Развитие методики сцинтилляционных и газоразрядных трековых детекторов для физики высоких энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

13-2014-51 На правах рукописи

ЧИРИКОВ-ЗОРИН Игорь Евгеньевич

РАЗВИТИЕ МЕТОДИКИ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ И ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ТРЕКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

Специальность: 01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

31 ИЮЛ 2014

Дубна 2014

005551435

005551435

Работа выполнена в Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова Объединенного института ядерных исследований

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, профессор Владимир Федорович Образцов

ФГБУ «ГНЦ РФ Институт физики высоких энергий»,г. Протвино

кандидат физико-математических наук Дмитрий Евгеньевич Карманов

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына (НИИЯФ) МГУ, г. Москва

Ведущая организация:

ФГБУ «ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики», г. Москва

Защита состоится «_»_2014 г. в «_» часов на заседании

диссертационного совета Д 720.001.03 в Объединенном институте ядерных исследований, расположенном по адресу: 141980, Моск. обл., г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и на сайте Объединенного института ядерных исследований http://wwwinfo.jinr.ru/dissertation/DC_dlnp.htm

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Г.А. Карамышева

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Достижения физики высоких энергий неразрывно связаны с развитием методов регистрации частиц. Сцинтилляционные и проволочные газоразрядные детекторы в настоящее время составляют основу спектрометрических комплексов для экспериментов по физике частиц. Постоянное развитие и совершенствование этих методов регистрации частиц является актуальным, так как расширяет возможности физического эксперимента и в значительной мере определяет дальнейший прогресс в экспериментальной физике высоких энергий.

Диссертация посвящена дальнейшему развитию и совершенствованию методов регистрации заряженных частиц для экспериментов на действующих и планируемых ускорительных комплексах: Тэватрон (Фермилаб), LHC (ЦЕРН), SSC (Даллас), УНК (Протвино), NICA (ОИЯИ).

Цель работы состояла в разработке и исследованию новых сцинтилляционных детекторов, пластмассовых сцинтилляторов, фотоприемников, прецизионных, быстродействующих дрейфовых камер для планируемых экспериментов на установках: SDC (SSC), ATLAS (LHC), COMPASS (CERN), МЧС (УНК), MPD (NICA), а также разработке и созданию сцинтилляционных счетчиков нового поколения для модернизации детектора мюонов установки CDF II (Фермилаб).

Научная новизна и практическая ценность работы заключается в предложении и реализации автором ряда методических решений, позволивших создать новые и усовершенствовать существующие сцинтилляционные и проволочные газоразрядные детекторы заряженных частиц, а также в разработке методов абсолютной калибровки и исследования фотодетекторов.

Предложен и разработан новый метод абсолютной калибровки и мониторирования спектрометрического канала ФЭУ, который получил широкое распространение в мировой практике.

При исследовании одноэлектронных спектров новых сверхминиатюрных ФЭУ R5600 и R5900 (Hamamatsu) с металло-канальным динодом обнаружена значительная фотоэмиссия с первого динода, которая достигает 60 % от сигнала с фотокатода и существенно ухудшает спектрометрические характеристики ФЭУ. Важным следствием обнаруженного эффекта является радикальное улучшения фирмой Hamamatsu спектрометрических свойств новых модификаций ФЭУ R7400 и R5900, в которых фотоэффект на первом диноде был подавлен.

Разработана методика и исследованы основные параметры разных типов микропиксельных лавинных фотодиодов (МЛФД) - детекторов фотонов нового поколения.

Создан и исследован новый полистирольный сцинтиллятор UPS 923А, который по совокупности сцинтилляционных и эксплуатационных параметров превосходит лучшие мировые аналоги и в настоящее время широко применяется в экспериментах по физике частиц.

Разработан и исследован новый позиционно-чувствительный сцинтилляционный счетчик, в котором система спектросмещающих полосковых световодов впервые применена для определения координат заряженных частиц.

Предложена принципиальная схема и разработаны крупногабаритные сцинтилляционные счетчики нового поколения с компактным съемом информации спектросмещающими волокнами, которые получили широкое распространение в практике.

Разработаны конструкция, технология массового производства, методика тестирования и создано более 600 крупногабаритных (длиной до 3,2 м) сцинтилляционных счетчиков нового поколения из сцинтиллятора UPS 923А для модернизации детектора мюонов установки CDF II, предназначенной для исследований свойств тяжелых t, b, с — кварков на Тэватроне Фермилаб.

Разработаны и исследованы проволочные газоразрядные трековые детекторы нового поколения - мини-дрейфовые камеры (МДК), сочетающие в себе простоту конструкции, быстродействие и загрузочную способность пропорциональных камер с высокой пространственной точностью дрейфовых камер.

Проведен анализ основных физических процессов определяющих пространственное разрешение МДК и оценены их вклады в погрешность измерения координат траекторий частиц.

Разработаны, созданы и исследованы дрейфовые камеры нового типа на основе блоков лавсановых трубок. Обнаружено явление существенного увеличения интенсивности шумовых сигналов в камерах из алюминизированных лавсановых трубок при воздействии видимого света, которые устраняются применением графитированного лавсана. Отсюда следует важный практический вывод о том, что для изготовления трубок необходимо использовать лавсан с графитовым токопроводящим покрытием.

Определен ресурс работы дрейфовых камер на основе блоков лавсановых трубок; суммарная загрузка составляет не менее 1018 электронов на миллиметр длины анодной проволоки.

Обнаружено и исследовано новое свойство проволочного газоразрядного счетчика с катодом из алюминия - регистрация фотонов видимого света. На основе анализа экспериментальных данных создана теория этого эффекта, которая объясняет светочувствительность и другие особенности работы газоразрядных детекторов (нестабильность шумов, послеразряды, старение и др.) ранее трудно поддающиеся объяснению.

Основные положения, представленные к защите:

1. Предложение и разработку нового метода абсолютной калибровки и мониторирования спектрометрического канала ФЭУ.

2. Разработку методики и результаты исследования основных параметров разных типов микропиксельных лавинных фотодиодов - фотодетекторов нового поколения.

3. Создание и исследование основных свойств нового пластмассового сцинтиллятора UPS 923А (световыход, ослабление света, кинетика радиолюминесценции, долговременная стабильность).

4. Предложение и разработку крупногабаритных сцинтилляционных счетчиков нового поколения с компактным съемом информации плоским оптическим кабелем из спектросмещающих волокон.

5. Разработку и исследование нового позиционно-чувствительного сцинтилляционного счетчика, в котором система спектросмещающих полосковых световодов впервые применена для определения координат частиц.

6. Разработку конструкции, технологии массового производства, методики тестирования и создание более 600 крупногабаритных (длиной до 3,2 м) сцинтилляционных счетчиков нового поколения для модернизации детектора мюонов установки CDF II.

7. Результаты разработки и исследования дрейфовых камер нового типа на основе блоков лавсановых трубок и мини - дрейфовых камер - трековых детекторов нового поколения.

8. Обнаружение и исследование нового свойства проволочного газоразрядного счетчика с катодом из алюминия - регистрация фотонов видимого света и создание теория эффекта.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах ЛЯП ОИЯИ, сессии ОЯФ АН СССР (Москва, 1987), международном симпозиуме по координатным детекторам (Дубна, 1987), 8th, 10th IIth Pisa Meeting on Advanced Detectors, LaBiodola, Isola d'Elba, Italy 2000, 2006, 2009, международной конференции «Инженерия сцинтилляционных материалов и радиационные технологии» ИСМАРТ- 2010; и опубликованы в отечественных и зарубежных научных журналах, трудах конференций, а также в виде препринтов ОИЯИ.

Циклы работ автора с коллегами по разработке и созданию новых детекторов и регистрирующих систем на основе пластмассовых сцинтилляторов были дважды отмечены первыми ОИЯИ за 1998 г. (№ 2478) и

2005 г. (№3146), а также второй премией в конкурсе на лучшие публикации

2006 г. в журнале «Письма в ЭЧАЯ».

В диссертации обобщены результаты ряда работ, выполненных автором в ОИЯИ и опубликованных в отечественных и зарубежных научных журналах, материалах конференций, препринтах ОИЯИ и защищенных авторским свидетельством [1-23].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 195 страницах, содержит 105 рисунков, 10 таблиц и список цитируемой литературы из 106 наименований.

Содержание работы

Диссертация состоит из двух частей. В первой части, состоящей из трех глав, представлены результаты разработок и исследований новых сцинтилляционных детекторов, пластмассовых сцинтилляторов и фотоприемников для планируемых экспериментов на установках SDC (SSC), ATLAS (LHC), COMPASS (CERN), MPD (NICA), а также результаты разработки и создания сцинтилляционных счетчиков нового поколения для модернизации детектора мюонов установки CDF II (Тэватрон). Вторая часть содержит четвертую и пятую главы, в которых представлены результаты разработок и исследований новых прецизионных быстродействующих дрейфовых камер для планируемых в восьмидесятые годы экспериментов на УНК (г. Протвино).

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели, отмечена ее новизна и практическая ценность, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе описан новый метод абсолютной калибровки и представлены результаты исследований фото детекторов этим методом [1-6].

Новый прецизионный метод абсолютной калибровки и мониторирования спектрометрического канала ФЭУ, основан на применении вспышек света низкой интенсивности (~10 фотонов), когда вероятность образования фотоэлектронов на фотокатоде невысокая; и анализе одноэлектронных спектров с помощью функции отклика, основанной на простой статистической модели работы ФЭУ с традиционной динодной структурой (линейные фокусирующие диноды, жалюзийные диноды, коробочные диноды). Функцией отклика является свертка отклика идеального бесшумного ФЭУ - S¡deai(x) и фоновых процессов В(х):

SrJx)= jSldJx-)B(x-x')dx', Ц^^-^ехр^-^), QJ n=0 n! alA/27tn 2no;

В(x)=ÍIzü}exp(-(X~So)2) + w9(x-QQ)a expHx(x-Q0)], CT0V27t 2oj

где (i — среднее значение пуассоновского распределения фотоэлектронов образованных на фотокатоде и собранных на первом диноде, Qb 0| — средний заряд и стандартное отклонение гауссовского распределения одноэлектронного отклика динодной системы, Qo, о0, w, а - параметры фонового распределения, 0(х)- шаговая функция.

Функция отклика реального ФЭУ содержит семь физических параметров. Два из них р0 и а0 определяют пьедестал. Два других и а характеризуют дискретный фон, а остальные три параметра С^, Ст| и р описывают спектр выходных сигналов. Параметр р. пропорционален интенсивности света, а (3| и а, описывают статистический процесс умножения электронов динодной системой ФЭУ.

Таким образом, интенсивность импульсного источника света и коэффициент усиления определяются разными параметрами функции отклика, поэтому параметр <3| можно использовать для калибровки и мониторирования стабильности спектрометрического канала ФЭУ, а стабильность интенсивности источника света будет мониторироваться параметром р.

На рис. 1 показана деконволюция зарядового спектра от светодиода со средним количеством фотоэлектронов р.-1,7. Сплошная линия является результатом фитирования спектра функцией отклика, полученные параметры фита представлены на рисунке. Штриховыми кривыми показаны фон и соответствующие распределения для п = 1,2, 3,... фотоэлектронов испущенных фотокатодом. Из рис. 1 видно, что экспериментальный спектр фитируется хорошо (х~~1), а интересующий нас калибровочный параметр О, (кан/ф.э.) определяется с высокой точностью (< 1%). Для исследования стабильность процедуры деконволюции и области применения метода были проведены серии измерений с разными интенсивностями света. Полученные результаты демонстрируют хорошую стабильность процедуры деконволюции для большой области интенсивностей тестового сигнала р от 0,1 до 5 фотоэлектронов.

АЭС channel

Рис. 1. Деконволюция типичного однофото-электронного светодиодного спектра ФЭУ EMI 9814В с ¡i— 1,7 ф.э.

и 50 100 150 200 260 300 350 400

Канал ЗЦП

Рис. 2. Деконволюция типичного однофото-электронного светодиодного спектра нового сверхминиатюрного ФЭУ R5600 С ц—1,5

2 ф.э,

Сигнал с 1-го дмнода

= 13.541 ± 0.015 - 0.53 ± 0.017 Q, = 72.63 ± 0.442 = 32.188 ± 0.608 К, = 6.941 i 0.077 = 8.16 i 0.132 = 1.52 ± 0.012 = 0.936 ± 0.023

При исследовании одноэлектронных спектров новых сверхминиатюрных ФЭУ 115600 и 115900 (Наталии) с компактной динодной системой - «металло-канальный динод» обнаружена значительная фотоэмиссия с первого динода. Поэтому для правильного описания одноэлектронных спектров новых ФЭУ функция отклика должна учитывать фотоэффект на первом диноде, а также пуассоновские флуктуации числа вторичных электронов на первом диноде.

Деконволюция спектра от светодиода сверхминиатюрного ФЭУ 115600 усложненной функцией отклика показана на рис.2. На рисунке отчетливо виден первый пик после «пьедестала», который связан с фотоэффектом на первом диноде и соответствующие распределения для п= 1,2,3,... фотоэлектронов испущенных фотокатодом. Экспериментальный спектр также фитируется хорошо (%2 = 1,1).

Микропиксельные лавинные фотодиоды (МЛФД) представляют собой матрицу из небольших р-п переходов - пикселей, созданных на поверхности или в глубине кремниевой подложки.

Е..= 662 keV

FWHM = 10 2%

0 50 100 150 200 250 300 350 ADC Channel

Рис. 3. Типичные однофотоэлектронные светодиодные спектры МЛФД с поверхностными пикселями со средним количеством фотоэлектронов ц = 3,4 при Т = 22°С

1000 1500 2000 Response, ph.e

Рис. 4. Сравнительные спектры фотоэлектронов измеренные ФЭУ EMI 9814В и MAPD-3N при регистрации у-излучения l37Cs сцинтилляционным кристаллом LFS размером 2х2х 10 мм3 при Т = 15°С

МЛФД работают в так называемом гейгеровском режиме при напряжении смещения превышающим пробойное на 10-20%, имеют при комнатной температуре большой коэффициент усиления 104— 106 и способны регистрировать слабые световые потоки на уровне счета отдельных фотонов.

Исследования основных характеристик МЛФД (коэффициент усиления пикселя, эффективность регистрации фотона и др.) проводилось методом световых вспышек низкой интенсивности представленным выше.

Изучались разные типы МЛФД: S60 с индивидуальными поверхностными дрейфовыми каналами, MP3D с индивидуальными поверхностными резисторами, МЛФД-ЗА(Ы) со сверхвысокой плотностью глубинных пикселей разработанные 3. Я. Садыговым и SSPM-050701 GR-TO 18 коммерческий прибор фирмы Photonique (Швейцария).

Проведенные сравнительные исследования показали, что все приборы имеют коэффициент усиления >104 при комнатной температуре, высокое одноэлектронное разрешение (5) 10% - 20% и способны регистрировать слабые световые потоки на уровне счета отдельных фотонов (рис. 3), а МЛФД-ЗЫ со сверхвысокой плотностью глубинных пикселей 1,5*104 мм"2 и площадью 3x3 мм можно использовать вместо ФЭУ в спектрометрических счетчиках с неорганическими сцинтилляторами (рис. 4).

Во второй главе представлены результаты разработок и исследований новых сцинтилляционных детекторов и нового пластмассового сцинтиллятора UPS 923А [7-12].

Созданы прототипы больших мюонных сцинтилляционных счетчиков размерами 200 х 30 х2 см3, 300 х 30 х 2 см3 из разработанного нами пластмассового сцинтиллятора UPS 923А на основе полистирола (PS) с добавками 2% РТР и 0,03% РОРОР и хорошо известного западного сцинтиллятора NE 114 на основе поливинилтолуола (PVT). Свет на ФЭУ EMI 9814В собирался с торцов сцинтилляционных пластин стандартным образом, посредством световодов типа «рыбий хвост». Результаты сравнительных исследования светосбора с помощью космических мюонов в созданных счетчиках представлены на рис. 5. Технические длины ослабления сцинтилляционного света пластинами UPS 923А и NE 114 сравнимы и составляют 130 см и 114 см соответственно, но светосбор в UPS 923А счетчика приблизительно на 25% больше, чем в NE 114. Счетчики с большими ФЭУ

• UPS923A böse! Poiyatyrenc ( size: 200*30x2 cm1) 7 * NE1 '4 Cosel Polyvinylroiuene ( size: 200x50*? cm1) Г О UPS92JAbose: Poiystyrene ( size: 300*30*2 cm1) typ«: UPS923A А - 201.2 = 3.3 X - 129.3 ± 2.3 = 1.32

Type: ME114 А - 15Я.9 ± j.i /"■ui* 35

fitt'nq lunc'.ijn; y(.) « A.«P( ',/*)

- \

Г \ S * ^

О

-...... 1

Рис. 5. Зависимости светосбора с трех счетчиков от расстояния до переднего края сцинтилляционных пластин

сцинтиллятор

и световодами типа «рыбий хвост» имеют существенные недостатки.

Автором предложена принципиальная схема и разработаны крупногабаритные (длиной до 3 м) сцинтилляционные счетчики нового поколения с компактным съемом информации, в которых впервые светосбор осуществляется плоским оптиеским кабелем из спектросме-щающих волокон, имеющим оптический контакт с узкой длинной гранью сцин-тилляционной пластины, а регистрация света - новыми сверхминиатюрными ФЭУ R5600 (Hamamatsu) (рис.6)

Для установки CDF II созданы и испытаны прототипы триггерных мюонных сцинтилляционных счетчиков размерами g^pgj - 180*17x2 см3 (BSU), 300x30x2 см3 (CSP)

сгектроеметающие волокна

адаптер ФЭУ 135600 делитель

Рис. 6. Конструкция сцинтилляционного счетчика со светосбором лентой световодом из спектросмещающих волокон

помощью космических мюонов.

и 180x40x30x1,5 см (WSU). На рис.7 показаны зависимости светосбора как функции расстояния до переднего торца BSU и WSU счетчиков измеренные с В прототипе BSU эффективная длина затухания света составляет А.=201 см с зачерненными торцами волокон и Х=293 см, когда на дальних торцах волокон была приклеена полоска алюминиевой фольги.

Для исследования возможности измерения координат заряженных частиц по центру тяжести интенсивности света в пластмассовом сцинтилляторе был изготовлен счетчик, в котором система спектросмещающих полосковых световодов

(ширина 20 мм) впервые применена для определения координат. Точность измерения координат электронов от радиоактивного источника 106Ru вследствие многократного кулоновского рассеяния была невысокой и составляла 3 мм. При имитации треков коллимированным свето-диодом с шириной щели 0,8 мм точность определения координаты источника света составляла 1,3 мм.

Детально исследованы основные характеристики разработанного пластмас-

о 20 40 60 80 100 120 140 160 180 сового сцинтиллятора UPS 923А:

и»«.«г™Го»п,,г!п,и,шее«..) световыход, ослабление света, долговре-

Рис. 7. Кривые затухания света в BSU и менная стабильность, а также кинетика WSU счетчиках с алюминизированными и зачерненными концами волокон

Ки function:

А *м/>(-»/Х)

о Фит - функция kB= А(1-е ) + Вх

А = 20.4 ± 3.0 Х = 13.1±3.0 см В = 0.42 ± 0.02

радиолюминесценции сцинтиллятора и спектросмещающих волокон.

Прозрачность сцинтилляционного материала определяется объёмной длиной ослабления Хв; это длина, на которой световой сигнал уменьшается в е раз по закону Бугера-Ламберта. Измерения сцинтиллятора к собственному излучению проведены с помощью параллельного пучка света со спектром, очень близким к спектру излучения сцинтиллятора (спектр спектросмещающей добавки РОРОР). Спектры излучения и поглощения добавки РОРОР частично перекрываются и поэтому коротковолновое крыло спектра излучённого света (<400нм) при распространении в сцинтилляторе очень быстро поглощается в основном вследствие ре-абсорбции. Таким образом, спектр излучения обрезается и смещается в длинноволновую область, где влияние процессов поглощения и реабсорбции менее существенны, ир8 923Д поэтому прозрачность сцинтилляционного

материала увеличивается (рис.8).

Кинетика радиолюминесценции сцинтиллятора и спектросмещающих волокон исследована однофотонным методом Боллингера и Томаса с помощью оригинального временного спектрометра (аапгеф=150 пс) созданного автором. В таблице 1 приведены временные параметры формы световых импульсов

Таблица 1. Измеренные временные параметры формы импульсов света

х, длина образцов (см)

Рис. 8. Зависимость объёмной длины ослабления от пути распространения (длины образцов) света в сцинтилляторе

Время Время спада, ПШПМ, не Длительность

Материал нарастания, не не импульса, не

(уровень 0.1 -0.9) (уровень 0.9-0.1) (уровень 0.5 - 0.5) (уровень 0.1 - 0.1)

UPS 923А 0,8 5,3 3 7,2

UPS 923А + К27 1,7 17,3 7.8 19,1

UPS 923A + Y11 2,2 18 8,8 22,4

Плексиглас 0,23 0,23 0,33 0,65

сцинтиллятора и спектросмещающих волокон, а также параметры аппаратурной функции, измеренной при помощи излучения Черенкова.

Проведены сравнительные исследования естественного старения пластмассовых сцинтилляторов ИРБ 923А на основе РБ и ЫЕ 114 на основе РУТ. Для этих исследований были изготовлены два длинных счётчика (200 х 30 х2 см3) из сцинтилляторов иРБ 923 А, ИЕ114 со съемом света световодами типа «рыбий хвост» и изучена деградация светосбора за четыре года. Обнаружено, что уменьшение светосбора сцинтиллятора 1МЕ114

(18%/год) идет более чем в два раза быстрее в сравнении со сцинтиллятором UPS 923А (7,5%/год). Для оценки естественной деградации световыхода сцинтиллятора UPS 923А автор проводил измерения светосбора небольшого образца (016 мм, 1i=10mm) в течение 12 лет. Естественной деградации световыхода сцинтиллятора UPS 923А за двенадцатилетний период не обнаружено. Таким образом, можно сделать вывод, что естественное старение пластмассовых сцинтилляторов в основном определяется деструкцией полимерной основы (уменьшением прозрачности), а не люминесцентных добавок.

В третьей главе представлены конструкция, технология массового производства методика тестирования и результаты исследований более 600 крупногабаритных (длиной до 3,2м) пластмассовых сцинтилляционных счетчиков нового поколения детектора мюонов установки CDF II [13-15].

Детектор мюонов CDF II состоит из дрейфовых камер и триггерных сцинтилляционных годоскопов: CSP, BSU, TSU, CSX (рис.9). Для модернизации детектора мюонов CDF были разработаны пластмассовые сцинтилляционные счетчики с компактным съемом света (см. гл.2), которые почти лишены недостатков присущих счетчикам стандартной конструкции со световодами типа «рыбий хвост».

Конструкция счетчика нового по-Рис. 9. Установка CDF II коления со светосбором лентой - све-

товодом из спектросмещающих волокон показана на рис.10. В одном из углов сцинтилляционной пластин сделан небольшой срез для размещения малогабаритного фотосенсора Н5783 на основе сверхминиатюрного ФЭУ R5600 (Hamamatsu). Площадь среза составляет всего несколько долей процента от полной площади счетчика и несущественно уменьшает геометрическую эффективность. Для съема света к узкой длинной грани пластины приклеивались оптическим клеем ВС - 600 параллельно друг другу 15 или 20 (в зависимости от толщины пластины) спектросмещающих волокон диаметром 1 мм, образующие ленту-световод. У среза лента формировалась в цилиндрический жгут и вклеивалась в адаптер, торец которого шлифовался и полировался для соединения с ФЭУ. С целью увеличения светосбора к дальнему от ФЭУ торцу волоконной ленты приклеивалось серебряное зеркало. Для приклейки ленточного световода к сцинтилляционным пластинам был разработан специальный универсальный сборочный стапель. Ленточные световоды для большинства счетчиков

изготавливались из многооболочечных спектросмещаюгцих волокон S-типа Y11 (250 ррш) фирмы «Kurraray» (Япония). Аналогичные волокна фирмы Pol.Hi.Tech.(Италия) К27 (200 ррш) были использованы для - 30% BSU счетчиков.

Главное достоинство счетчиков нового поколения - это их компактность: чувствительная область детектора практически достигает его геометрической поверхности за счет отсутствия больших световодов и крупногабаритных ФЭУ, применяемых в традиционных конструкциях. Другие преимущества так же существенны: понижаются требования к качеству полировки поверхности, прозрачности и световыходу Рис. 10. Конструкция сцинтилляционных сцинтиллятора, а также значительно ос-счетчиков CSP и BSU лабляется воздействие естественной и ра-

диационной деградации этих параметров во времени на характеристики счетчиков; возможность применения в сильных магнитных полях; простая технология изготовления и, как следствие, существенное удешевление детектора и др.

Размеры и количество CSP и BSU счетчиков созданных в ОИЯИ для модернизации мюонной системы CDFII приведены в таблице 2.

Таблица 2. Размеры и количество CSP и BSU счетчиков

тип Длина, мм Ширина, мм Толщина, мм Количество, шт

CSPL1 2400 305 20 13

CSPL2 3100 305 20 38

CSP L3 3200 305 20 106

BSU 1638 166 15 450

Исследование характеристик и контроль качества изготовленных детекторов проводились с помощью космических мюонов. На рис.11 представлены распределения светосбора с дальних концов счетчиков созданных в ОИЯИ. Отметим, что для = 100% эффективности регистрации мюонов достаточно = 10 фотоэлектронов.

Подчеркнем, что важным достоинством новых счетчиков является незначительная зависимость сигнала от прозрачности сцинтиллятора. Корреляция между светосбором и объемной длиной ослабления сцинтилляционного света А.в для партии из 55 ВБи счетчиков показана на рис.12. Из рисунка видно, что

mirror

BSU Nent =450 Mean =28.61 RMS = 5.378

р1 : - j

10

¡2 8

I

2 6 -С

2 1 Г*

1111 i J.h.uj*ii

CSP L2 Ne„t =38 Mean = 20.66 RMS = 2.777

CSPL3 Nen! = Ю6 Mean =21 27 RMS = 4 448

ll "

ШШ

10 15 20 25 30 35 40 45 50 light yield, ph.e.

10 15 20 25 30 35 40 45 50 light yield, ph.e

10 15 20 25 30 35 40 45 50 light yield, ph e

дальних концов ВЭи счетчиков и объемной длиной ослабления сцинтилляционного света

Рис. 11. Распределение светосбора с дальних концов BSU, CSP L2 и CSP L3

светосбор в счетчиках слабо зависит от Х,в (см. гл.2), так как свет к волоконному световоду проходит незначительное расстояние вдоль меньшей стороны сцин-

тилляционной пластины и поэтому потери за счет объемного поглощения в сцинтилляторе становятся менее значимыми.

Разработана методика и проведены исследования временных характеристик сцинтилляционных счетчиков

подсистемы "miniskirt" (рис.9) с комо го 40 ео eu iuu __

^<ст> бинированным съемом света Исследо-Рис. 12. Корреляция между светосбором от вания показали, что временное разрешение счетчиков составляет а, < 2,2 не, что вполне достаточно для подавления фона от мюонов, образовавшихся вне области взаимодействия пучков Тэватрона.

В четвертой главе представлены результаты разработок и исследований новых прецизионных дрейфовых камер для высокоинтенсивных пучков [16-22].

В дрейфовых камерах с дрейфовым промежутком всего несколько миллиметров объединяются лучшие свойства как пропорциональных, так и дрейфовых камер. Конструкция таких мини - дрейфовых камерах (МДК) довольно проста; она мало отличается от обычных пропорциональных камер и состоит из массива параллельных анодных и потенциальных проволочек, расположенных между двумя плоскими эквипотенциальными катодными электродами (рис.13).

При помощи (3-источника исследованы счетные и дрейфовые характеристики МДК с дрейфовым промежутком 4 мм. Камера обладает хорошей линейностью дрейфовой характеристики за исключением области вблизи потенциальной проволоки, которая составляет 0,5 - 0,6 мм и является

Рис. 13. Конфигурация электродов и электрического поля оптимальной МДК: А — анодная проволока оЗО мкм, Р — потенциальная о 100 мкм

следствием как уменьшения скорости дрейфа в этой зоне, так и увеличения путей дрейфа электронов. С целью достижения минимальных размеров зоны нелинейности проведено моделирование электрических полей с разными конфигурациями электродов камеры. Оптимальной конфигурацией МДК, оказалась геометрия элементарной ячейки типа "квадрат" с равными межэлектродными расстояниями (рис.13). Характеристики МДК с оптимальной геометрией ячейки и дрейфовым промежутком 3 мм исследованы в пучке заряженных частиц с импульсом 10ГэВ/с. Камера обладает хорошей линейностью дрейфовой характеристики, высокой точностью (в центральной зоне дрейфового промежутка достигает а -45 мкм) и надежно работает загрузке - 3-105 частиц/с • см2.

Пространственное разрешение дрейфовой камеры определяется выражением ох = а* + + о20 которое

учитывает статистические флуктуации плотности кластеров первичной ионизации (а5), диффузию электронов при дрейфе в электрическом поле(а0) и аппаратурные ошибки (о0), включающие разрешение электроники, флуктуацию коэффициента газового усиления и т.п. При измерении времени дрейфа первого кластера трека ав и а5 определяются формулами:

па

1

2д/3 1п пе

1 2 ДЛИНА ДРЕЙФА (мм)

Рис.14. Пространственное разрешение оптимальной МДК и его составляющие

где Ь-длина дрейфа, аь—среднеквадратичное отклонение электрона за счет продольной диффузии (в направлении силовых линий электрического поля) при дрейфе на расстояние 1см и давлении 1атм, пе - количество электронов собранных на аноде и пс-количество кластеров первичной ионизации на единице длины трека. Зависимость пространственного разрешения МДК от длины дрейфа и оценки его составляющих при пороге регистрации соответствующему одному (первому) кластеру трека представлены на рис.14.

Дрейфовые камеры (ДК), изготавливаемые в виде набора тонкостенных лавсановых

трубок с токопроводящим покрытием ("straw-tubes") по сравнению со стандартными конструкциями пропорциональных и дрейфовых камер, в которых анодные проволоки помещаются в общий газовый объем, имеют значительные преимущества: существенно большую надежность (случайный обрыв одной проволоки приводит к выводу из строя только одной трубки); улучшенную координатную точность благодаря повышенному давлению газа в трубках; удобство формирования цилиндрической или иной поверхности камеры и др.

Разработаны и испытаны несколько ДК нового типа размерами 0,15x0,1 м2 и 0,85x0,7 м2 на основе блоков лавсановых трубок* диаметром 10 мм. С целью изучения влияния материала катода на работу ДК блоки трубок изготавливались из алюминизированного и графитированного лавсана толщиной 100 мкм. Счетные характеристики ДК из алюминизированного лавсана при разных давлениях газовой смеси (Ar+25%+isoC4H|o+3%CH2(OCH3)2) и толщинах анодной проволоки показаны на рис.15. Во всех случаях ширина рабочей

Arf25*isoii Н т Ж метилалъ Р=3 fitm

too 80 Г 60

' 40 20 О

1 atm 2 atm 3 atm 4 atm

-TI Г / Г '

-и V Hi у«-

\ L / I 0) -

ЗЛ U(kV)

1 atm 2 atm

J. 'yJ'

I A ,:2).

3.4 U(kV)

:.......................................... ";

i : ! • \ / -

1Г 1 П) : I J

f / : / 1 / N " / / : У :

is (2) :

■ ! ШУИ / >.........................:

Рис. 15. Зависимость эффективности (е) и скорости счета от напряжения питания камеры (и): I) —диаметр анодной проволоки - 50 мкм; 2) - диаметранодной проволоки - 100 мкм

1Л тсВ )

Рис. 16. Зависимость эффективности (е), скорости счета (Ы) и интенсивности шума от напряжения питания (и) ДК из алюминизированного лавсана. Диаметр анодной проволоки — 50 мкм: 1) камера светоизолирована; 2) камера без светоизоляции

области по напряжению питания превышает 400 В.

Исследования ДК, изготовленной из графитированных лавсановых трубок, показали, что она обладает значительно большей шириной плато счетной характеристики по сравнению с камерой из алюминизированного лавсана, а также имеет более низкий уровень шумов.

'Технология формования блоков лавсановых трубок разработана Л.Б. Головановым.

При дальнейшем детальном изучении камеры из алюминизированного лавсана выяснилось, что она чувствительна к видимому свету. Затемнение камеры расширяет плато счетной характеристики до величины, равной длине плато ДК из графитированного лавсана (рис.16). Обрыв плато незатемненной камеры происходит из-за увеличения скорости счета фотонов при естественном освещении, когда амплитуда одноэлектронных сигналов превышает порог регистрации электроники.

Таким образом, для изготовления ДК предпочтительнее использовать графитированный лавсан, поскольку применение этого материала не требует затемнения камеры для получения низкой интенсивности шумовых сигналов и больших счетных областей по напряжению.

Для регистрации информации с дрейфовых камер с малыми (1-5 мм) дрейфовыми промежутками (МДК, "straw-tubes") предложен новый параллельно-последовательный способ съёма информации, который в сотни раз уменьшает количество используемых ВЦП. Реализация предложенного способа на ЭСЛ-интегральных схемах позволила создать систему съёма информации с высоким временным разрешения а, < 1нс. При испытаниях системы совместно с блоком МДК в пучке частиц укорителя была достигнута рекордная точность измерения координат частиц (стх< 50 мкм).

Пятая глава посвящена обнаружению и исследованию нового свойства проволочного газоразрядного счетчика с катодом из алюминия - регистрация фотонов видимого света и созданию теории эффекта [19,23].

При исследовании счетных и шумовых характеристик ДК на основе блоков лавсановых трубок из алюминизированного лавсана (счетчиков) были замечены некоторые особенности их поведения, трудно поддающиеся объяснению. На рис. 17 приведены шумовые характеристики счетчика на плато, измеренные при разных условиях. Кривая 1 получена в процессе измерения счетной характеристики, для этого на время измерения интенсивности шума прекращалось облучение счетчика радиоактивным источником. Кривая 2 получена после измерения счетной характеристики. При этом интенсивность шума в конце плато (U=3,05 кВ) сразу после прекращения облучения счетчика была нестабильна и падала со временем (минуты) до некоторого постоянного значения, слабо убывающего с уменьшением напряжения. Если подвергать счетчик повторному кратковременному облучению, то интенсивность шумов восстанавливается до значений кривой 1, в соответствии с приложенным напряжением, а затем медленно падает до величин кривой 2, имевших место до облучения. Впоследствии, при детальном

Аг+25^изоС(Н|0+Зжцетилаль р=1 аты

Рис. 17. Зависимость интенсивности шума от напряжения питания счетчика. Стрелками показано изменение напряжения питания

исследовании счетчика было замечено, что интенсивность шумов, а также длина плато счетной характеристики коррелируют с уровнем естественного освещения (рис.16).

Таким образом, было обнаружено новое свойство пропорционального счетчика с катодом из лавсановой пленки с полупрозрачным алюминиевым слоем - чувствительность к видимому свету.

Необходимо отметить, что энергии квантов видимого света ( Иу < 3,1 эВ) недостаточно для фотоэлектронной эмиссии из алюминиевого катода (работа выхода А1 составляет 4,25 эВ), а также для фотоионизации газового наполнения счетчика (потенциал ионизации более 10 эВ).

С целью выяснения механизма эффекта были измерены временные спектры сигналов со счетчика от импульсного источника видимого света и показано, что светочувствительность газоразрядного счетчика обусловлена фотоэффектом на алюминиевом катоде.

В результате проведенных исследований установлены следующие особенности эффекта чувствительности к видимому свету газоразрядного счетчика с катодом из алюминизированной лавсановой пленки: 1) светочувствительность возникает под воздействием ионизирующего излучения; 2) растет при увеличении силы газоразрядного тока, т.е. количества электрического заряда, образующегося при работе счетчика; 3) наблюдается падение с течением времени светочувствительности счетчика после значительного уменьшения интенсивности внешнего ионизирующего излучения; 4) светочувствительность в видимой области спектра обусловлена фотоэффектом на тонкослойном полупрозрачном катоде из алюминия, красная граница которого находится в ультрафиолетовой области, это указывает на то, что работа выхода алюминиевого катода счетчика уменьшается в результате протекания газоразрядного тока.

Анализируя вышеизложенные закономерности, рассмотрим механизм эффекта, основанный на понижении работы выхода электронов алюминиевого катода электрическим полем по Шоттки. Схема, поясняющая механизм

явления, приведена на рис.18. Положительные ионы, возникающие в газовом разряде у анодной проволочки (А), дрейфуют к катоду и осаждаются на поверхности диэлектрической оксидной пленки. Образованный положительный поверхностный заряд (а) создает в диэлектрическом слое электрическое поле (Е„), тянущее электроны к поверхности металлической подложки. В этом случае работа выхода электронов из катода определяется законом Шоттки

Рис. 18. Принцип светочувствительности

Х = Х0-ел/еЕ»

)

где - работа выхода алюминия при внешнем электрическом поле, равном нулю, е - заряд электрона.

Внешнее электрическое поле понижает потенциальный барьер на границе металл-диэлектрик на величину

Аср = 47Ё1 = 3,79x10" /Ё^

Определим напряженность электрического поля, необходимую для сдвига красной границы фотоэффекта из ультрафиолетовой области в видимую. Для этого нужно уменьшить работу выхода алюминия на величину

ДХ = Х0 ~1,2эВ или А<р =Т,2В, где Ьу - энергия кванта света в фиолетовой области спектра (X = 400 нм), равная = 3,1 эВ. Отсюда находим, что Ео = 7 х 106 (Д^)2 = 107 В/см. Следовательно для существования фотоэффекта в видимой области спектра на алюминиевом катоде необходимо, чтобы диэлектрическая пленка А1203 выдерживала без электрического пробоя напряженность поля ~ 107 В/см.

Пробивная напряженность для различных твердых диэлектриков одного и того же порядка и составляет ~ 106 В/см. Но наблюдается резкий рост пробивной напряженности поля при малых толщинах диэлектрических слоев < 0,1 мкм. Алюминиевый катод счетчика покрыт плотной тончайшей естественной пленкой диэлектрика А1203 толщиной всего 0,003 мкм, которая может выдерживать напряженность электрического поля ~ 107 В/см. Таким образом обеспечивается стационарное существования сильного электрического поля в тонком слое диэлектрика у поверхности алюминиевого катода, которое существенно понижает работу выхода алюминия и сдвигает красную границу фотоэффекта из ультрафиолетовой в видимую область спектра.

С помощью обнаруженного эффекта объяснено влияние материала катода на некоторые особенности работы газоразрядных детекторов (нестабильность шумов, послеразряды, старение и др.), ранее трудно поддающиеся объяснению, а также рассмотрено возможное использование эффекта в практике.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации:

1. Предложен и разработан новый метод абсолютной калибровки и

мониторирования спектрометрического канала ФЭУ, основанный на деконволюции одноэлектронных спектров от импульсного источника света

низкой интенсивности (~10 фотонов). Метод получил широкое распространение в мировой практике.

2. Разработана методика и исследованы основные параметры разных типов микропиксельных лавинных фотодиодов S60, MP3D, SSPM-050701GR-T018, МЛФД-ЗА(Ъ1). Показано, что приборы имеют при комнатной температуре коэффициент усиления >104, высокое одноэлектронное разрешение 5-10% и способны регистрировать слабые световые потоки на уровне счета отдельных фотонов, а МЛФД-ЗЫ со сверхвысокой плотностью глубинных пикселей 1,5 • 104 мм"2 можно использовать вместо ФЭУ в спектрометрических счетчиках с неорганическими сцинтилляторами.

3. В сотрудничестве с Институтом Монокристаллов (г.Харьков) создан и исследован новый полистирольный сцинтиллятор UPS 923А, который по совокупности сцинтилляционных и эксплуатационных параметров превосходит лучшие мировые аналоги и в настоящее время широко используется в физике частиц.

4. Предложена принципиальная схема и разработаны крупногабаритные (длиной до 3 м) сцинтилляционные счетчики нового поколения с компактным съемом информации, в которых впервые светосбор осуществляется плоским оптическим кабелем из спектросмещающих волокон, имеющим оптический контакт с узкой длинной гранью сцинтилляционной пластины, а регистрация света - новыми сверхминиатюрными ФЭУ R5600 (Hamamatsu).

5. Разработан и исследован новый позиционно - чувствительный сцинтилляционный счетчик, в котором система спектросмещающих полосковых световодов впервые применена для определения координат заряженных частиц по центру тяжести распределений интенсивности света в пластмассовом сцинтилляторе. Достигнутая координатная точность о = 1 мм при ширине полосковых световодов 20 мм.

6. Разработаны конструкция и технология массового производства крупногабаритных (длиной до 320 см) пластмассовых сцинтилляционных счетчиков нового поколения с компактным съемом света плоским оптическим кабелем из спектросмещающих волокон. Создано более 600 крупногабаритных сцинтилляционных счетчиков из разработанного полистирольного сцинтиллятора UPS 923А для модернизации детектора мюонов установки CDF II, предназначенной для исследований свойств тяжелых t, b, с - кварков на Тэватрон Фермилаб.

7. Разработаны и исследованы проволочные газоразрядные трековые детекторы нового поколения - мини-дрейфовые камеры (МДК), в которых объединяются лучшие свойства пропорциональных и дрейфовых камер. Впервые показано, что в МДК при измерении временны дрейфа первого кластера трека первичной ионизации достигается рекордное координатное разрешение. (ах - 45 мкм в центре дрейфового промежутка при атмосферном давлении газового наполнения).

8. Разработаны и исследованы при давлении газового наполнения 1-4атм дрейфовые камеры нового типа на основе блоков лавсановых трубок размерами до 0,85 х 0,7 м2. Обнаружено явление существенного увеличения интенсивности шумовых сигналов в камерах из алюминизированных лавсановых трубок при воздействии видимого света, которые ограничивают достижение рекордных характеристик в таких детекторах. Обнаруженный эффект устраняется применением графитированного лавсана и поэтому для изготовления трубок предпочтительнее использовать лавсан с графитовым токопроводящим покрытием.

9. Обнаружено новое свойство проволочного газоразрядного счетчика с катодом из алюминия — регистрация фотонов видимого света и показано, что светочувствительность обусловлена фотоэффектом на алюминиевом катоде, красная граница которого находится в ультрафиолетовой области. Создана теория эффекта, основанная на существенном понижении работы выхода алюминиевого катода счетчика по закону Шоттки сильным электрическим полем (Еа~ 107 В/см.), созданным поверхностным зарядом положительных ионов, образующихся в газовом разряде и осаждающихся на тонкой диэлектрической оксидной пленке алюминия.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

fl] Е.Н. Bellamy,..., I.E. Chirikov - Zorin et al., Absolute calibration and monitoring of a spectrometric channel using a photomultiplier. Nucl. Instr. and Meth. A339 (1994) 468.

[2] S.Tokar,..., I. Chirikov - Zorin et al., Response function for analysis of the metal dynode photomultiplier single photoelectron spectra. Acta Phys. Univ. Comenianae XL (1999)105.

[3] I. Chirikov - Zorin et al., Method for precise analysis of the metal package

photomultiplier single photoelectron spectra. Nucl. Instr. and Meth. A456 (2001) 310.

[4] I. Chirikov - Zorin et al., Precise analysis of the metal package photomultiplier spectra. Nucl. Instr. and Meth. A461 (2001) 587.

[5] N. Anfimov, I. Chirikov - Zorin et al., Test of micropixel

avalanche photodiods. Nucl. Instr. and Meth. A572 (2007) 413.

[6] N. Anfimov, I. Chirikov - Zorin et al., Beam test of Shashlyk EM calorimeter

prototypes readout by novel MAPD with super high linearity. Nucl. Instr. and Meth. A617 (2010) 78.

[7] E.H. Bellamy,..., I.E. Chirikov - Zorin et al., Test of long scintillation counters

for supercollider detectors. Nucl. Instr. and Meth. A334 (1994) 484.

8] Ю.А. Будагов,..., И.Е. Чириков - Зорин и др., Большие сцинтилляционные счетчики со световодами из спектросмещающих волокон.

Препринт ОИЯИ, Р13-98-304, Дубна, 1998.

9] Ju.Budagov,..., I. Chirikov - Zorin et al., Test of long scintillating counter

prototypes for CDF II. Preprint JINR, El3-2000-127, Dubna, 2000.

10] L.S. Barabash,..., I.E. Chirikov - Zorin et al., Mesuarement of the coordinates

of particle tracks by the centre of gravity of a light flash in scintillator. Nucl. Instr. and Meth. A461 (2001) 587.

11] A. Artikov, ..., I. Chirikov - Zorin et al., Properties of Ukraine polysterene-based plastic scintillator UPS 923A. Nucl. Instr. and Meth. A555 (2005) 125.

12] I. Chirikov-Zorin, Comment to "On the aging of the scintillation counters for RUN II Muon System at CDF. Nucl. Instr. and Meth. A591 (2008) 467.

13] A.Artikov,..., I. Chirikov - Zorin et al., Design and construction of new central and forward muon counters for CDF II. Nucl. Instr. and Meth. A538 (2005) 358.

14] A. Artikov,..., I. Chirikov - Zorin et al., New generation large area muon scintillation counters with wavelength shifter fiber for CDF II.

Part. Nucl. Lett. 2006, V.3, №3 (132) p.81.

15] A. Artikov,..., I. Chirikov - Zorin et al., The "miniskirt" counter array at CDF II. Part. Nucl. Lett. 2002. №5 (114) p.25.

16] Давыдов Ю.И.,.. ..Чириков - Зорин И.Е. и др. Мини-дрейфовая камера. Труды международного симпозиума по координатным детекторам в физике высоких энергий. ОИЯИ, Д1, 13-88-172, Дубна, 1988.

17] Давыдов Ю.И.,...,Чириков - Зорин И.Е. и др. Мини-дрейфовая камера с зазором 4 мм. Сообщение ОИЯИ, 13-86-327, Дубна, 1986.

18] I.E. Chirikov - Zorin et al., Characteristics of a mini drift chamber. Nucl. Instr. and Meth. A260 (1987) 142.

19] Yu. Budagov, I. Chirikov - Zorin et al., Drift chambers on the basic of mylar tube blocks. Nucl. Instr. and Meth. A330 (1993) 458.

20] A.Larichev,...,I. Chirikov - Zorin et al., The mylar straw tubes: Test results and application to muon tracking. GEM TN-92-105 (1992).

21] П. Стремень,..., И.Е. Чириков - Зорин, Система получения информации с многопроволочной дрейфовой камеры. Авторское свидетельство СССР №1281014 от 28.02.85 г. Бюллетень ОИПОТЗ, 1989, №30.

22] I.E. Chirikov - Zorin et al., Parallel-series readout for multiwire drift chamber. Nucl. Instr. and Meth. A285 (1989) 484.

23] I.E. Chirikov - Zorin, O.E. Pukhov, On sensitivity of gas-discharge detectors to light. Nucl. Instr. and Meth. A371 (1996) 375.

Получено 3 июля 2014 г.

ч

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 03.07.2014. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,8. Тираж 100 экз. Заказ № 58287.

Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований 141980, г. Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6. E-mail: publish@jinr.ru www.jinr.ru/publish/