Система триггерных сцинтилляционных счетчиков жидкоаргонового нейтринного детектора БАРС комплекса "Меченые нейтрино" тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

[ Ь и и

6 ДЕК

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

94-123 На правах рукописи

Гуржиев Сергей Николаевич

СИСТЕМА ТРИГГЕРНЫХ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ СЧЁТЧИКОВ ЖИДКОАРГОНОВОГО НЕЙТРИННОГО ДЕТЕКТОРА БАРС КОМПЛЕКСА "МЕЧЕНЫЕ НЕЙТРИНО"

01.04.23 - физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Протвино 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При ^современных нейтринных исследованиях на ускорителях такие проблемы, как неточное знание энергии нейтрино и наличие примесей нейтрино (антинейтрино)' другого сорта, могут быть устранены при создании пучка меченых нейтрино. Идея комплекса "Меченые нейтрино" (КМН) состоит в том, что одновременно с регистрацией нейтринных взаимодействий в нейтринном детекторе при помощи специальной станции мечения измеряются характеристики остальных частиц, образовавшихся при К^- или ЛГез-распаде К-мезона.

Для осуществления процедуры мечения необходимо иметь высокоинтенсивный (> 109 частиц/с) растянутый во времени пучок К-мезонов (время растяжки с) и регистрировать события от их распадов в станции мечения по триггерному сигналу оТ' нейтринного взаимодействия в нейтринном детекторе. Если устройство, вырабатывающее триггерный сигнал, обладает высоким временным разрешением (несколько наносекунд), то детекторы станции мечения зафиксируют информацию о распадах нескольких К-мезонов. Проведённые методом Монте-Карло расчёты показали, что по восстановленным кинематическим характеристикам частиц, зарегистрированных станцией мечения, и известному импульсу К-мезона оказывается возможным с хорошей точностью восстановить энергию, траекторию, точку образования и тип нейтрино.

Таким образом, для осуществления процедуры мечения нейтрино большое значение отводится эффективной быстрой триггерной системе нейтринного детектора, обладающей высоким временным разрешением.

Цель диссертационной работы состояла в разработке, создании и исследовании системы трштерных сцинтилляционных счётчиков жидко-аргонового нейтринного детектора БАРС комплекса "Меченые нейтрино".

Создала система триггерных сцинтилляционных счетчиков, включающая 48 сцинтилляционных триггерных плоскостей (общей площадью ~ 230 м2), размещённых внутри жидкоаргонового детектора, и регистрирующую электронику, формирующую триггерный сигнал. В ходе физических сеансов, а также на космических мюонах исследованы основные характеристики сцинтилляционных триггерных плоскостей — эффективность и временное разрешение, средние значения которых соответственно равны EFF = 90% и â = 4 не, изучены функциональные возможности системы триггерных сцинтилляционных счётчиков.

Апробация результатов и публикации. Диссертация написана на основе работ, выполненных в отделе нейтринной физики ИФВЭ с 1985 по 1994 гг. при разработке и создании системы триггерных сцинтилляционных счётчиков жидкоаргонового нейтринного детектора БАРС комплекса "Меченые нейтрино". Работы, составляющие основное содержание диссертации опубликованы [1-5], в виде препринтов ИФВЭ, в журналах "Приборы и техника эксперимента" и их переводных дубликатах, изданных на английском языке издательством "Plenum Publishing Corporation", а также докладывались на международных рабочих совещаниях по проектам КМН (Протвино: 1986, 1989, 1990 г.г., Дубна: 1991 г.) и IMPACT (Протвино, 1990 г.).

Объём и структура диссертации. Работа изложена на 101 странице, состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 39 рисунков, 9 таблиц и список цитируемой литературы из 73 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой гладе кратко описана аппаратура комплекса "Меченые нейтрино", изложены особенности формирования нейтринного пучка и процедуры мечения нейтрино, рассмотрены возможные способы получения триггерного сигнала и обоснован выбор создания триггерного устройства, основанного на использовании сцинтилляционных счётчиков большой площади, размещаемых внутри нейтринного детектора — калориметра на жидком аргоне. Приведены результаты исследований, позволившие выбрать конструкцию счётчиков, ФЭУ, делитель и сформулировать требования для разработки сцинтиллятора и переизлучателя.

Схема нейтринного канала установки комплекса "Меченые нейтрино" на ускорителе У-70 ИВФЭ приведена на рис.1. Сформированный в результате взаимодействия мишени и протонного пучка с импульсом Р=70 ГэВ/с и интенсивностью /р ~ 3 х 1013 адронный пучок вводится в

кабелей на величину, равную времени пролёта нейтрино до нейтринного детектора и времени выработки триггерного сигнала, по приходу которого детекторы станции мечения в течение фиксированного промежутка времени производят регистрацию частиц. Зная потоки К мезонов и то, что пучок имеет временную растяжку приблизительно равную 1 с, можно подсчитать количество распадов, от которых в детекторах станции мечения будут зарегистрированы частицы. При максимально возможной интенсивности протонов (1Р ~ ЗхЮ13), сбрасываемых за время медленного сброса на мишень КМН, количество фиксируемых в течение 20 не станцией мечения распадов К мезонов с импульсом 35 ГэВ/с лежит в пределах между 5 и 6, что, согласно расчётам, позволяет осуществить процедуру пространственной привязки вершины зарегистрированного нейтринного события к соответствующей ей вершине родительского распада. Точность выработки триггерного сигнала определяет вероятность нахождения искомого события среди зарегистрированных. Если временное разрешение (стандартное отклонение) триггерного сигнала нейтринного детектора не превышает 5 не и детекторы станции мечения набирают статистику в течение 20 не, то искомое событие находится среди зарегистрированных с вероятностью не менее 95%. Следовательно, 5 не — необходимое временное разрешение триггерного сигнала, вырабатываемого триггерным устройством БАРС.

Суммарные характеристики требуемого триггерного устройства:

— временное разрешение триггерного сигнала (стандартное отклонение) должно быть не хуже 5 не;

— возможно меньшее время формирования триггерного сигнала;

— высокая эффективность при регистрации минимально ионизирующей частицы;

— триггерное устройство должно обладать максимально возможной геометрической эффективностью;

— необходимо обеспечить эффективную работу в условиях низких температур (жидкого аргона) и повышенного давления (до 5 атм.), при этом конструкция должна быть такой, чтобы внесение электроотрицательных примесей в нейтринный детектор не должно превышать 1 млн."1 (1 млн.-1 = Ю-4 объёмных процента).

В результате анализа возможностей получения триггерного сигнала (использование сигналов с ионизационных камер; регистрация сцинтилляций жидкого аргона; применение сцинтилляционных счетчиков) был выбран метод, основанный на использовании полиметилметакрилатных сцинтилляторов и переизлучателей света, а также предложена конструк-

циально разработанных для создания сцинтилляционных счётчиков триг-герной системы жидкоаргонового нейтринного детектора БАРС.

Сцинтиллятор и переизлучатель света производились в виде пластин методом полимеризации между силикатными стёклами. Затем пластины подвергались механической обработке для изготовления образцов с необходимыми геометрическими параметрами.

В качестве основной сцинтиллирующей добавки, вводимой в полиме-тилметакрилатную основу, был выбран нафталин. В результате изучения опытных образцов был выбран следующий состав сцинтиллятора, получившего название СОФГ-120: 85% ПММА, 14% нафталина, 0,8% РРО и 0,08% РОРОР (спектр высвечивания на рис. 3).

* //

// 1 1 «! /з $ \

* / 1 1 ' 1 1 л V

/ , Ш' V

Рис. 3. Спектры: 1 - высвечивания сцинтиллятора СОФГ-120, 2 -высвечивания СОФЗ-Ю5, 3 -поглощения СОФЗ-Ю5 (концентрация люминофора - 13 мг/л); 4 -поглощения СОФЗ-Ю5 с концентрацией люминофора 30 мг/л.

< » > - 2?« он 4- 39 0»

О 60 КО 260 360 «О А Сон)

Рис. 4. Гистограмма длин затухания собственного света переизлучателя СОФЗ-Ю5 (2580 х 20 х 10 мм3) для 141 образца.

Измерения показали, что длина затухания собственного света разработанного сцинтиллятора (для геометрических размеров 1265 х 333 х 22 мм3) Л ~ 1 м. Методом счёта одиночных фотонов было получено время высвечивания изучаемого образца СОФГ-120: г = 4,8 не (х2 = 0,6). Световыход сцинтиллятора СОФГ-120 относительно ИЕ 110 составил 50 и 70% относительно ПС-131.

Для получения хорошего согласования спектров поглощения и высвечивания переизлучателя света с соответствующими характеристиками сцинтиллятора ССФГ-120 и ФЭУ-84-3 было выбрано'несколько люмино-

В третьей главе приведены результаты исследования физических характеристик сцинтилляционных счётчиков триггерной системы, детально описана конструкция данной системы, а также изложены процедуры контроля существенных характеристик модулей в процессе их сборки и монтажа в криостатах нейтринного детектора.

Рис. 6. Вид плоскости сцинтилляционной триггерной системы, закреплённой на внешней стороне ионизационной камеры, внутри криостата БАРСа. 1 - патрубки и фланцы для выведения высоковольтных и сигнальных кабелей триггерных счётчиков; 2 - уровень заполнения криостата аргоном; 3 - вакуумная полость криостата; 4 -внутренняя полость криостата; 5 - ионизационная камера; 6 - сцинтилляционная полоса; 7 - переизлучатель; 8 - ФЭУ в кожухе из нержавеющей стали; 9 - накладки из оргстекла для крепления кожуха ФЭУ к полосам сцинтилляторов; 10 -полосы из дюралюминия для крепления плоскости сцинтилл^ционного триггера к ионизационной камере.

Система триггерных сцинтилляционных счётчиков состоит из 48 плоскостей, размещённых в двух танках БАРС (рис 2). Каждая триггерная плоскость (рис.6) — это шестнадцатиугольник, набранный из 8 полос сцинтиллятора. Три пары полос имеют форму равнобедренной трапеции со следующими минимальными и максимальными длинами сторон: 908 и 1764; 1764 и 2268; 2268 и 2538 мм. Две полосы, расположенные в центре плоскости, выполнены в форме прямоугольника с длиной большей стороны равной 2538 мм. Ширина и толщина сцинтиллятора, равные соответственно 334 и 22 мм, у всех полос одинаковы. Накладками из оргстекла все полосы сцинтиллятора скреплены между собой таким образом, что между ними остаются 11-мм зазоры для размещения семи переизлу-

из оргстекла и обеспечивают вертикальную подвижность всей плоскости. Боковые полосы служат для поддержания сцинтилляционной плоскости в вертикальном положении и не ограничивают подвижности сцинтиллято-ра. Для улучшения сбора света от сцинтилляторов на переизлучатели использован алюминизированный майлар толщиной 50 мкм, расположенный под алюминиевыми крепёжными полосами непосредственно на собранной сцинтилляционной плоскости с двух сторон и закреплённый капроновой нитью 00,5 мм.

Окончательный выбор конструкций был основан на данных изучения световыхода, временного разрешения и эффективности модуля максимальной длины, состоящего из пластины сцинтиллятора, двух полос переизлучателя и четырёх ФЭУ-84-3. Изучение световыхода на космических мюонах для разных вариантов исполнения модуля максимальной длины проводилось как при нормальных условиях, так и в жидком аргоне [4]. Данные типичных измерений для одного из ФЭУ в модуле приведены в табл.1.

Таблица 1. Типичные значения числа фотоэлектронов, регистрируемых одним из ФЭУ, в зависимости от координаты прохождения сцинтиллятора космическими частицами, приведенные для тестового модуля

Воздух Аргон

Майлар Непередающие свет

не грани сцинтиллятора

использовался покрыты маиларом

X, Светопередакяцая грань Светопередающая грань

см сцинтиллятора сцинтиллятора

полирована не полирована не полирована

25 .15,5 15,0 18,6 14,5

75 10,5 11,0 14,5 ' 11,6

125 7,7 8,1 9,7 - 6,4

175 6,1 5,5 6,9 4,2

225 3,9 4Д 5,2 3,5

Для измерения эффективности и временного разрешения тестового модуля были отобраны фотоумножители со световой чувствительностью фотокатода > 18 х Ю-5 А/лм и одинаковыми коэффициентами усиления. Сигналы от двух ФЭУ с каждой стороны сцинтилляционной полосы суммировались и усиливались, а затем поступали в блок МТ, который формирует выходной сигнал, время выработки которого не зависит от координаты прохождения частицей сцинтиллятора. Выходной сигнал по-

система быстрого анализа аналоговых сигналов с триггерных плоскостей для запрещения выработки триггерного сигнала от фоновых процессов. Приведены рабочие характеристики сцинтилляционных триггерных плоскостей.

Технологический цикл подготовки криогенных сосудов нейтринного детектора оказал значительное влияние на шумовые характеристики используемых ФЭУ. Предполагалось, что ФЭУ-84-3 будут работать в жидком аргоне при напряжении 2,4 кВ. Однако при повышении напряжения питания выше 1,8 кВ, наблюдается резкий рост высокочастотных шумовых сигналов больших амплитуд практически у всех ФЭУ. Попытки смоделировать Данный эффект на небольшой партии ФЭУ (20 штук) на специальном стенде не дали повторения ситуации. Определённой причины данного явления ни в криогенных сосудах БАРСа, ни на специально созданном стенде установить не удалось. В такой ситуации потребовалось провести подбор индивидуального высокого напряжения для каждой плоскости, при которых скачкообразного увеличения шумов ФЭУ ещё не наступает.

в, МО

ало.

ю я 20 г» НОКЕР плоскости

г.*

«о

8 *> в

НОМЕР ПЛОСКОСТИ

Рис. 7. Временные разрешения (стандартные отклонения) триггерных сцинтилляционных плоскостей второго танка детектора БАРС.

Рис. 8. Эффективности (в процентах) триггерных сцинтилляционных плоскостей второго танка детектора БАРС.

Рабочие характеристики триггерных сцинтилляционных плоскостей (эффективность и временное разрешение) были исследованы на пучках мюонов, выходящих из специально ослабленной для этих целей мюонной защиты нейтринного детектора [5]. Временные разрешения (сг) плоскостей

батывает триггер 1-го уровня с постоянным временем решения, равным 230 не. Для блокировки выработки триггерного сигнала ТМ используется логическая сумма сигналов ЗАНЯТО от детекторов КМН.

Моделирование ливней нейтринных взаимодействий показало, что для их эффективной регистрации необходимо вырабатывать триггер при совпадении сигналов любых двух (трёх) плоскостей. Космический фон для данных конфигураций триггера за 0.5 с для одного детектора БАРС при 100% эффективности триггерных плоскостей составляет 800 и 400 частиц, соответственно. С помощью моделирования было также установлено, что временные характеристики триггерного сигнала (среднее значение, разрешение) для двух совпадающих плоскостей равны 1,02Т; 0,84сг, а для трёх — 1,04Т; 0,73сг, предполагалось, что временное разрешение всех триггерных плоскостей распределено по нормальному закону со средним значением Т и разрешением ст.

В качестве основной была выбрана конфигурация, когда ТМ вырабатывает трцггерный сигнал при совпадении сигналов любых трёх соседних плоскостей. Такая организация ТМ позволяет получить быстрый триг-герный сигнал с высоким временным разрешением и значительно снизить количество срабатываний от фоновых космических частиц и случайных шумовых совпадений плоскостей.

Эффективность выработки триггерного сигнала системой сцинтилля-ционных счётчиков при регистрации нейтринных взаимодействий была исследована с помощью метода Монте-Карло для основной конфигурации триггерного модуля. Эффективности каждой из сцинтилляционных триггерных плоскостей считались равными 100%. Полученные зависимости эффективностей регистрации нейтринных взаимодействий от энергий нейтрино приведены на рис.10.

На рис.11 приведен пример регистрации нейтринного взаимодействия детектором БАРС. Триггерный сигнал от системы сцинтилляционных счётчиков, фиксирующий взаимодействие в нейтринном детекторе вырабатывался триггерным модулем в принятой основной конфигурации.

Для эффективной регистрации нейтринных взаимодействий комплексом "Меченые нейтрино" необходимо существенно уменьшить число первичных триггеров, вызванных фоновыми мюонами, выходящими из мю-онной защиты, а также распространяющимися по грунту. Основная идея решения этой задачи заключается в том, чтобы, анализируя амплитуду суммарного аналогового сигнала со всех ФЭУ каждой из триггерных плоскостей, запрещать (режектировать) выработку триггера БАРС

в том случае, если энерговыделение во всех 24 плоскостях не превысило установленный уровень порога. Схема организации триггерной системы в данном случае приведена на рис Л 2. Для определения необходимого уровня порогов формирователей сцинтилляционного режекта были изучены распределения амплитуд аналоговых суммарных сигналов с каждой триггерной плоскости от проходящих пучковых мюонов. На основании проведённых измерений для каждой плоскости были выставлены индивидуальные пороги режекции, соответствующие уровням сигнала от минимально ионизирующей частицы (М1Р): 1,5; 2; 3; 3,5 -г 4 М1Р. Коэффициенты подавления (отношение полного числа триггеров к числу триггеров, полученных при установленном пороге режекции) фонов пучковых мюонов и космических частиц, а также эффективность регистрации адронов для этих порогов приведены в табл.2. Экспериментально установлено, что доля мюонов составляет не более 5% среди неотрежектированных событий.

Рис. 12. Схема формирования сцинтилляционного триггера 2 уровня. У - усилитель, МТ - блок "mean-timer", Ф - формирователь с регулируемым порогом.

6. Создан автоматизированный стенд, с помощью которого осуществлены подбор и тестирование фотоумножителей совместно с делителями для всей триггерной системы.

7. Разработана и осуществлена автоматизированная процедура тестирования на космических мюонах сцинтилляционных триггерных плоскостей при их сборке.

8. Создана система триггерных сцинтилляционных счетчиков, состоящая из 48 сцинтилляционных триггерных плоскостей, общей площадью более 260 м2. Число каналов регистрирующей электроники, вырабатывающей триггерный сигнал в зависимости от задаваемой комбинации логических сигналов, поступающих от триггерных плоскостей, разно 672.

9. В ходе физических сеансов, а также на космических мюонах исследованы основные характеристики сцинтилляционной триггерной системы. Полученные средние значения эффективности (90%) и временного разрешения (4 не) удовлетворяют требованиям триггерной системы комплекса "Меченые нейтрино".

10. Предложен, экспериментально исследован и реализован метод дополнительного подавления фоновых процессов на стадии выработки триггера. Метод основан на использовании информации о величине регистрируемого энерговыделения в событии. Реализованный метод позволяет подавить фон от космических лучей и ускорительных мюонов до шести раз.

11. Выполнены Монте-Карло расчёты эффективности триггерной системы при регистрации нейтринных взаимодействий, идущих по каналам нейтрального и заряженного токов.

12. К настоящему времени в нейтринном спектрометре БАРС зарегистрировано более 30 достоверных кандидатов в нейтринные взаимодействия заряженного и нейтрального токов с помощью созданной триггерной системы.

Список литературы

[1] Беликов C.B., Гуржиев С.Н., Кочетков В.И., Старцев B.C. О возможности создания сцинтилляционного триггера для жидкоаргонового нейтринного детектора: Препринт ИФВЭ 92-24. — Протвино, 1992.

[2] Беликов C.B., Гуржиев С.Н., Дьячков А.П., Корниловская Д.Д., Кочетков В.И., Малиновская С.А., Муравьёва Т.М., Пронченко В.Н., Филин П.А. Физические характеристики полиметилметакрилатного сцинтил-

С.Н.Гуржиев

Система триггерных сцинтилляционных счетчиков жидкоаргонового нейтринного детектора БАРС комплекса "Меченые нейтрино".

Оригинал-макет подготовлен с помощью системы MgX. Редактор Н.В.Ежела.

Подписано к печати 14.11.1994 г. Формат 60 х 90/16.

Офсетная печать. Печ.л. 1,25. Уч.-изд.л. 1,48. Тираж 150. Заказ 71. Индекс 3649. ПР №020498 06.04.1992.

Институт физйки высоких энергий, 142284, Протвино Московской обл.