Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Эксперимент GlueX в ускорительной лаборатории им. Т. Джефферсона ... 9
1.1 Национальная ускорительная лаборатория им. Джефферсона 9
1.2 Модификация ускорителя CEBAF лаборатории им. Т. Джефферсона 10
1.3 Установка GlueX 11
1.3.1 Кремниевые фотоумножители SiPM в эксперименте GlueX 13
1.3.2 Мишень и стартовый счетчик 15
1.3.3 Трекинг заряженных частиц 15
1.3.4 Калориметрия 16
1.3.4.1 Форвард-калориметр 17
1.3.4.2 Электромагнитный баррель-калориметр 17
1.3.5 Идентификация частиц 18
1.4 Физическая программа эксперимента GlueX 18
1.4.1 Мезонная спектроскопия 19
1.4.2 Гибридные мезоны 20
1.4.3 Экспериментальная ситуация в поиске экзотических мезонов 21
1.5 Выводы к главе 1 26
Глава 2 Детекторы пучка гамма-квантов 27
2.1 Фотонный пучок 27
2.1.1 Детекторы фотонного пучка 30
2.2 Исследование временных характеристик «микроскопа» электронов 34
2.3 Радиационная стойкость «микроскопа» электронов 41
2.4 Выбор режима работы вакуумных фотоумножителей широкополосного годоскопа 43
2.5 Выводы к главе 2 48
Глава 3 Магнитный гамма-спектрометр 50
3.1 Моделирование параметров магнитного спектрометра
3.2 Выбор оптимальной конфигурации сцинтилляционных тайлов магнитного спектрометра 61
3.3 Система сбора данных детекторов группы магнитного спектрометра 64
3.4 Система контроля и управления магнитного спектрометра 68
3.5 Исследование светосбора регистрирующей части магнитного спектрометра 74
3.5.1 Исследование светосбора от релятивистской частицы в тонком сцинтилляторе с помощью SiPM и радиоактивного источника 75
3.5.2 Исследование регистрирующей части детектора на пучке электронов лаборатории им. Джефферсона 78
3.5.3 Исследование светосбора с тайлов спектрометра 83
3.6 Сборка и калибровка магнитного спектрометра 87
3.6.1 Выпрямление ССВ и полировка торцов 87
3.6.2 Процедура склеивания сцинтилляционных тайлов 87
3.6.3 Контроль толщины сцинтилляционных тайлов для оптимизации геометрии детектора 88
3.6.4 Оптический контакт между тайлами 94
3.6.5 Сборка и калибровка SiPM магнитного спектрометра 95
3.7 Испытания магнитного спектрометра на пучке гамма-квантов 99
3.8 Выводы к главе 3 103
Заключение 105
Список литературы
- Модификация ускорителя CEBAF лаборатории им. Т. Джефферсона
- Физическая программа эксперимента GlueX
- Радиационная стойкость «микроскопа» электронов
- Исследование светосбора от релятивистской частицы в тонком сцинтилляторе с помощью SiPM и радиоактивного источника
Введение к работе
Актуальность темы
Эксперимент GlueX нацелен на исследование природы конфайнмента [1]. Явление конфайнмента кварков и глюонов, составляющих элементарные частицы, является базовым эффектом квантовой хромодинамики КХД. До сих пор нет количественного описания эффекта конфайнмента. Расчеты в рамках решеточной КХД предсказывают детальный спектр масс и возможные моды распадов гибридных мезонов и глюболов. Однако для прояснения механизма конфайнмента необходимы новые экспериментальные данные о свойствах этой формы материи. В эксперименте GlueX предполагается исследовать глюонное возбуждение легкого мезона с запрещенными квантовыми числами J = Г и с массой до 2.5 ГэВ/с . В предыдущих экспериментах такие мезоны были получены в адронных взаимодействиях с использованием пион-ного или каонного пучков (Е852, VES в ИФВЭ и NENKEI в КЕК). В эксперименте GlueX экзотические мезоны образуются в процессе фоторождения, в котором, как предсказывает ряд моделей, линейно поляризованный фотон обладает свойствами ад-рона, т.е. его можно представить как qq-napy с глюонной связью, что способствуют повышению вероятности создания гибридных мезонов [2].
Для исследования гибридных мезонов с массой до 2.5 ГэВ/с создан высокоин-
о 1
тенсивный пучок (~ 10 с" ) линейно поляризованных гамма-квантов с энергией в интервале 8.4 - 9.2 ГэВ. Пучок формируется в результате когерентного тормозного излучения электронов с энергией 12 ГэВ на ориентированной кристаллической структуре алмазного радиатора [3]. В эксперименте GlueX предполагается впервые измерить зависимость сечения образования экзотических состояний мезонов от энергии поляризованных фотонов. Для выполнения этой задачи необходимо создать детекторы с разрешением АЕ/Е < 1 %, измеряющие энергетический спектр пучка поляризованных фотонов. Эту задачу решают две экспериментальные установки: прецизионный годо-скоп электронов («микроскоп»), определяющий энергетический спектр пучка фотонов в области энергий 8.4 - 9.2 ГэВ, и магнитный спектрометр, работающий в диапазоне энергий гамма-квантов от 6.00 до 12.25 ГэВ. При этом «микроскоп» электронов позволяет определить энергетический спектр пучка, в котором преобладают неполя-ризованные гамма-кванты, а магнитный спектрометр определяет энергию поляризованных фотонов, которые выбираются с помощью коллиматора с диаметром окна 3.4 мм, расположенного перед магнитным спектрометром на расстоянии 75 метров от алмазного радиатора. Коллиматор позволяет убрать неполяризованные фотоны, летящие в более широком телесном угле. Коллимированный пучок, состоящий в основ-
ном из поляризованных фотонов, направляется на мишень экспериментальной установки. Необходимое энергетическое разрешение достигается высокой гранулярностью регистрирующих частей «микроскопа» электронов и магнитного спектрометра, выполненных на основе тонких пластических сцинтилляторов, спектросмещающих волокон и кремниевых фотоумножителей.
Электроны, излучившие фотон в радиаторе, отклоняются дипольным магнитом с полем 1.5 Тл и регистрируются двумя детекторами: годоскопом с высоким разрешением («микроскоп» электронов), состоящим из 80 сцинтилляционных волокон с сече-нием 1x1 мм , и широкополосным годоскопом, работающим в диапазоне энергий фотонов от 3.00 до 11.75 ГэВ, что необходимо для юстировки алмазного радиатора. Эти детекторы работают в магнитном поле 0.35 Тл. Загрузка «микроскопа» составляет 2.5*10 е7с, поскольку он регистрирует все электроны, создающие поляризованные и неполяризованные фотоны. В этих условиях определение энергии фотона, взаимодействующего в дальнейшем с мишенью экспериментальной установки, требует временного разрешения «микроскопа» не хуже 500 пс.
В магнитном спектрометре энергия гамма-квантов вычисляется по величине отклонения в магнитном поле электронов и позитронов, которые образуются в тонком конверторе, расположенном перед спектрометром. Регистрирующая часть детектора выполнена в виде сцинтилляционного годоскопа, состоящего из 145 пластин толщиной 1 и 2 мм и длиной 10 мм (вдоль пучка), что позволяет измерять спектр пучка поляризованных гамма-квантов в требуемом диапазоне энергий с разрешением АЕ/Е < 1 %. Использование конвертора толщиной ~ 10" радиационной длины изменяет параметры пучка гамма-квантов не более чем на 0.01 %.
Отличительной особенностью описанных выше детекторов является использование годоскопов из тонких сцинтилляторов (1-2 мм) в сочетании с кремниевыми фотоумножителями (SiPM), которые обладают компактными размерами, способны работать в магнитных полях и не требуют высокого напряжения питания. «Микроскоп» электронов и магнитный спектрометр используются в настоящее время для определения энергетического спектра пучка гамма-квантов в эксперименте GlueX и обеспечивают выполнение физической программы.
Цель диссертационной работы
Создание гамма-спектрометрической аппаратуры на основе кремниевых фотоумножителей SiPM для эксперимента GlueX по фоторождению гибридных мезонов с экзотическими квантовыми числами в диапазоне масс 1-2.5 ГэВ/с .
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: Экспериментальное доказательство возможности регистрации релятивистской
частицы с эффективностью не хуже 99% в сцинтилляторе толщиной 1 мм и длиной 10 мм (по пучку), являющемся элементом детектора для регистрации энергетического спектра поляризованных гамма-квантов.
Разработка методики создания многоканальных сцинтилляционных детекторов на основе сцинтилляционных тайлов (пластинчатых сцинтилляторов толщиной 1 мм, спектросмещающих волокон и SiPM).
Создание спектрометра с энергетическим разрешением < 1 % для измерения энергетического спектра гамма-квантов в диапазоне 6 - 12.25 ГэВ с относительным искажением пучка менее 0.01 %.
Измерение временных характеристик гамма-спектрометра («микроскопа» электронов), работающего в условиях загрузок ~ 3*10 е"/с на один канал детектора (для выполнения физической программы эксперимента требуется временное разрешение детектора не хуже 500 пс).
Научная новизна работы
Впервые на основе тонких пластических сцинтилляторов и кремниевых фотоумножителей создан магнитный гамма-спектрометр для измерения энергетического спектра пучка гамма-квантов в диапазоне 6 -^ 12 ГэВ с разрешением АЕ/Е < 1 % и с изменением интенсивности пучка гамма-квантов менее 0.01 %. Этот прибор в составе экспериментальной установки GlueX позволит впервые измерить зависимость сечения фоторождения гибридных мезонов с экзотическими квантовыми числами от энергии поляризованных гамма-квантов.
Впервые экспериментально показана неизменность временного разрешения детектора на основе SiPM при загрузках на один канал до 3*10 е7с, что позволило создать многоканальный сцинтилляционный детектор, работающий в магнитном поле 0.35 Тл, с временным разрешением (300 ± 10) пс в пучке гамма-квантов с интенсивно-стью 2.5*10 с" . Допустимые загрузки сцинтилляционных детекторов на базе вакуумных ФЭУ со стандартной схемой питания в существующих экспериментальных установках составляют 5-Ю3 событий/с [4, 5].
Достоверность
Достоверность научных положений и выводов подтверждается совпадением экспериментально измеренного магнитным спектрометром энергетического спектра гамма-квантов с результатом расчетов, проведенных методом Монте-Карло и совпадением результатов измерения эффективности регистрации частиц в сцинтилляцион-ном тайле тремя независимыми способами: с использованием радиоактивного источника, мюонов космических лучей и на ускорителе электронов.
Практическая ценность результатов
Заключается в том, что созданные новые установки («микроскоп» электронов и магнитный спектрометр) используются в эксперименте GlueX по фоторождению гибридных мезонов с экзотическими квантовыми числами в диапазоне масс 1 -2.5 ГэВ/с . Эксперимент проводится на ускорительном комплексе CEBAF лаборатории им. Т. Джефферсона и продлится до 2020 года. Детекторы обеспечивают выполнение физической программы эксперимента GlueX.
Разработанная методика может быть использована для создания гамма-спектрометрической аппаратуры в других экспериментах, требующих измерения энергетического спектра пучка гамма-квантов с высокой точностью.
Личный вклад соискателя
Все результаты, представленные в работе, получены либо соискателем лично, либо при его непосредственном участии. Соискатель участвовал в создании экспериментальной установки для тестирования характеристик сцинтилляционных детекторов на базе SiPM, проводил испытания и обрабатывал полученные данные. В результате проведенного исследования соискатель экспериментально измерил характери-стики «микроскопа» электронов, работающего при загрузках до 2.5*10 событий/с и обладающего временным разрешением (300 ± 10) пс.
Соискатель разработал и собрал магнитный спектрометр гамма-квантов, разработал программное обеспечение контроля магнитного спектрометра, провел испытания магнитного спектрометра на пучке гамма-квантов, обработал результаты и проанализировал данные этих тестов.
Созданные в ходе работы соискателя детекторы используются в эксперименте GlueX по фоторождению гибридных мезонов с экзотическими квантовыми числами.
Основные результаты, представленные к защите
Магнитный спектрометр электрон-позитронных пар для измерения энергетического спектра пучка поляризованных гамма-квантов в диапазоне 6 -^ 12.25 ГэВ с разрешением АЕ/Е < 1 % при относительном искажении пучка (изменение интенсивности) менее 0.01 %.
Система сцинтилляционных годоскопов, входящих в состав магнитного спектрометра, на основе сцинтилляторов толщиной 1 и 2 мм и длиной 10 мм (вдоль пучка), спектросмещающих волокон и SiPM (сцинтилляционных тайлов), обеспечивающая эффективность регистрации релятивистской частицы выше 99 %.
Многоканальный сцинтилляпионный детектор («микроскоп» электронов) для определения энергетического спектра пучка гамма-квантов с интенсивностью около
б
2.5*10 с" на основе кремниевых фотоумножителей с временным разрешением (300 ± 10) пс, неизменным при загрузках до 2.5» 10 е"/с.
Апробация работы
Основные результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались на международных конференциях APS (American Physical Society) - 2013 (апрель 2013, Денвер, Колорадо, США), APS DNP (Division of Nuclear Physics) - 2013 (октябрь 2013, Ньюпорт Ньюс, Вирджиния, США), ИСМАРТ - 2014 (октябрь 2014, Минск, Белоруссия) и обсуждались на рабочих совещаниях коллаборации GlueX (2011,2012,2013,2014).
Также основные результаты диссертационной работы изложены в 6 статьях, 5 их которых - в периодических научных изданиях, включенных ВАК РФ в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, 1 статья в журнале «Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section А», индексируемом в международных базах Web of Science и Scopus.
Структура и объём диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Содержит 125 страниц, включая 90 рисунков, 9 таблиц, 2 приложения и список цитируемой литературы из 85 ссылок.
Модификация ускорителя CEBAF лаборатории им. Т. Джефферсона
Для основной программы физики GlueX используется мишень из жидкого водорода. Конструкция достаточно проста, так как пучок фотонов выделяет не более 100 мВт тепла, и естественной конвекции достаточно для теплоотвода от мишени.
Мишень представляет собой заполненный жидким водородом цилиндр из майлара диаметром 3 см и длиной 30 см. Она установлена на металлической основе для обеспечения надежного позиционирования. Пучок гамма-квантов проходит через входное окно, диаметр которого позволяет пучку проникать внутрь, не задевая края окна, тем самым не производя вторичные частицы.
Стартовый счетчик (ССЧ) обеспечивает быструю синхронизацию сигнала для первого уровня триггера эксперимента. Как элемент триггера, ССЧ должен обладать высоким временным разрешением (лучше, чем 0.5 не согласно требованиям эксперимента), большим телесным углом обзора и высокой сегментацией. ССЧ состоит из 40 прямоугольных пластиковых сцинтилляторов толщиной 5 мм, образующих цилиндр вокруг мишени. Задняя часть сцинтилляторов согнута в направлении оси пучка для увеличения угла охвата и минимизации многократного рассеяния. Такая конструкции имеет большой световой выход и временной сигнал. Регистрация света осуществляется кремниевыми фотоумножителями SiPM, что позволяет с учетом вклада от электроники добиться временного разрешения не хуже 0.5 не [16]. Более детально изучение временного разрешения сцинтилляционных детекторов на основе кремниевых фотоумножителей описано в главе 2.
Центральная дрейфовая камера (CDC) представляет собой камеру на основе тонких трубок длиной 1.5 м. Камера расположена в передней части соленоида и окружает жидководородную мишень и стартовый счетчик [17]. Камера состоит из 24 слоев трубок (10 - 54 см от линии пучка) и образует в общей сложности 3098 каналов. Диаметр каждой трубки - 1.6 см. Сама трубка изготовлена из аллюминизированного каптона с позолоченным вольфрамовым проводом, натянутым по центру. Трубки заполнены газовой смесью на основе Аг/СОг/СНд. Использование конструкции такого типа минимизирует количество материала в детекторе и обеспечивает однородное электрическое поле, тем самым улучшая способность восстановления трека. Камера используется для отслеживания заряженных частиц, выходящих из мишени GlueX под полярными углами 6 - 165 . На экстремальных углах эффективность обнаружения и разрешение камеры несколько ниже за счет меньшего количества пересечений трубок. Для достижения целей физики GlueX CDC необходимо обеспечить пространственное разрешение оГф 150 мкм (перпендикулярное положение) и oz 1.5 мм (по длине провода) [17]. Также CDC требуется обеспечить измерения dE/dx, которое позволит разделить протоны и пионы с импульсами ниже 450 МэВ/с. Желаемое пространственное разрешение оГф получается путем расположения трубок специальным образом. Разрешение oz достигнуто путем размещения около трети трубок под углами ± 6 . Измерение dE/dx осуществляется с помощью считывания сигналов с трубок параллельными АЦП (fADC). Длина пути частицы в трубке далее определяется из информации о времени прихода сигналов.
В детекторе GlueX траектории частиц с достаточно маленьким поперечным импульсом будут загибаться в соленоиде, что позволит их эффективно разместить в полезном объеме детектора. В частности, CDC является единственной системой для идентификации медленных протонов (импульс порядка 450 МэВ/с). Цель измерения dE/dx в CDC требует отделения этих протонов от пионов с аналогичным импульсом. Пионы и протоны с импульсом более 450 МэВ/с регистрируются в BCAL. Все эти данные используются для идентификации частиц.
Передняя дрейфовая камера (FDC) предназначена для отслеживания летящих вперед заряженных частиц под углами 1 9 20 в магнитном поле соленоида [18]. Катодная камера со считыванием с проводов-анодов обеспечивает построение в трехмерном пространстве точки на каждом активном слое камеры. Из-за спиралевидной траектории заряженных частиц и большого количества заряженных треков, проходящих через FDC, необходимо, чтобы детектор обеспечивал достаточное количество измерений для связывания событий различных треков с высокой точностью, и обладать при этом хорошим пространственным разрешением и информацией о направлении трека частицы.
Детектор FDC состоит из четырех отдельных камер-пакетов диаметром 1.2 м. Каждый пакет состоит из шести панелей катодов с анодным считыванием. Пакеты представляют собой чередующиеся плоскости чувствительных проводов, «земли» и катодных полос, ориентированных поперек оси пучка. Соседние слои камеры повернуты на 60 по отношению друг к другу для улучшения идентификации заряженных частиц и общего разрешения. Камеры в состоянии выполнить определение х-у-позиции с разрешением около 200 мкм.
Калориметрия в детекторе GlueX играет ключевую роль для детектирования фотонов в результате распада г и к , которые, в свою очередь, могут быть получены в результате распада мезона или возбужденного бариона (N или А). Для полной кинематической реконструкции событий позиция и энергия фотонов должны быть определены с достаточной точностью и разрешением. Передний калориметр (FCAL) и электромагнитный калориметр (BCAL) выполняют в эксперименте GlueX функцию измерения распада гибридных мезонов на гамма-кванты.
Передний калориметр (FCAL) с диаметром 2.4 м представляет собой набор из 2800 блоков свинцового стекла и вакуумных фотоумножителей. Калориметр находится на расстоянии 560 см от центра мишени GlueX [19].
FCAL измеряет энергию фотонов путем детектирования черенковского излучения в свинцовом стекле - основном элементе детектора. Свинцовые стекла F8-00 хорошо зарекомендовали себя в эксперименте Е852, а вакуумные фотоумножители ФЭУ 84-3 позволяют достичь энергетического разрешения оЕ/Е = 5.5/л/Е. Временные алгоритмы оцифровывающей электроники позволяют разрешить временные параметры ливня с точностью около 150 пс, тем самым минимизировав фоновые события.
ФЭУ калориметра находятся в магнитном поле соленоида порядка 0.02 Тл. По этой причине светосбор со сцинтилляторов осуществляется с помощью цилиндрических световодов, а сами фотодетекторы экранированы ц-металлом, снижающим магнитное поле в 20 раз.
Физическая программа эксперимента GlueX
Для точного измерения характеристик фотонного пучка используется хорошо известный в КЭД процесс - рождение электрон-позитронной пары. Поперечное сечение этого процесса в диапазоне энергий фотонов от 6 до 12 ГэВ измерено с точностью лучше 1%. Энергия фотонов определяется по величине отклонения электронов и позитронов в магнитном поле системой годоскопов (магнитном спектрометре, МС). Спектр пучка IY(E) определятся по интенсивности совпадения событий в годоскопах спектрометра. Интервал измеряемой энергии фотонов разбит на каналы в соответствии со структурой годоскопов. Соотношение значений энергии в каналах определяется геометрией спектрометра и величиной магнитного поля. Для калибровки спектрометра достаточно знать соответствие абсолютному значению энергии хотя бы одного канала годоскопа. Четко обозначенная верхняя граница спектра фотонов (рисунок 6) соответствует энергии пучка электронов ускорителя CEBAF. Положение этой границы на шкале спектрометра обеспечивает его абсолютную энергетическую калибровку. Точная энергетическая калибровка магнитного спектрометра позволяет проверять определение энергии гамма-квантов в спектрометре «меченых» фотонов. Для этого сигнал срабатывания магнитного спектрометра используется в качестве триггера для спектрометра «меченых» фотонов, и, таким образом, энергия одного и того же фотона определяется двумя спектрометрами. Эта техника также может использоваться для определения эффективности триггера спектрометра «меченых» фотонов.
Калибровка пучка фотонов в эксперименте GlueX для счетчиков «меченых» фотонов состоит в измерении энергии фотонов и относительного времени смещения; для детекторов магнитного спектрометра (МС) - энергии и временного смещения. Необходимо также вычисление абсолютной эффективности маркировки спектрометра «меченых» фотонов и относительной нормализации частоты совпадения в магнитном спектрометре и спектрометре «меченых» фотонов. Калибровка энергии фотонного пучка происходит следующим образом.
Спектр совпадений магнитного спектрометра (е+е -пара) фитируется в конечной области (12.0 - 12.25 ГэВ) эмпирической функцией с целью обнаружения конечной точки. Эта информация используется вместе со спектром энергии электронного пучка, получаемом на ускорителе для установления абсолютной шкалы энергии в магнитном спектрометре. Вычисленные таблицы на основе карты поля магнитного спектрометра и известные позиции каждого из счетчиков магнитного спектрометра используются для преобразования этой абсолютной калибровки всего спектра фотонов, охватываемых магнитным спектрометром. Похожие таблицы будут использоваться для спектрометра «меченых» фотонов, обеспечивая надежные относительные калибровки энергии этого детектора. Совпадения событий между магнитным спектрометром и спектрометром «меченых» фотонов используются для передачи абсолютной калибровки энергии этих детекторов.
Порядок относительной калибровки времени в спектрометре «меченых» фотонов и магнитном спектрометре заключается в следующем: МС снабжен вторым массивом счетчиков низкой сегментации, которые предназначены для точной синхронизации двух детекторов группы. Относительное временное смещение между этими счетчиками калибруется на основе всех возможных совпадений е+е"-пар в четырех сегментах двух детекторов с учетом синхронизации, и все дальнейшие совпадения приводятся относительно одного из счетчиков. В результате этого измеряется одно время для всех детекторов, на основании которого калибруются счетчики спектрометра «меченых» фотонов. Тот же набор калибровочных данных используется для относительной нормализации интенсивности пучка каждого счетчика спектрометра «меченых» фотонов и соответствующей частоты совпадения в МС. Абсолютная калибровка частоты фотонного пучка проводится для индивидуальных счетчиков спектрометра «меченых» фотонов с помощью счетчиков полного поглощения (СПП) на основе свинцового стекла и вакуумных ФЭУ при низкой интенсивности фотонного пучка, при котором они помещаются (частота 100 кГц при радиаторе толщиной Ю-5 Х0 и 100 пА пучке). Данные, необходимые для выполнения процедуры калибровки входят в стандартный поток данных GlueX, поэтому не требуют дополнительных инструментов анализа.
Схема расположения элементов магнитного спектрометра [61] показана на рисунке 30. Фотон образует электрон-позитронную пару в конверторе, расположенном на пучке перед дипольным магнитом. Толщина конвертора составляет 10" Хо при которой относительное искажение пучка (изменение интенсивности) менее 0.01 %. Так же предусмотрена возможность использования конвертеров толщиной 5 10" и 10" Хо для увеличения статистики магнитного спектрометра. Дипольный магнит 18D36 с однородным полем выбран в целях минимизации неопределенностей в расчетах траектории электронов и позитронов. Отклоняясь в магните, электроны и позитроны с энергией в интервале от 3.0 до 6.25 ГэВ проходят через тонкое (нержавеющая сталь, 100 мкм) выходное окно вакуумной камеры и регистрируются в сцинтилляционных годоскопах и триггерных счетчиках.
На рисунке 33 показана часть вакуумной системы линии фотонного пучка при входе в зал магнитного спектрометра. Конвертер устанавливается сразу после защитной стены, выполненной из бетона и свинцовых панелей, в специальном механизме под углом 45 к линии пучка. Механизм представляет собой цилиндр с вилкой и четырьмя ячейками, в которые вставлены тонкие алюминиевые фольги, толщина которых соответствует указанным выше параметрам. Положение вилки регулируется мотором, позволяющим устанавливать нужный конвертер в зависимости от интенсивности пучка или необходимости измерить его профиль.
Моделирование физических процессов магнитного спектрометра проведено с использованием среды Geant [62]. Узкий пучок фотонов (фотоны с х = у = рх = ру = 0) отправляется в конвертер, где моделируется производство е±-пар, дальнейший пролет через магнитное поле и вакуумную камеру к плоскости сцинтилляционного детектора. Для полного моделирования эксперимента закладываются все параметры элементов магнитного спектрометра, такие как размеры магнита и вакуумной камеры, однородность магнитного поля и расстояние между вакуумной камерой и плоскостью детектора.
В качестве магнита спектрометра используется дипольный магнит из лаборатории Брукхейвена, 18D36 (рисунок 34, слева) [63]. Выбор обусловлен наличием готового магнита с однородным полем (рисунок 35) и характеристиками, подходящими для задач эксперимента:
Радиационная стойкость «микроскопа» электронов
Сцинтилляторы с минимальной толщиной 1 мм применяются в годоскопах, предназначенных для точного измерения координат треков заряженных частиц, но проблему собирания и регистрации света с торца тонкого сцинтиллятора невозможно решить с помощью вакуумного ФЭУ. В целях исследования эффективности светосбора со сцинтилляционных тайлов в условиях работы с SiPM проведен ряд тестов. Результаты исследований показали принципиальную возможность использовать такой конфигурации сцинтилляционных тайлов в магнитном спектрометра гамма-квантов эксперимента GlueX.
Установка для исследования эффективности светосбора [75] показана на рисунке 55. В лабораторных условиях с радиоактивным источником излучения частица проходит перпендикулярно поверхности сцинтилляционного таила (1 или 2 мм пластического сцинтиллятора). Такая конфигурация экспериментальной установки позволяет без использования пучка электронов определить возможность регистрации электронов в сцинтилляционном тайле магнитного спектрометра и оценить количество регистрируемого света в случае пролета электрона по длине сцинтиллятора (10 мм). В первой части этого раздела диссертационной работы исследованы сцинтилляционные тайлы для оценки светосбора с детектора в случае минимального энерговыделения - электрон летит перпендикулярно сцинтилляционной пластине. Сцинтилляционный таил в этом случае расположен между двумя алюминиевыми пластинами с двумя соосными отверстиями. Отверстие в верхней пластине служит коллиматором для электронов от источника Sr(Y). В отверстие нижней пластины вставлено сцинтилляционное волокно, свет от которого регистрируется вакуумным фотоумножителем ФЭУ-85. Сигнал с ФЭУ через дискриминатор поступает на «ворота» АЦП и далее используется для отбора релятивистской частицы.
Экспериментальная установка для исследования светосбора с тайлов с использованием радиоактивного источника излучения Sr(Y). Электроны от источника излучения Sr(Y) имеют сплошной энергетический спектр в диапазоне от 0 до 2.26 МэВ, из которого необходимо выделить область с энергией, соответствующей минимальной ионизующей способности электрона. Регулируя порог дискриминатора, выбираются сигналы от электронов с энергией порядка 1 -2 МэВ, которые занимают область «хвоста» спектра. Спектры ФЭУ-85 со сцинтилляционным волокном для двух порогов дискриминатора представлены на рисунке 56. Сигналы с большим уровнем дискриминации соответствуют электронам с энергией больше 1 МэВ и используются в качестве триггера.
Номинальное напряжение питания подается на SiPM через стандартную схему подключения (рисунок 55). Сигнал с кремниевого фотоумножителя через усилитель и линию задержки поступает на аналоговый вход АЦП. Анализируются только сигналы, совпадающие с сигналом от триггера.
В эксперименте использовались пластиковые сцинтилляторы (Ej-212) [60] с размерами 25x10x1 и 25x10x2 мм и спектросмещающие волокна WLS (10x1x1 мм ), производства компании Saint-Gobain (BSF-91A) [65]. Спектросмещающее волокно имеет максимальную длину испускания света около 490 нм, что хорошо согласуется с областью максимальной эффективности кремниевых фотоумножителей SiPM Hamamatsu [6].
Исследованы следующие комбинации сцинтилляторов, спектросмещающих волокон и SiPM: Сборка 1. Пластиковый сцинтиллятор размером 25x10x1 мм с одним спектросмещающим волокном (10x1x1 мм ), приклеенным к торцу сцинтиллятора, и SiPM Hamamatsu S10362-11-050С с размером чувствительной области 1x1 мм . Сборка 2. Пластиковый сцинтиллятор размером 25x10x2 мм с одним спектросмещающим волокном (10x1x1 мм ), приклеенным по центру к торцу сцинтиллятора, и SiPM Hamamatsu S10362-11-050С с размером чувствительной области 1x1 мм . Сборка 3. Пластиковый сцинтиллятор размером 25x10x2 мм с двумя спектросмещающими волокнами (10x1x1 мм ), приклеенными к торцу сцинтиллятора, и SiPM Hamamatsu S10362-33-050C с размером чувствительной области 3x3 мм .
Типичный однофотоэлектронный спектр SiPM Hamamatsu с чувствительной площадью 1x1 мм (слева, вверху). Первый пик в районе 25-го канала соответствует одному фотоэлектрону. В каждом следующем пике на один фотоэлектрон больше, чем в предыдущем. Спектр SiPM Hamamatsu 1x1 мм со сборкой 1 (слева, внизу) и сборкой 2 (справа, вверху) и спектр SiPM Hamamatsu 3x3 мм со сборкой 3. Количество фотоэлектронов оценивалось по однофотоэлектронным калибровочным спектрам. Калибровка каждого SiPM осуществлялась при помощи LED с низкой интенсивностью света. Амплитуда сигнала с SiPM оцифровывалась с помощью АЦП. Характерный однофотоэлектронный спектр для кремниевых фотоумножителей с чувствительной площадью 1x1 мм представлен на рисунке 62. Расстояние между соседними пиками определяет количество каналов АЦП, приходящихся на один фотоэлектрон. Калибровки проводились для каждой серии измерений. Полученные результаты хорошо согласуются друг с другом. На один фотоэлектрон приходится около 22 каналов АЦП.
Характерные спектры для каждой сборки от источника Sr(Y) представлены на рисунке 57. Узкий пик слева в районе 50 канала АЦП - пьедестал от генератора, справа спектр SiPM. Источник излучения для каждой из сборок позиционировался по центру сцинтилляционной пластины для исключения краевых эффектов. Из полученных спектров и калибровок SiPM оценено количество фотоэлектронов для каждого варианта. Результаты представлены в Таблице 7. Таблица 7. Результаты исследования светосбора с тонких сцинтилляторов с помощью SiPM.
Исследование светосбора от релятивистской частицы в тонком сцинтилляторе с помощью SiPM и радиоактивного источника
Распределение средней толщины для каждого плеча годоскопа магнитного спектрометра представлено на рисунке 77. Позиция тайлов оптимизирована исходя из полученных распределений для каждого плеча и представлена в Приложении 2 данной диссертации. При выборе позиции таила использовались следующие принципы: суммарная средняя толщина двух тайлов должна равняться суммарной толщине двух соседних тайлов; распределение средней толщины тайлов должно совпадать для каждого плеча детектора 1974 мкм для 105 тайлов (2 мм сцинтилляторы); 985 мкм для 40 тайлов (1 мм сцинтилляторы); исключение перекоса за счёт поворота маркированных тайлов (со сцинтилляционными пластинами толщиной 1 мм). Таким образом, суммарная толщина сцинтилляционных пластин составила около 24.7 см, что укладывается в допустимую ширину и позволяет добавить прослойку между тайлами для минимизации оптического контакта. Entries 105 Mean 1974 RMS 12.42
При стыковке тайлов друг к другу без использования непрозрачного материала существует вероятность искажения сигнала с кремниевого фотоумножителя за счет оптического контакта между сцинтилляторами. В то же время добавление дополнительного материала влияет на энергетическое разрешение детектора.
При разработке выбор стоял между двумя типами материалов, которые зачастую используются в сцинтилляционной технике для обертывания и защиты от дополнительного света фотоумножителей, - тедларом и алюминизированным майларом [78]. Решающим фактором стала минимальная толщина материала, которая для майлара составляет 13 мкм.
Установка для сгибания алюминизированного майлара представлена на рисунке 78. В специальную стальную форму помещается лист майлара (рисунок 78, слева вверху). На форму устанавливается пресс и помещается на 1 час в печь при температуре 90 С (рисунок 78, справа). Готовый лист получает после охлаждения форму сцинтиллятора (рисунок 78, слева, внизу). Следует отметить, что майлар не меняет своих физических свойств до 150 С. Далее согнутые куски майлара нарезаются на 30-ти мм отрезки и отбираются для исключения дефектов.
Установка для сгибания алюминизированного майлара. В специальную стальную форму помещается лист майлара (слева, вверху). На форму устанавливается пресс и помещается на 1 час в печь при температуре 90 С (справа). Готовый лист получает после охлаждения форму сцинтиллятора (слева, внизу). 3.6.5. Сборка и тестирование электроники магнитного спектрометра.
Первый тестовый фотонный пучек GlueX и ускорителя CEBAF лаборатории им. Джефферсона появился в зале спектрометра «меченых» фотонов и в экспериментальном зале в ноябре 2014 года. Установка обоих детекторов группы МС осуществлена летом - осенью 2014 года, в ходе которой было проведено их подключение согласно системной диаграмме, описываемой в части 3.4 диссертационной работы, и проведена калибровка электроники детектора до первых запусков фотонного пучка в экспериментальный зал.
Общий вид электроники парного спектрометра. Электроника состоит из 3 основных частей: (1) верхняя крышка с установленными сигнальными коннекторами (вверху) и радиаторами для охлаждения, (2) плата питания, (3) плата предусиления кремниевых фотоумножителей. Снизу представлены кремниевые фотоумножители SIPM, разделенные для уменьшения перекрестных помех. Во время подготовительных процедур и сборки магнитного спектрометра также было разработаны и собраны электронные компоненты детектора. Общий вид электроники спектрометра представлен на рисунке 79: верхняя плата с RC-коннекторами, с которой происходит считывание сигналов кремниевых фотоумножителей, и фотография собранной электроники детектора снизу, где на переднем плане - плата предварительного усиления с установленными на нее кремниевыми фотоумножителями и разделителем для исключения оптической связи между соседними фотосенсорами. За платой предусиления находится плата распределения питания и сигналов SiPM. Следует отметить, что на каждую плату установлены 4 температурных сенсора для контроля температуры кремниевых фотоумножителей. Процедура сборки регистрирующей части и электроники детектора проходит параллельно, но если регистрирующую часть реально проверить только во время пучка ускорителя, то электронику необходимо испытать в лабораторных условиях для оценки ее работоспособности.