Введение к работе
Актуальность проблемы.
Эксперимент ALICE (A Large Ion Collider Experiment - большой ионный эксперимент на коллайдере) на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН осуществляется для исследования столкновений тяжелых ионов при сверхвысоких энергиях. Эти исследования направлены на решение фундаментальной научной задачи современной физики - объяснить структуру, происхождение и эволюцию барионной материи Вселенной.
Прямые фотоны являются уникальным сигналом, позволяющим исследовать свойства образующегося в ядро-ядерном столкновении экстремально возбуждённого сгустка ядерного вещества на всех этапах его эволюции, включая самые ранние.
Для извлечения сигнала прямых фотонов требуются измерения с высокой точностью инклюзивных спектров фотонов и нейтральных мезонов, прежде всего пионов, в широком диапазоне поперечных импульсов от ~ 0.5 ГэВ/с до ЮОГэВ/с.
Эксперименты на БАК потребовали создания фотонных спектрометров
нового поколения, основанных на новых материалах, имеющих существенно
меньшие значения радиуса Мольер и радиационной длины. В настоящее
время наиболее перспективным материалом являются кристаллы
вольфрамата свинца (PWO), впервые выращенные и производимые в России.
На их основе создан прецизионный фотонный спектрометр для эксперимента
ALICE - PHOS. Основной задачей PHOS является идентификация
и измерение энергии прямых фотонов, излучаемых при столкновении ядер сверх высоких энергий. Ожидаемый сигнал прямых фотонов представляет собой разность двух распределений: измеренного спектра частиц, идентифицированных как фотоны, и расчетного спектра фотонов, рожденных в процессах распада других частиц, прежде всего я0- мезонов.
Цель и задачи диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является разработка многоканального прецизионного фотонного спектрометра и исследование его характеристик. Решаемыми задачами являются:
-
Выбор типа фотодетектора, удовлетворяющего физическим требованиям к PHOS и определение его рабочих характеристик.
-
Анализ зависимости энергетического разрешения фотонного спектрометра от шумов электроники, параметров фотодетектора и температуры кристаллов. Исследование энергетического разрешения прототипов и модуля PHOS на пучках заряженных частиц.
-
Анализ возможности подавления фона антинейтронов путём измерения времени пролёта с помощью PHOS. Оценка временного
разрешения PHOS при измерении времени пролёта методом «старт -стоп». Оценка временного разрешения при цифровой обработке сигналов детектора. Исследование временного разрешения PHOS на пучках заряженных частиц. 4. Разработка считывающей электроники PHOS реализующей аналоговый и цифровой методы обработки сигналов. Разработка методики расчёта эквивалентного шумового заряда (ENQ измерительного канала состоящего из фотодетектора, зарядово-чувствительного предусилителя (ЗЧП) и фильтра. Исследование влияния шумов 1/fn конкретной схемы ЗЧП на ENC. Разработка алгоритма цифровой обработки сигнала фотодетектора с целью увеличения отношения сигнал - шум и восстановления постоянной составляющей
Разработка системы подачи индивидуальных напряжений смещения на фотодетекторы с целью выравнивания коэффициентов преобразования отдельных каналов.
Научная новизна работы.
-
Впервые разработан многоканальный фотонный спектрометр на основе кристаллов PWO с лавинным фотодиодом в качестве фотодетектора и рабочей температурой - 25С.
-
Впервые проведены всесторонние исследования характеристик фотонного спектрометра на основе кристаллов PWO с лавинным фотодиодом в качестве фотодетектора и рабочей температурой -25С:
Впервые, на нескольких прототипах, в экспериментах на пучках заряженных частиц измерена кривая энергетического разрешения многоканального фотонного спектрометра на основе кристаллов PWO и лавинного фотодиода (ЛФД) при температуре -25 С в диапазоне энергий 0,6 - 150 ГэВ.
Впервые в экспериментах на пучках заряженных частиц измерено временное разрешение многоканального фотонного спектрометра.
-
Впервые разработана и реализована многоканальная считывающая электроника для фотонного спектрометра на основе детектирующих каналов из кристаллов PWO и ЛФД.
-
Впервые предложен и реализован метод цифровой обработки сигналов для измерения энергии и времени пролёта регистрируемых частиц.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Проведённые исследования и разработки внесли вклад в создание прецизионного фотонного спектрометра нового поколения на основе
кристаллов PWO для тяжелоионного эксперимента ALICE на Большом адроном коллайдере в ЦЕРН. В настоящее время PHOS в пусковой конфигурации из 3-х модулей участвует в сеансах физических измерений на пучках Большого адронного коллайдера в ЦЕРН в составе супердетектора ALICE.
А пробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались на международных конференциях. По теме диссертации опубликовано 12 статей, получено одно авторское свидетельство на изобретение. Список статей и конференций приведен в конце автореферата.
Основные положения, выносимые автором на защиту.
-
Результаты исследований эффекта прямого детектирования (nuclear counter effect) для PIN-диодов и ЛФД. Обоснование выбора ЛФД в качестве фотодетектора для фотонного спектрометра PHOS.
-
Результаты расчётных оценок зависимости энергетического разрешения фотонного спектрометра PHOS от температуры матрицы кристаллов и параметров ЛФД. Результаты расчётных оценок возможности подавления фона антинейтронов путём измерения времени пролёта с помощью PHOS.
-
Результаты исследований характеристик прототипов фотонного спектрометра PHOS на пучках заряженных частиц ускорителей ЦЕРН
Результаты измерений энергетического разрешения на пучках электронов в диапазоне энергий 0,6-450 ГэВ.
Результаты измерений на пучках заряженных пионов спектра инвариантных масс фотонных пар от распадов нейтральных пионов.
Результаты измерений на пучках электронов временного разрешения методом «старт - стоп».
-
Результаты компьютерного моделирования цифровой обработки сигналов с детекторных каналов спектрометра PHOS с целью получения временной отметки. Результаты лабораторных измерений временного разрешения на макете считывающей электроники, реализующей цифровой метод.
-
Результаты исследования возможностей цифрового метода для улучшения отношения сигнал - шум и восстановления базового уровня.
-
Результаты разработок основных компонентов считывающей электроники фотонного спектрометра PHOS.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 87 наименований, содержит 151 страницу, в том числе 97 рисунков и 9 таблиц.
