Разработка аэрогелевых черенковских счетчиков для e + e--коллайдеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

1. Введение

2. Пороговые черенковские счетчики в экспериментах на встречных е~е+-пучках (обзор)

2.1. Применение пороговых черенковских счетчиков в экспериментах на встречных ее+-пучках.

2.2. Основные требования к пороговым счетчикам.

2.3. Разработка аэрогелевых черенковских счетчиков.

3. Аэрогель

3.1. Технология производства аэрогеля.

3.2. Атомные и ядерные константы аэрогеля.

3.3. Измерение коэффициента преломления аэрогеля и вариации коэффициента преломления внутри блока.

3.4. Измерение длины рассеяния света в аэрогеле.

3.5. Измерение длины поглощения света в аэрогеле.

3.6. Сравнение оптических свойств аэрогеля, произведенного в Новосибирске и в КЕК (Япония)

4. Фотонные детекторы

4.1. Сеточные ФЭУ Натагг^эи.

4.2. ФЭУ с микроканальной пластиной

4.3. Проект управляемого фотонного детектора.

4.3.1. Принцип работы детектора.

4.3.2. Моделирование детектора.

4.3.3. Измерение выхода фотоэлектронов в газе.

5. Отражающее покрытие

6. Разработка аэрогелевых счетчиков для детектора ВаВаг

6.1. Детектор ВаВаг, требования к системе идентификации

6.2. Четырехслойный вариант.

6.2.1. Принцип компоновки системы счетчиков.

6.2.2. Прототипы счетчиков.

6.2.3. Проверка прототипов счетчиков на пучке в ЦЕРНе

6.2.4. Экспериментальные результаты.

6.2.5. Моделирование светосбора в счетчиках.

6.2.6. Моделирование 5-электронов.

6.2.7. Исследование допороговой эффективности.

6.2.8. Возможность разделения частиц.

7. Разработка аэрогелевых счетчиков для детектора КЕДР

7.1. Детектор КЕДР.

7.2. Показатель преломления аэрогелевых черенковских счетчиков

7.3. Аэрогелевый счетчик с переизлучателем спектра (АШИФ), проверка метода.

7.4. АШИФ на основе переизлучателя ВВС}.

7.5. Проект системы АЧС для детектора КЕДР.

7.6. Проверка торцевых счетчиков

В современных экспериментах важное значение имеет идентификация адронов, в частности, разделение тг- и К - мезонов в широком интервале импульсов. При импульсах частиц ниже 700 МэВ/с разделение 7г/К производится в дрейфовых камерах. Специализированные сцинтилляционные времяпролетные счетчики могут разделять 7г/К до импульса ~1000 МэВ/с.

Для работы при импульсах выше 1000 МэВ/с используются черенков-ские счетчики различного вида. Наиболее простым типом черенковских счетчиков являются пороговые счетчики. Для идентификации адронов в области 1000 МэВ/с и выше с помощью пороговых счетчиков требуется среда с показателем преломления 1.05 - 1.02. Для получения таких показателей преломления можно использовать газы под давлением в десятки атмосфер, но это связано с большими техническими трудностями. Это также требует большого количества материала перед калориметром, что ухудшит эффективность регистрации 7-квантов. Другая возможность -это использование аэрогеля диоксида кремния в качестве радиатора излучения.

В пороговых счетчиках используются аэрогели с показателем преломления от 1.05 до 1.008. Достоинством аэрогелевых счетчиков являются простота конструкции и малое количество материала. Недостатком аэрогелевых счетчиков, по сравнению с газовыми, является наличие сильного рассеяния и поглощения света внутри аэрогеля. Это понижает эффективность сбора черенковского света на фотоприемники. В этой ситуации особенно актуальным становится прогресс по трем направлениям:

1) увеличение длины рассеяния и длины поглощения света в аэрогеле,

2) разработка оптимальных методов регистрации черенковского излучения,

3) разработка оптимальной для эксперимента конструкции счетчика и всей системы в целом.

Изучению этих проблем посвящена данная диссертация.

В главе 2 приведен обзор использования пороговых черенковских счетчиков в экспериментах на е~е+-коллайдерах, а также проанализированы примеры использования аэрогелевых счетчиков.

Кругу вопросов, связанных с применением аэрогеля в качестве черен-ковского радиатора в счетчике, посвящена глава 3. Освоены методы измерения показателя преломления аэрогеля и длины рассеяния света в аэрогеле. Впервые разработана методика измерения с высокой точностью длины поглощения света в аэрогеле. Измерены длины поглощения для аэрогелей БА]Ч-95 и 8А1Ч-96, произведенных в Новосибирске. Проведено сравнение длин рассеяния и поглощения в аэрогеле 8А1М-96 и аэрогеле производства КЕК (Япония). Измерена неоднородность показателя преломления по блоку аэрогеля. Рассчитаны атомные и ядерные константы аэрогеля.

В главе 4 рассмотрены вопросы, связанные с выбором фотонных детекторов для аэрогелевых черенковских счетчиках. Была изучена вероятность регистрации одиночных фотоэлектронов с помощью сеточных ФЭУ производства фирмы Натан^ви и ФЭУ на микроканальных пластинах (МКП) производства фирмы 1гйеуас и завода "Экран" (Новосибирск). Изучены одноэлектронные шумы данных приборов и показано, что уровень шумов является приемлемым для использования в пороговых черенковских счетчиках. Также в данной главе описан новый вид фотонного детектора с газовым усилением - управляемый фотонный детектор. Представлены расчеты и измерения, подтверждающие возможность создания такого прибора.

При разработке аэрогелевых черенковских счетчиков ответственным этапом является выбор отражающего покрытия для стенок счетчика. В главе 5 предложено использовать в качестве отражающего покрытия тефлон производства фирмы Те1^ех. Произведены измерения коэффициента отражения данного материала для разных толщин в зависимости от длины волны света. Достоинством данного материала является его большая радиационная длина, сочетающаяся с высоким коэффициентом отражения.

Глава 6 посвящена разработке аэрогелевых черепковских счетчиков для детектора ВаВаг. Предложен оригинальный 4-слойный вариант системы, позволяющий получить высокий коэффициент сбора черенковских фотонов на ФЭУ. Изготовлены и испытаны на пучках в ЦЕРНе три прототипа счетчиков. Впервые проведено моделирование светосбора в счетчике и проведено сравнение моделирования с экспериментом. Проведено моделирование образования ¿-электронов и ядерных взаимодействий в условиях эксперимента на пучке. Измерена допороговая эффективность счетчиков. Впервые получены данные по интенсивности черенковского света из тефлона. На счетчике с показателем преломления 1.05 показана возможность разделения пионов и протонов при импульсе 2.5 ГэВ/с на уровне 3.4сг. На счетчике с показателем преломления 1.012 показана возможность разделения пионов и протонов при импульсе 5 ГэВ/с на уровне 3.7а.

Глава 7 посвящена разработке системы аэрогелевых черенковских счетчиков для детектора КЕДР. В аэрогелевых счетчиках детектора КЕДР используется оригинальная схема сбора черенковских фотонов на ФЭУ с помощью световодов с переизлучателем спектра - АШИФ (Аэрогель, ШИф-тер, Фотоумножитель). В счетчике свет собирается на переизлучатели, сделанные в виде световодов, переизлучается, и частично захватывается в условия полного внутреннего отражения. После этого переизлученный свет транспортируется к фотоумножителю, где регистрируется. Коэффициент светосбора на шифтер в данном случае достаточно велик, так как шифтер располагается недалеко от точки излучения и имеет большую боковую поверхность. Длина поглощения переизлученного света составляет десятки сантиметров, в связи с этим продольный размер счетчика может достигать 50 см и более. Используя метод АШИФ, удалось увеличить размер счетчиков и значительно уменьшить количество ФЭУ.

Метод АШИФ был проверен в эксперименте на пучке в ЦЕРНе в 1995 году. В прототипе использовались 'синие' шифтеры КН-18 на основе РОРОР; и ФЭУ Натан^ви. Полученные экспериментальные данные согласуются с результатами моделирования.

Дальнейшим развитием метода АШИФ является современный проект системы аэрогелевых счетчиков для детектора КЕДР на основе ФЭУ с микроканальными пластинами производства завода " Экран" (Новосибирск) и 'зелеными' шифтерами на основе ВВС^. Данный вариант имеет преимущества по сравнению с 'синим', так как ВВС} имеет более широкий спектр поглощения чем, РОРОР, а квантовая чувствительность ФЭУ с МКП имеет максимальную чувствительность в области излучения ВВС^. Система аэрогелевых черенковских счетчиков для детектора КЕДР состоит из 160 счетчиков, расположенных в два слоя, коэффициент преломления аэрогеля 1.05, количество аэрогеля 800 литров, используется 160 ФЭУ с МКП. Первоначальный проект аэрогелевых счетчиков с прямым светосбором на ФЭУ для детектора КЕДР требовал 400 сеточных ФЭУ производства фирмы Наталией.

Было проведено моделирование светосбора для торцевого счетчика системы. На космических частицах было измерено число фотоэлектронов в данном счетчике. Экспериментальные данные согласуются с моделированием. В настоящее время 20 счетчиков (один слой одного торца) изготовлены и установлены в детектор КЕДР, ведется запуск.

Основные результаты диссертации представлены в публикациях [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9].

8. Заключение

Перечислим основные результаты, полученные в диссертации:

1) Впервые измерена длина поглощения света в аэрогеле с высокой точностью.

2) Получен аэрогель с лучшими в мире оптическими характеристиками.

3) Рассчитаны атомные и ядерные константы аэрогеля.

4) Предложен новый тип фотонного детектора с газовым усилением -управляемый фотонный детектор. Проведены расчеты и измерения, подтверждающие возможность его создания.

5) Найдено оптимальное отражающее покрытие для аэрогелевых счетчиков - тефлон производства фирмы Те1;га1ех.

6) Разработан проект системы аэрогелевых черенковских счетчиков для детектора ВаВаг. Проведены измерения характеристик прототипов на пучке частиц в ЦЕРНе. Исследованы эффекты, определяющие до-пороговую эффективность. Впервые измерен вклад от черенковского света из тефлона. Показана возможность разделения частиц на уровне лучше Зет.

7) Разработан проект системы аэрогелевых черенковских счетчиков для детектора КЕДР. Сбор света осуществляется с помощью переизлучателей спектра. В качестве фотонных детекторов впервые используются ФЭУ с микроканальной пластиной. Проведены измерения на счетчиках с космическими частицами. Изготовлены и поставлены в КЕДР первые 20 счетчиков.

В заключение хочу выразить глубокую благодарность научному руководителю работы А.П.Онучину за постановку задачи и руководство в процессе ее решения.

Я искренне признателен моему первому научному руководителю и учителю В.И.Тельнову.

Выражаю глубокую благодарность А.Ф.Данилюку за многолетнее сотрудничество при работе с аэрогелем.

Мне приятно выразить свою особую признательность А.Р.Бузыкаеву, Г.М.Колачеву, В.И.Микерову, В.М.Весеневу, Г.Д.Минакову, В.А.Таюрско-му, В.Е.Блинову, А.Н.Юшкову, Ю.В.Маркову, Г.А.Савинову, А.Г.Шамову, С.Ф.Ганжуру, М.Ю.Барнякову, С.А.Кононову, В.С.Бобровникову за сотрудничество при создании аэрогелевых счетчиков детектора КЕДР.

Я с благодарностью вспоминаю совместную работу с ныне ушедшим из жизни П.М.Бесчастновым над проектом управляемого фотонного детектора.

Отдельную благодарность хочется выразить А.И.Воробьеву и К.Г.Черепанову, внесшим большой вклад в развитие методики аэрогелевых че-ренковских счетчиков в Институте.

Выражаю сердечную благодарность за помощь при изготовлении прототипов счетчиков и стендов для измерений А.С.Старостину, А.П.Харченкову, А.В.Таркову, М.В.Шмакову.

Выражаю благодарность дирекции института и лично В.А.Сидорову за постоянный интерес и поддержку в работе.

1. A.Buzykaev, C.Cherepanov,. E.Kravchenko et al., 'Project of aerogel Cherenkov counters for KEDR', Nucl. Instr. and Meth. A379(1996)453-456

2. A.Buzykaev, A.Danilyuk,. E.Kravchenko et al., 'Aerogels with high optical parameters for Cherenkov counters', Nucl. Instr. and Meth. A379( 1996)465-467

3. A.R.Buzykaev, A.F.Danilyuk, . E.A.Kravchenko et al., 'Measurement of optical parameters of aerogel', Nucl. Instr. and Meth. A433(1999)396-400

4. M.Yu.Barnyakov, V.S.Bobrovnikov,. E.A.Kravchenko et al., 'Aerogel Cherenkov counters for the KEDR detector', Nucl. Instr. and Meth. A453(2000)326-332

5. P.M.Beschastnov, S.G.Klimenko, E.A.Kravchenko et al., 'Gated photon detector for the visible wavelength region', Nucl. Instr. and Meth. A387(1997) 180-182

6. M.Yu.Barnykov, A.R. Buzykaev,. E.A.Kravchenko et al., 'Development of aerogel Cherenkov counters with wavelength shifters and phototubes', Nucl. Instr. and Meth. A419(1998)584-589

7. K. Arisaka, E.Borsato,. E.A.Kravchenko et al., 'Four-layer aerogel Cherenkov counter', Journal of Non-Crystalline Solids 225(1998)375-380

8. A.R.Buzykaev, A.F.Danilyuk, . E.A.Kravchenko et al., 'Aerogel Chernkov counters with wavelength shifters and micro-channel plate photo-tubes', Journal of Non-Crystalline Solids 225(1998)381-384

9. K. Arisaka, E.Borsato,. E.A.Kravchenko et al., 'Recent results on prototype aerogel threshold counters for particle identification in the region 0.5-4.3 GeV/c', Nucl. Instr. and Meth. A379(1996)460-464

10. А.П.Онучин и С.И.Середняков, 'Пороговый черенковский счетчик', Приборы и техника эксперимента 6(1972)57

11. J.E. Augustin, G. Bussetto, G. Capon et al., 'Dm2: A Magnetic Detector For The Orsay Storage Ring Dei', Phys.Scripta 23(1981)623-633

12. H. Burkhardt, P. Koehler, R. Riethmuller et al., 'The Tasso Gas And Aerogel Cerenkov Counters', Nucl. Instr. and Meth. 184(1981)319-325

13. H. Aihara, M. Alston-Garnjost, R.E. Avery et al., 'Charged Hadron Production In e+ e" Annihilation At VS = 29-Gev', LBL Report LBL-23737, Lowrence Berkeley Laboratory, 1988

14. N. Harnew and D. I. Meyer, 'The Operation Of A Pressurized Ultraviolet Photoionization Threshold Cerenkov Counter', Nucl. Instr. and Meth. 186(1981)513-523

15. S.E.Baru, A.E.Blinov, V.E.Blinov et al., 'Experiments with the MD-1 detector at the e+ e- collider VEPP-4 in the energy region of Upsilon mesons', Phys. Rept. 267(1996)71-159

16. E.A. Kravchenko, A.P. Onuchin, V.I. Telnov, 'An Approach to particle identification at an asymmetric В factory', in proceedings 'B factories; the state of the art in accelerators, detectors, and physics', SLAC preprint SLAC-400, 1992, 499-501

17. M.Cantin, M.Casse, L.Koch et al., 'Silica aerogels used as Cherenkov radiators', Nucl. Instr. and Meth. 118(1974)177-182

18. W.Hrubesh,T.M.Tillotson, J.F.Poco, 'Characterization of Ultralow-Density Silica Aerogels made from a Condensed Silica Precursor', preprint UCRL-Ext.Abs. 102518, 1990

19. T. Sumiyoshi, I. Adachi, R. Enomoto et al., 'Silica aerogel Cherenkov counter for the KEK B-factory experiment', Nucl. Instr. and Meth. A433(1999)385-391

20. K. Abe, P. Antilogus, D. Aston et al., 'Performance of the CRID at SLD', Nucl. Instr. and Meth. A343( 1994)74-86

21. E. Albrecht, G. van Apeldoorn, A. Augustinus et al., 'Operation, optimisation, and performance of the DELPHI RICH detectors', Nucl. Instr. and Meth. A433(1999)47-58

22. R.J. Mountain, M. Artuso, R. Ayad et al., 'The CLEO-III ring imaging Cherenkov detector' Nucl. Instr. and Meth. A433(1999)77-86

23. I. Adam, R. Aleksan, D. Astond et al., 'The DIRC detector at BaBar', Nucl. Instr. and Meth. A433(1999)121-127

24. A.P.Onuchin, A.G.Shamov, A.I.Vorobiov et al., 'Development of aerogel Cherenkov counters for KEDR detektor', 5th Int. Conf. Instr. for Colliding Beams Physics, Novosibirsk, 1990 (World Scientific, 1990) 208-213

25. A. Onuchin, A. Shamov, Yu. Skovpen et al., 'The Aerogel Cerenkov counters with wavelength shifters and phototubes', Nucl. Instr. and Meth. A315(1992)517-520

26. S.S.Kistler, J.Phys.Chem. 34(1932) 52

27. S.S.Kistler, 'Method Of Producing Aerogels', PATENT-US-2093454

28. S.Henning and L.Svensson, 'Production Of Silica Aerogel', Phys. Scripta 23(1981)697-702

29. G.Poelz and R.Riethmuller, 'Preparation Of Silica Aerogel For Cerenkov Counters', Nucl. Instr. and Meth. 195(1982)491-503

30. D.E.Groom, M.Aguilar-Benitez, C.Amsler et al, 'Review of Particle Physics', The European Physical Journal C15(2000)80-81

31. D.E.Groom, M.Aguilar-Benitez, C.Amsler et al, 'Review of Particle Physics', The European Physical Journal C15(2000) 165-166

32. Стекло кварцевое оптическое. Технические условия, ГОСТ 15130-79, Издательство стандартов, Москва, 1986

33. Lawrence W. Hrubesh and Cyntia Т. Alviso, 'Optical characterisation of sisca aerogel', Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 121(1988)703-709

34. A.G.Shamov and A.R.Buzykaev, 'LCE, Light Collection Efficiency simulation tool', Proc. of 'Computing in High Energy Physics 97', http://www.ifh.de/CHEP97/paper/212.ps

35. K. Arisaka, D.Boutigny,. E.A.Kravchenko et al., 'Prototype performance of a 4-layer aerogel Cherenkov detector', BaBar Note # 290, SLAC, 199735. 'Photomultiplier Tubes and Assemblies', Cat. N^TPM00001E04, Hamamatsu, 1996

36. J.Seguinot and T.Ypsilantis, 'Photoionization And Cerenkov Ring Imaging', Nucl. Instr. and Meth. 142(1977)377-385

37. G.Charpak et al, 1989, proc. symp. on Particle Identification at the High Luminosity Hadron Colliders, Batavia, (Fermilab, Batavia 1990), p.295.

38. G.Charpak, W.Dominik, F.Sauli and S.Majewski, 'The Gas Photodiode As A Possible Large Area Photon Detector', IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-30 (1983) 134.

39. J.S.Edmends, D.J.Miller and F.Barlow, 'Investigation of prototype gas-filled photomultipliers', Nucl. Instr. and A273(1988) 145-156

40. F.Sauli, 'GEM: A new concept for electron amplification in gas detectors', Nucl. Instr. and Meth. A386(1997)531-534

41. A.Buzulutskov, L.Shekhtman, A.Bressan et al., 'GEM operation in pure noble gases and the avalanche confinement', Nucl. Instr. and Meth. A433(1999)471-475

42. Rob Veenhof, 'Garfield, a drift chamber simulation program', CERN Program Library entry W5050

43. A.Buzykaev, C.Cherepanov, A.Onuchin et al., 'Multilayer system of aerogel Chernkov counters for the BaBar detector', BaBar Note # 170, SLAC, 1994

44. D.Boutigny, Y.Karyotakis, S.Lees-Rolier et al., 'BaBar Technical Design Report', SLAC preprint SLAC-R-95-457, SLAC, 1995

45. Proceedings 'B factories; the state of the art in accelerators, detectors, and physics', SLAC preprint SLAC-400, 1992

46. Status report on the design of a detector for the study of CP violation at PEP-II at SLAC, SLAC preprint SLAC-R-95-457, 1993

47. K. Arisaka, M. Berthet,. E.A.Kravchenko et al., 'Performance of a prototype aerogel counter readout by fine mesh photo-tubes', Nucl. Instr. and Meth. A 385(1997)74-80

48. D. Boutigny, I. De Bonis,. E.A.Kravchenko et al., 'Performance of an aerogel threshold particle identification detector readout by hybrid photon detectors', IEEE trans, on Nucl. Sc. 44(1997)1621-1629

49. R.Brun et al., GEANT 3.21, CERN, Geneva, 1994