Разработка и исследование характеристик адронных калориметров ячеистого типа со световодами-смесителями спектра на пучках У-70 ИФВЭ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

РГЗ ОД

ОБЪЕДИНЕННОЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

13-97-356

На правах рукописи УДК 539.1.074.2

КАДЫКОВ Михаил Георгиевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АДРОННЫХ КАЛОРИМЕТРОВ ЯЧЕИСТОГО ТИПА СО СВЕТОВОДАМИ-СМЕСТИТЕЛЯМИ СПЕКТРА НА ПУЧКАХ У-70 ИФВЭ

Специальность: 01.04.01 —техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 1997

Работа тунтшлнстш в Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований

Научный руководитель:

кандидат фтико-ыагеыатнчесгш: наук, старший научный сотрудник

ГАВРИЩУК Олег Петрович

Пфпттчтт.иц* пппггаетптг доктор фязшсо-шггех»атичесгих наук, старший научный сотрудник

кандидат фтихо-иятеиатнческих наук, старший научный сотруд ник

ПАНЕБРАЩЕВ Юрий Анатольевич

РЕШЕТИН Андрей Игоревич

Ведущее ваучш-всследователкское учреждение: Институт фичпттт высоких энергий, г. Протвино

199¿'года в

часов

Защита диссертациисостоятся " на заседшш двссертацнонвого совета Д-047.61.02 при Лаборатории высоких энергий Объединенного ннсткпуга ядерных исследований по адресу: 141980, г. Дубна Мошэвской области, ЛВЭ ОИЯИ.

С двссергацнгй ьгожш ознакошгться в биб.'шогегс ЛВЭ ОИЯИ.

Автореферат разослан

1997 г.

Ученый секретарь дассергадвонного совета ,

доктор ф.-м. наук, профессор л Чк>

М.ФЛнхачев

Общая харшстсрпстпка работы

Актуальность темы. В рамках осуществления в ИФВЭ(г.Протвпно) программы "Меченые нейтрино" необходимо было создать адронный калориметр полного поглощения для надежной идентификации мюонов и измерения импульсов адронов от распадов зарязенпых К-мезонов. Требования регпстрации частиц па большой плопхади(4*4 м2) с высоким координатным и энергетическим разрешеппем и, вместе с тем, жесткие пространственные ограничения; по пучку, потребовали проведения длительных и тщательных методических исследований.

Цель диссергапиошюй работы заключалась в разработке, создании и исследовании основных физических параметров модулей детектора адронов полного поглощения с апертурой 4*4 м2.

Научная новизна исследований определяется следующим: -впервые детально и систематически проведены экспериментальные исследования основных характеристик ячеистого детектора типа "сэндвич" сталь-сцшшшлятор со сбором света световодом-сместигелем спектра в диапазоне эперпй 5-40 Гэв: зависимость отклика калориметра от координаты точки входа адропа в ячейку, энергетическое и пространственное разрешение, эффективность разделения адронов и электронов и т.д.

-впервые измерен прямой вклад черепковского излучения, развивающегося в свегговоде-смесгагеле спектра, в энергетическое разрешение адронного калориметра и получена зависимость величины излучения от координаты попадания частицы в детектор.

-впервые исследовано влияние прозрачности спехтросмещающего световода и флупуадий продольного развитая ядерного каскада на энергетическое разрешение адронного "сэмплннг"-калорнметра. Показано, что разработанная методика оптимизации длины затухания переизлученпого света в световоде позволяет компенсировать вытекание энергии в продольном направлении и тем самым получать предельно допустимое разрешение для калориметров неполного поглощения в заданном диапазоне энергий. Это будет особенно существенно в Тэв-ной области энергий при создании коллайдерных установок.

Практическая ценность. В ОИЯИ разработана методика и технология создания модулей ячеистых адрониых калориметров, что позволило в относительно короткие сроки создать самый крупный в ОИЯИ и ИФВЭ(г.Протвино) детектор адронов полного поглощения АК-600(аперпура 16 м2, количество модулей - 592). Татке в целях сокращения сроков создания детектора был разработан и внедрен в промышленность способ изготовления сцингалляторов методом литья под давлением на термопластавтоматах. Результаты испытаний позволили сделать вывод о большой перспективности данного метода, так как полученные таким образом образцы не уступали по свегговыходу и однородности светособирания экструдированным и изготовленным путем механической обработки блочного сцишиллятора, а по технологичности производства значительно их превосходили.

1

Апробация диссертации. Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на иаутаых семинарах ОИЯИ, на рабочих совещаниях коллаборащш "Меченые нейтрино", на Международной конференции НЕХАМ-89(г.Еехин, ЧССР) и опубликованы в виде препринтов ОИЯИ и в периодических научных изданиях.

Структура диссертации. Диссертация состотоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 72 наименований. Общий объем диссертации составляет 84 страницы, включая 51 рисунок и б таблиц.

Во введении изложены основные преимущества калориметров полного поглощения перед другими типами детекторов, сформулировала цель диссертационное работы в дано краткое содержание глав.

В первой главе приведены основные свойства адронных ливней, дан краткий обзор основных характеристик адронных спектрометров полного поглощения и приведены параметры некоторых наиболее известных калориметров.

Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с конструктивными особенностями модулей адронного калориметра. Изложены основные соображения по выбору конкретной "сэмплинг"-струпуры; описана технология производства сщштилляторов методом лтъя под давлением и приведены сравнительные экспериментальные данные по исследованию физических характеристик изготовленных сцингилляцнонных пластин; описаны технология изготовления и методика покраски поверхностных спектросмещающих световодов, используемых в АК-600; обоснован выбор конкретного типа фотоумножителя.

Схематический чертеж модуля представлен на Рис. 1. Модуль представляет собой "сэндвич" из чередующихся пластин стали толщиной 20 мм(40 шт.) и сцинтиллягора толщиной 5 мм(40 пгг.). Полная толщина модуля по пучку составляет 4,97 ядерные длины.

Содерзгание работы

Рис.1. Конструкция модуля адронного калориметра: 1 - стальные поглотители (1=20 мм, 2-пластические сцинтилляторы <1=5 мм, 3-световод-сместитель спектра,4-ФЭУ 84-3, 5-корпус модуля, 6-крышка модуля, 7-орпус ФЭУ.

Сцшгшлляцноппые пластины изготавливались методом литья под давлением го гранулированного полистирола ПСМ-115 и спектросмещающих добавок РРО(1,5%) и РОРОР(0,05%). Для повышения световыхода каждая сциптилляционная пластина оборачивалась алюминнзированным майларом толщиной 12 мкм, а для улучшения однородности светособпрания ее ближний к световоду край оборачивался черной бумагой.

Световод-сместигель спеггра изготавливался в лабораторных условиях в виде пластины из органического стекла марки СО-95 толщиной 3 мм с поверхностным переизлучателем. Смесгигель спггтра(1,5 дифепил-3 -старил-пиразолин) наносился только в зоне расположения сцшггиллятора, а ближняя к ФЭУ часть не окрашивалась. Люминофор на глубине световода порядка 5 мкм образовывал поверхностное покрытие, толщина которого варьировалась по длине с целью получения максимальной однородности светосбора. Торец световода-сместителя совмещался с фотокатодом ФЭУ 84-3 путем термоформования на специальном приспособлении при разогреве оргстекла выше температуры стеклования. Стыковка ФЭУ и световода осуществлялась без оптического контакта.

Конструкция кожуха, в' котором расположены ФЭУ и изогнутый конец свеговода-сместителя, позволяет заменять световод в произвольном модуле калориметра не разбирая всего детектора. Это может оказаться принципиальным при работе в высогошггенсивных пучках из-за радиационных повреждений световода.

Для экранировки от рассеянных магнитных полей фотоумножитель размещался в стальном (труба диаметром 60 мм) и пермаллоевом экранах(3 слоя пермаллоя толщиной 200 мкм).

В центре первой пластины поглотителя каждого модуля предусматривалось отверстие, в которое устанавливался с вето диод AJI-307, сигнал от которого использовался для отслеживания временной нестабильности каналов электроники калориметра.

В третьей главе диссертации представлены результаты исследований характеристик адронного "сэмплинг"-калориметра с ячейкой 150*150 мм2. Измерения проводились при облучении сборки из 16-ти модулей адронного калориметра пучком отрицательных тс-мезонов. На Рис.2 показано распределение по амплитуде адронного сигнала А при попадании пучка в один из центральных модулей. В результате аппроксимации получено значение энергетического разрешения 11=13,7%. Нижняя кривая показывает амплитудный спектр при значительном увеличении порога дискриминации счетчика, регистрирующего непровзаимодействовавпше т.-мезоны и непогяощенные в калориметре частицы ливня. При этом происходит падение статистики примерно на 40% и улучшение разрешения до 10,1%. Это связано с тем, что в выборке увеличивается доля ливней с первой точкой взаимодействия в начале калориметра. На рисунке также приведен мюонный спектр.

Была исследована зависимость энергетического и пространственного разрешения от точки попадания адроиа в ячейку. Результаты приведены на Рис.3 н 4. Точка отсчета проходит через стык модулей. Наблюдается ухудшение

N 160

123

80

40

0

0 100 200 300 ит 500 А . сь.

Рис.2. Амплитудные спектры с адронного калориметра:

•незаштрихованная гистограмма-спектр л-мезонов. ■заштрихованная гистограмма-спектр л-мезонов при значительном увеличении порога дискриминации, ■сплошная иаприховка-мюонный спектр.

разрешения от центра к краю модуля с 13% до 18%. Зависимость координатного разрешения представлена дня двух случаев: в первом-коррекция координат после их вычисления по центру тяжести ливня не производится, во вгором-производнтся. Усредненное значение величины координатного разрешения составило 1,7 см. Полученные значения энергетического и пространственного разрешений 13,7% и 1,7 мм соответственно при энергии л-мезонов 37,5 Гэв позволяют сделать вывод о высокой перспективности калориметра данной конструкции. Также годоскопическая структура калориметра позволила получить данные о поперечном профиле адронного ливня.

Конструктивные особенности созданных модулей АК-600 позволили впервые измерить прямой вклад черепковского излучения, развивающегося в светоЕоде-смесгителе спектра, в энергетическое разрешение калориметра. На Рис.5 представлена зависимость энергетического разрешения 12-ти модульной матричной сборки от точки попадания адронов в счетчик размером 15*15 см2. Точка отсчета проходит через стык модулей. Наблюдается ухудшение разрешения от центра к краю модуля с 12 до 17% в области 2 см между осью ливня и смесппелем спектра. Этот эффект может бьпъ объяснен, в основном, вкладом

и , /

X . ст.

Рпс.З. Зависимость энергетического разрешения калориметра от координаты регистрируемой частицы.

5Ю(ст) 5

+ , У \ ♦

1.

.0«

4И**

_1_I_1-

4иа' I I I I

+ * +

Ч ф

I I I ' I ' ' '_I_I_1_

-8

-5

-2 2 X . ст.

Рис.4. Зависимость координатной точности а^ от координаты попадания зт-мсзона в калориметр.

я ш

23 17

11

5

-1

-113 5 7 9

X .ст.

Рис.5. Зависимость энергетического разрешения калориметра от координаты регистрируемой частицы Нижние точки-вклад черенковского излучения в энергетическое разрешение.

черепковского излучения от частиц, пересекающих световод-сместнтель спектра, неоднородностью свегособнрания сщпггиллятора и наличием щелей на сгаках модулей. Чтобы разделить эти эффекты, между сцинтияляторами и световодом одного из центральных модулей была проложена черная бумага. При этом сцннтнлляцвоыпый свет не попадает в сместитель спектра, а условия для переизлучения черенковского света не изменяются. Измерения проводились для четырех положений пучка по Х-координате. Нижние точки на Рис.5 иллюстрируют вклад черенковского излучения в общее разрешение калориметра. Максимальный вклад составил 2,5% с уменьшением до 1% уже на расстоянии 2 см между осью ливня и световодом. Т.о. дня размера ячейки 15*15 см2 можно сделать вывод, что наличие небольших "горячих" зон не окажет существенного влияния на характеристики детектора в целом.

Исследованы основные факторы, определяющие энергетическое разрешение адронного калориметра типа "сэндвич" и получены следующие значения для адрона с энергией 40 Гэв: -флуктуации регистрируемой энергии -8,3%, -флуктуации ядерных взаимодействий -5,5%,

-флуктуации продольного развития ливня и поглощения переизлученного света в световоде-смесгателе спехтра-7%, -статистика фотоэлектронов-2,8%,

-флуктуации черенковского света от пересекающих световод частиц адронного ливня-6%.

Сумма перечисленных вкладов составила 12,5% в центре и 14% на краю модуля. Экспериментальные значения энергетического разрешения составили соответственно 12,4 и 18%.

Представлены результаты исследований влияния на разрешение детектора прозрачности спекгросмещающего световода и флупуаций продольного развитая ядерного каскада. Показано, что можно улучшить энергетическое разрешение путем компенсации эффекта вытекания ливня в продольном направлении за счет оптимизации длины затухания спекгросмещающего световода. На Рис.6 представлены результаты исследований, полученные моделированием методом Монте-Карло(кртше 1-3) и полученные на пучке тс-мезонов с энергией 40 Гэв.

-экспериментальные данные (z-ме зоны 40 Гэв), кривая 4-фит экспериментальных данных. Вычисленный вклад с^ъ/Е в энергетическое разрешение калориметра: ¡-полного поглощения, 2-име-ющего толщину 4,7 to, 3-то осе, что и 2, но повернут на 180

В четвертой главе диссертации представлены результаты

исследований характеристик матричной адронной сборки с ячейкой 75*75 мм2. На Рис.7 показан характерный спектр сигналов от адронов, проходящих через центральную часть модуля. Спектры фитировались распределением Гаусса при наличии фона. Энергетическое разрешение в зависимости от точки попадания пионного пучка в ячейку показано на Рис.8. Из него видно, что на стыке двух модулей, где нет световода, разрешение практически не меняется и равно в среднем 12%, а на стыке, содержащем световод, разрешение ухудшается примерно в 1,5-2 раза.

20

N 200

150

100

50-

7т —мезоны, Е„=40 ГэВ

а«У< ЕЯ)=12.7К

40 е

А , отн. ед.

во

Рис.7. Амплитудный спектр сигналов А(сумма по всем модулям) от л-мезонов с энергией 40 Гзв. Сплошная кривая-фит экспериментальных данных. В начале шкалы-спектр от мюонов и не-провзаимодействовавших адронов.

Рнс.8. Зависимость энергетического разрешения шЕ калориметра от точки попадания пучка в ячейку.

Получена зависимость энергетического разрешения от энергии: стеЛБК0031±0.013)+(0.53±0.056)/-ЛГ , которая хорошо описывает полученные результаты при Е ¿40 Гэв.

8