Сцинтилляционные детекторы с оптоволоконным съемом информации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Введение.А

Глава 1. Описание экспериментальной установки Е865.

1.1 Пучок.,.Ю

1.2 Спектрометрические магниты.

1.3 Регистрирующая аппаратура.

1.3.1 Многопроволочные пропорциональные камеры.

1.3.2 Черенковские счетчики.

1 1.3.3 Электромагнитный калориметр.

1.3.4 Мюонный детектор.;.

1.3.5 Триггерные годоскопы. 1.4 Организация триггера и системы приема данных.

1.4.1 Организация триггера. 1.4.2 Система приема данных.1.

Глава 2. Расчет и конструкция модуля электро-магнитного калориметра

2.1 Конструкция модуля.

2.2 Расчет параметров модуля.

2.2.1 Расчет светосбора в сцинтилляционной пластине.

2.2.2 Расчет структуры модуля.

Глава 3. Изготовление модуля электро-магнитного калориметра.

3.1 Полимерные оптические волокна.

3.1 1 Синтез материалов для керна ПОВ

3.1.2 Синтез материалов для оболочки ПОВ.

ЗД.З., Изучение спектрально-люминесцентных свойств люминофоров для ПОВ.*.

3.1.4 Изготовление ПОВ

3.1.5 Изучение свойств ПОВ.

3.2 Другие конструкционные элементы модуля ЭМК

Глава 4. Результаты экспериментального исследования модулей

1 ЭМК.

4.1 Схема измерений.

4.2 Энергетическое разрешение и выбор фотоприемника

4.3 Координатное разрешение.

4.4 Временное разрешение.

4.5 п!е режекция.

4.6 Исследование модулей с другими фотоприемниками.

4.6.1 Тетрод.

4.6.2 Фотодиод.

4.6.3 Микроканальная пластина.

4.6.4 Триод.

Глава 5. Наблюдение радиационного распада К+ -»я-+е*е~у

5.1 Феноменология распада.

5.2 Общие замечания по анализу данных.

5.3 Отбор событий

5.3.1 Этап

5.3.2 Этап

5.3.3 Отбор событий К+ ж+е+е~у

5.4 Анализ данных

5.4.1 Нормировка.

5.4.2 Фоновые процессы.

5.4.3 Результаты .8!

I ■1 ' ■ ■

В последние годы достигнут значительный прогресс в теоретическом описании распадов легких мезонов. В частности, развиты методы киральной теории возмущений, позволяющие получать достоверные оценки параметров распадов К-мезонов. Установлено, что эти методы хорошо описывают многие процессы распада каонов. Однако, желательно провести проверку для более сложных процессов, например, таких как к+ я+е+е~у, который, с одной стороны, является радиационным к+ л+е+е~ распадом, подавленным отсутствием нейтральных токов с нарушением странности, а с другой стороны, распадом к+ я+уу с внутренней конверсией у на е+е~ пару.

Измерения, связанные с изучением таких физических процессов, требуют хорошего пространственного и координатного разрешения при регистрации заряженных и нейтральных вторичных частиц. Это диктует необходимость совершенствования крупномасштабных годоскопических калориметров, являющихся принципиальным элементом большинства экспериментальных установок в физике высоких энергий. Поэтому актуальными и практически значимыми являются разработка и изучение характеристик калориметров, при создании которых применяются новые перспективные материалы и технологии.

Цель диссертационной работы:

1. Разработка сцинтилляционных детекторов с оптоволоконным съемом информации.

2. Исследование радиационного распада каона К+ ->я+е+е~у .

Научная новизна диссертации:

1. Разработана конструкция и изготовлены модули электромагнитно калориметра типа "Шашлык" для прецезионных энергетическ измерений.

2. Разработано и изготовлено широкоапертурное полимерН спектросмещающее и сцинтилляционное оптическое волокно многослойной оболочкой.

Г •

3. Экспериментально выделено 28 событий распада К+

Определена вероятность внутреннего тормозного излучени Получено ограничение на вклад структурного излучения.

Практическая и научная ценность работы:

1. Разработана конструкция, технологии изготовления компонентов и сборки модулей электромагнитного калориметра типа "Шашлык" Проведено экспериментальное исследование характеристик модуЛе^ Полученные результаты могут быть использованы при создании электромагнитных калориметров с оптоволоконным съемом информации, а также других детекторов частиц, в которых применяются полимерные оптические волокна.

2. Создана установка для изготовления оптического волокк полистирола с многослойной оболочкой из

Оа о, полиметилметакрилата. Исследованы оптические ст. радиационная стабильность волокон. 3. Получены экспериментальные данг

Ор

Ут использованы для проверки разлг о к

Из физики, элементарных частицу. "^ел-Структура диссертаци а. заключения и прих 6

В первой главе описана экспериментальная установка Е865 (Брукхэвенская национальная лаборатория, США) для исследования редких распадов К+-мезонов, которая включает в себя спектрометрические магниты, многопроволочные пропорциональные камеры, газовые пороговые черенковские счетчики, электромагнитный калориметр, сцинтилляционные годоскопы и мюонный детектор. Описана организация приема и on-line обработки данных.

Во второй главе приведена конструкция модуля электромагнитного калориметра установки Е865, представляющего собой свинцово-сцинтилляционный сэндвич, свет из которого выводится на фотоприемник спектросмещающими волокнами. Описана его расчетная модель и приведены расчетные значения энергетического разрешения для различных структур модуля.

В третьей главе изложена разработанная технология изготовления спектросмещающих и сцинтилляционных оптоволокон с многослойной оболочкой. Представлены результаты исследования радиационной стойкости волокон. Описываются конструкционные элементы и сборка модулей.

В четвертой главе приведены результаты изучения характеристик модулей калориметра. Представлены значения энергетического, пространственного и временного разрешений.

В пятой главе приведены результаты экспериментального изучения распада К+ -»я+е*е~у. Описаны теоретические представления, критерии отбора событий, подавления фоновых процессов, процедура обработки данных. Выделена часть кинематической области распада, соответствующая внутреннему тормозному излучению. Получено ограничение на вклад структурного излучения. 7

В Заключении оформлены основные результаты диссертации.

В Приложении приведены примеры использования разработанного оптоволокна в других детекторах частиц.

Работы [3,10,21,27,36,45,46], на которых основана диссертация, опубликованы в виде статей в журналах "Nuclear Instruments and Methods А", "Приборы и техника эксперимента", в Трудах конференций, в виде препринтов ИЯИ РАН. Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах ИЯИ РАН, ИТЭФ, ИФВЭ, ORNL (Ок-Ридж, США), BNL (США); были представлены на 4-ой международной конференции по калориметриц в физике высоких энергий (Изола д'Эльба, Италия, 1993), 28-й международной конференции по физике высоких энергий (Варшава, Польша, 1996). 8

Основные результаты диссертации могут быть сформулированы следующим образом:

1. Создана расчетная модель и проведены расчеты характеристик модулей электромагнитного калориметра типа "Шашлык" (свинцово-сцинтилляционный сэндвич с оптоволоконным съемом информации).

2.Разработана конструкция и изготовлены модули электромагнитного калориметра типа "Шашлык", близкого по своим физическим характеристикам к калориметрам из свинцового стекла и обладающего при этом лучшей радиационной стойкостью и меньшей стоимостью. Проведено экспериментальное исследование их характеристик.

3. Разработано широкоапертурное спектросмещающее и сцинтилляционное оптическое волокно на основе полистирола с многослойной оболочкой из фторированного полиметилметакрилата (показатель преломления п=1.41). Проведен поиск перспективных люминофоров для спектросмещающих волокон, работающих в широком спектральном диапазоне. Исследованы оптические характеристики и радиационная стабильность волокон.

4. Создана установка для изготовления полимерного оптического волокна диаметром 0.1-1.5 мм с многослойной оболочкой. Полученное волокно нашло применение в ряде детекторов частиц.

5. Экспериментально выделено 28 событий распада К+ —>7с+е+е'у при ожидаемом фоне ~1 события.

6. Экспериментально определена относительная вероятность внутреннего тормозного излучения Вг(1В)1Вг(К. —> те) = (3.3±0.9)х 10"2 (<?у>30 МэВ, >150 МэВ), согласующаяся с предсказаниями КЭД.

7.Получено ограничение на вклад структурного излучения Вг(8В)< 1 .3x10 ~8 (ег>30 МэВ, т+е>150 МэВ) на уровне достоверности 90%.

Диссертация основана на работах, выполненных автором в Институте ядерных исследований РАН совместно с Г.С.Атояном, В.А.Гладышевым, С.Н.Гниненко, В.В.Исаковым, В.А.Красновым, Е.А.Моничем, А.А.Поблагуевым, Т.П.Филипповой, которым я выражаю искреннюю благодарность.

Я признателен дирекции ИЯИ РАН за помощь в проведении эксперимента Е865. ,

Приношу глубокую благодарность члену-корреспонденту РАН В.М.Лобашеву за постоянную поддержку и внимание к работе.

Я признателен к.ф.-м.н. В.В.Исакову за постановку задачи и научное руководство.

Я искренне благодарен А.А.Поблагуеву за многочисленные полезные обсуждения и помощь в работе.

Заключение

1. J.R.Sanford and C.L.Wang, BNL 1.ternational Reports 1 1299&11479 (1967).

2. J.Fisher, A.Hrisoho, V.Redeka and P.Rehak, Nucl. Instr. and Meth. A238 (1985) 249.

3. Lecroy research systems, 1996 catalog, 1996.

4. S.Hansen et al., Fermilab Smart Crate Controller, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-34 (1987) 1002.

5. W.Menzel, Ph.D. thesis, University of Basel, 1996.

6. W.Hofmann, A.Markees, U.Matthiesen et al., Nucl. Instr. and Meth. A195 (1982) 475.

7. H.Fessler, P.Freund, J.Gebauer et al., Nucl. Instr. and Meth. A240 (1985) 284.

8. М.Г.Кадыков, В.К.Семенов, В.И.Суздалев, Препринт ОИЯИ 13-9016, Дубна, 1990.

9. С.В.Афанасьев, В.А.Гладышев, А.Е.Зацеркляный, В.И.Колесников, А.И.Малахов, Е.А.Монич, Н.А.Немешкало, В.Ф.Попов, А.Л.Проскуряков. Модуль сцинтилляционного электромагнитного калориметра с волоконно-оптическим съемом света, ПТЭ №5 (1992) 35

10. CERN, Geneva, Switzerland. GEANT: Detector Description and Simulation Tool, 1993.

11. A.Bross, M.Crisler, B.Kross, Nucl. Instr. and Meth. A286 (1990) 69.

12. P.Antich, M.Atac, R.Chaney et al., Nucl. Instr. and Meth. A297 (1990) 514.

13. D.Bernard, Nucl. Instr. and Meth. A315 (1992) 43.102

14. T.Arima, Y.Asano, M.Mori et al., Nucl. Instr. and Meth. A314 (1992) 417.

15. P. de Barbaro et al., Nucl. Instr. and Meth. A315 (1992).

16. Л.Беллами. Инфракрасные спектры сложных молекул.- М.: Иностранная литература, 1963.

17. M.Fujiki, S.Oikawa, S.Nara, Appl. Opt., 20 (1981) 2886.

18. A.M.Баран, В.М.Левин. Материалы для полимерных оптических волокон/Сб. Физико-химические основы синтеза и переработки полимеров. Горький, 1988.

19. А.Уорд, У.Роберте. Стирол/Сб. Мономеры. М.: Иностранная литература, 1953.

20. Б.М.Красавицкий, Б.М.Болотин. Органические люминофоры. -Л.: (1976) 260.

21. J.Simon-Gillo, A.Farooq, M.W.Rawool-Sullivan et al., Nucl. Instr. and Meth. A309 (1991) 427.

22. Г.П.Григорьев, Г.Я.Ляндсберг, А.Г.Сирота. Полимерные материалы. М.: Высшая Школа (1966) 130.

23. J.Alitti et al., Nucl. Instr. and Meth. A273 (1988) 135.

24. Ed.J.Jarlskog et al., Preprint CERN 90-10, Geneva (1990).

25. В.В.Бреховских, В.А.Гладышев, В.Г.Васильченко, В.Г.Лапшин, А.Л.Проскуряков, В.К. Семенов. Радиационная стойкость поли-стирольных сцинтилляторов и спектросмещающих волокон. ПТЭ №6 (1992) 95.

26. V.Bolotov, V.Gladyshev, A.Proskuryakov, T.Filippova, G.Britvich, V.Vasil'chenko, A.Kushnirenko. Radiation hardness of WLS-fibers.

27. CMS TN/94-221, 25 Jul 1994.

28. В.Бреховских и др., Препринт ИФВЭ 91-164, Протвиц0) { ^^

29. K.F.Jonson, D.W.Hertzog, S.A.Hughes et al., Instr. an^ (1992) 506.

30. Т.В.Алимова, А.М.Горин, Т.А.Ершова и др., Препрццт 35, Серпухов, 1986.

31. D.Acosta et al., Nucl. Instr. and Meth. A294 (1990) 193.

32. L.Bugge, Nucl. Instr. and Meth. A242 (1986) 228.

33. E.Kistenev and S.White, Частное сообщение.

34. M.E.Zeller. Summary of the Proposal to Perform an 1трГоУе^ for the Decay K+ яг>+е~ . May 7, 1990.

35. R.Appel, G.S.Atoyan, B.Bassalleck, D.Bergman, ^'