.
Для параметризации плотности распределения энерговыделенпя вдс оси ливня использована форма
dEjdx = кпотт ■ (ш • sa~' • e~hs + (1 - tu) • <e_1 ■ e~di-) ,
где s = r/A'o, t = x/X - расстояния от вершины ливня, выраженньк радиационных (.Yo) и ядерных (Л) длинах взаимодействии исследуем калориметров; w, a, b,c,d - параметры. Два слагаемых в выражении представляют электромагнитную п адронную компоненты с весами и 1 — w.
Чтобы описать средний продольный профиль энерговыделений от ад] нов, полученный без отбора событий по вершпнам ливней, нужно свернз (3) с вероятностью 7г--мезону провзапмодействовать на длине х:
f = Yjlexp{-bd^{t~x)dx-
Распределения энерговыделенпй вдоль осей ливней для адронов с i пульсами 26.6; 40 и 58 ГэВ/с (рис.15) описанны формулой (4) со з: чениямп параметров а=0.043 + 0.766 1п(Е), 6=0.440, с = о, d=lA «/=1.102-0.215 ln(E).
Изучение сэмплинг флуктуации в газовом понизашюнном калори тре представляет интерес из-за большой величины отношения толп слоев поглотителя и активной среды (t/s ~ 103). Преимущество Tai исследований заключается в том, что нет необходимости делать nonpai на инструментальные эффекты, характерные для ецпнтилляцпонных лорпметров (затухание света, флуктуации в числе фотоэлектронов) г учитывать образование пространственного заряда в пропоршюнальв камерах.
Для газового ионизационного калориметра параметр стохастпческ члена В молено представить в форме
В = a.samp • \/f фа1П(г ,
где первое слагаемое относится к сэмплинг флуктуацпям. Поэтому j определения asamp, во-первых, было измерено энергетическое разреше: в зависимости от толщины слоя поглотителя (t), во-вторых, разделе
гохастпческий п постоянный члены, в-третьпх, в стохастическом члене лделена составляющая, пропорциональная л/t:
(0.58 ± Q.03)_• %/?
s/E
(и.оо U.UOI • V'_______ / . ч
ffSlMip =---{урпщ tf~ 55 не) ,
(0.69 ± 0.03) • у/? "итр = ---(свинец, 1д = 55 не) ,
(0.47 ± 0.03) • . г,
смтр =----- (сталь, = 5о не) ,
1С I измеряется в единицах ¿о- Сэмплпнг флуктуации также мож-э изучать, пеполъзуя метод вложенных калориметров inr.enea.vcil Цопп^егэ"). Представим, что калориметр состоит из двух кадорпме-ров с четными (а) и нечетными (Ь) номерами продольных сегментов :лоев). Обозначим сумму энерговыделенпй в слоях калориметра с чет-ымп и нечетными номерами через Егл,сп и Еш соответственно.
Внутренние флуктуащш вызваны флуктуациямн компонент адронного гоня, а так как такие флуктуаппп одинаковы для калориметров а и Ь, о они не вносят вклада во флуктуации величины Е,ц/ = Е(„еп — Е0!ц. ледовательно, флуктуации Е,ц/ определяются только сэмплпнг флукту-диями:
- Еш) _ AEdij _
F s F \ "samp-
Cjvii ¡-¡ma
<7 samp- (5)
Вклад сэмплпнг флуктуации в энергетическое разрешение, рассчитан-ый по формуле (5), составил для уранового калориметра (iff = 55 не)
<г,атР = (0-57 ± 0.02)/у/Ё , ля свинцового калориметра (tg — 55 не)
<Tsamp = (0.68 ± 0.02)/УЛЁ ,
ля стального калориметра (tg — 55 не)
о samp = (0.48 ± 0.С2)/УЁ.
Подчеркнем хорошее совпадешге вкладов сэмплпнг флуктуации, рас-штанных двумя различными методами. Отметим и хорошеее совпадение fomp для различных ширин строба АЦП.
В Заключении представлены основные результаты диссертацп Впервые исследованы газовые ионизационные калориметры в адронш пучках. Были получены характеристики четырех калориметров с плоек параллельной геометрией электродов:
• уранового калориметра (толщина слоя поглотителя ¿о = 13 мм),
• уранового калориметра (толщина слоя поглотителя ¿о = 6.5 мм),
• свинцового калориметра (толщина слоя поглотителя ¿о = Ю мм),
• стального калориметра (толщина слоя поглотителя ¿о = 15 мм).
В качестве рабочего газа в детекторах использовались газовые с\ си 95% Аг + 5% С В4 под давлением Р = 40 атм и 90% Аг +10% С1 Р = 24 атм. Измерения проводились при разных энергиях адронов, дат ниях, напряжениях на электродах, ширинах строба АЦП и задержк строба АЦП(^). Основные достоинства этих приборов - хорошее энер; тическое н временное разрешения, стабильность и однородность, высок радиационная стойкость, относительно низкая стоимость.
Основные результаты следующие:
• Длина сигнала после усилителя составила ~ 50 не.
• Измеренные спектры хорошо описываются распределением Гаусс;
• Зависимость отклика калориметров от энергии адронов линейна.
• Амплитуда сигнала и энергетическое разрешение слабо зависят напряжения на электродах.
• Энергетическое разрешение адронных калориметров без шума ЭЛ1 тропики слабо зависит от давления газа при Р > 12 атм
• Определены параметры формы продольного профиля адронного лз ня в калориметре со стальными поглотителями.
• Определен вклад сэмплинг флуктуации в энергетическое разрешер для адронов в газовых ионизационных калориметрах.
• Характеристики уранового калориметра с 13-мм поглотителями:
- энергетическое разрешение для адронов = 55 к с)
а_ _ 12 1.13 Е~Е '
- е/к = 1.13 ±0.03.
• Характеристики уранового калориметра с поглотителями толщш ¿о = 6-5 мм :
/
- энергетическое разрешение для адронов (tg = 55 не)
а Е
— зависимость стохастхгческого члена от толщины поглотителя где I измеряется в единппах <о! = 55 не)
В _0.57у^ 0.37 у/Ё~ у/Ё Ш у/Ё 5
- е/Л = 1.17 ± 0.03;
- координатное разрешение ~ 1 с.и для 40 ГэВ гг~-мезонов.
« Характеристики калориметра со стальными поглотителями ; ¿о = 15 мм :
— энергетическое разрешение для адронов (¿3 = 55 не)
- зависимость стохастического члена от толщпны поглотителя t, где t измеряется в ед1шпцах i0; (tg — 55 не)
В __ 0Л7\Д 0.51 s/E ~ -JE
- e/h — 1.30 -г 1.15, t-d — 0 -г 30 не, tg = 55 ие;
- координатное разрешение ~ 1.6 см для 40 ГэВ 7г~-мезонов;
- энергетическое разрешение для электронов
а_ _ 2.8 0.25
Е~ Е \[Ё '
- входное окно калориметра толщиной < 2 рад. длин и < 0.5 А незначительно влияет на отклик п энергетическое разрешение
для электронов и адронов соответственно.
о Характеристики калориметра со свинцовыми поглотителями ; fo = 10 мм:
- энергетическое разрешение для адронод (tg — 55 не)
6.6 _ /0.82
Е
- зависимость стохастического члена от толщины поглотителя t, где t измеряется в единицах to; (tg = 55 не)
В _ О.бЭлД 0.45
- elk = 1.20 -Г 1.05, td = 0 4- 40 не, tg = 55 к с;
- координатное разрешение ~ 1.9 см для 40 ГэВ 7г~-мезонов;
- энергетическое разрешение для электронов
а_ _ 2.6 0.28 Е~ Е -/Ё
Список литературы
[1] Гилицкий Ю.В., Денисов С.П., Душкин А.Ю., Котов И.В., Кочетков В.И., Михайлов Ю.В., Мухин С.А., Онучпн В.А., Солдатов А.П., Спиридонов А.А., Струздюмов Д.Ю., Сытнпк В.В., Федякин Н.Н., Шеин И.В., Шестерманов К.Е.
Адронный газовый ионпзашюнный калориметр: Препринт ИФВЭ, 92-98. - Протвино, 1992 // ПТЭ. 1992. N5. С.34.
[2] S.Denisov, A.Duslikin, N.Fedyakin, Yu.Gilitsky, V.Kochetkov, I.Kotov, Yu.Mikhailov, V.Onuchin, I.Shein, K.Shestermanov, A.Soldatov, A.Spiridonov, D.Struzdumov, V.Sytnik.
Hadron gas ionization calorimeter. - In: Proceed, of the 3-d Intern. Conf. on Calorimctry, Corpus Cliristi. - Texas, 1992, p.773
[3] S.Denisov, A.Duslikin, N.Fedyakin, Yu.Gilitsky, V.Kochetkov, I.Kotov, Yu.Mikhailov, V.Onuchin, I.Shein, K.Shestermanov, A.Soldatov, A.Spiridonov, D.Struzdumov, V.Sytnik.
Hadron gas ionization calorimeter with planar electrodes geometry: GEM TN-93-424, p.293.
[4] S.Denisov, A.Dushkin, N.Fedyakin, Yu.Gilitsky, V.Kochetkov, I.Kotov, Yu.Mikhailov, V.Onuchin, I.Shein, K.Shestermanov, A.Soldatov, A.Spiridonov, D.Struzdumov, V.Sytnik.
Fine grain gas ionization calorimeter: Preprint IHEP 93-17. - Protvino, 1993. // Nucl. Instr. and Meth. 1993, A335 p.106
[5] S.Denisov, A.Dushkin, N.Fedyakin, Yu.Gilitsky, V.Kochetkov, V.Mikhailin, Yu.Mikhailov, V.Onuchin, I.Shein, A.Soldatov,
/
A.Spiridonov, V.Sytnik.
Gas ionization calorimeters with steel and lead absorbers: - In: Proceed, of the 4-d Intern. Conf. on Calorimetry. - Elba, Italy, 1993, p.49
i] S.Denisov, A.Duslikin, N.Fedyakin, Yu.Gilitsky, V.Kochetkov, V.Mikhailin, Yu.Mikhailov, V.Onuchin, I.Shein, A.Soldatov, A.Spiridonov, V.Sytnik.
Hadron gas ionization calorimeters with steel and lead absorbers: Preprint IHEP 94-103. - Protvino, 1991.
] V.Sytnik, P.Nevski. Simulation of the Combined Gas Forward Calorimeter: ATLAS Int. Note CAL-NO-G43 (1994)
Рукопись поступила 2 марта 1995 г.
