Введение к работе
Актуальность проблемы
В конце 80-х годов, в связи со строительством новых ускорителей на встречных пучках (УНК, LHC и др.)особенно остро стала проблема с поиском новых перспективных материалов для электромагнитной калориметрии, способных работать в условиях высоких радиационных нагрузок. Требования к материалам для электромагнитной калориметрии в физике высоких энергий были довольно жесткими - кристаллы и стекла должны были обладать высокой плотностью, хорошим быстродействием и высокой радиационной стойкостью. Известно, что на LHC при энергии пучков в СЦМ 14 ТэВ светимость составит 1034см~2сек-1. Расчеты показывают, что для такой светимости в области электромагнитного калориметра CMS для псевдобыстрот \г)\ = 3 радиационная загрузка составляет 15 Gy/час и нейтронный флюенс ~ 1014п/ст2/год.
На существующих ускорительных комплексах также были востребованы радиационностойкие кристаллы для вновь создаваемых электромагнитных калориметров.
В 1993 г. на коллайдере HERA начались работы по созданию эксперимента HERMES, нацеленного на изучение спиновой структуры нуклонов с помощью поляризованных пучков лептонов и струйных мишеней протонов, дейтронов и гелия-3. Одной из важных компонентов установки HERMES должен был быть монитор светимости, расположенный в нескольких миллиметрах от первичного пучка и регистрирующий частицы от Bhabha и Moeller рассеяния в режиме совпадений. Поэтому требования к монитору светимости были довольно жесткими: высокая радиационная стойкость (> 106 рад), высокое временное разрешение (< 10 нсек), стабильная работа в течение длительного времени набора данных. Так как монитор светимости должен был располагаться в ограниченном пространстве, то активные материалы для создания электромагнитных калориметров монитора светимости (кристаллы или стекла) должны были обладать малыми радиационной длиной и радиусом Мольера для обеспечения компактности и высокого пространственного разрешения. Выбор подходящего материала и создание полномасштабного монитора светимости стали исключительно актуальной задачей.
На начало 90-х годов подходящих кандидатов для использования в ка-
честве радиационностойких радиаторов электромагнитных калориметров еще не было найдено. В разработку новых кристаллов и стекол включились ряд исследовательских групп и институтов, в том числе и Физический институт им. П.Н. Лебедева. В ЦЕРНе была организована коллаборация "Crystal Clear Collaboration", чьей целью являлась разработка и изучение перспективных кристаллических материалов для применения их на Большом Адронном Коллайдере (LHC). Группа ФИАН во главе с автором данной работы вначале вела разработку и исследования новых кристаллов и стекол в рамках программы УНК, затем продолжила исследования для экспериментов на LHC и HERA.
В 1992 - 1997 гг. исследования новых материалов проводились в содружестве с Лабораторией Резерфорда (группа проф. R. Brown) и были посвящены сцинтиллирующим фторидным стеклам. В 1992 - 1993 гг. разрабатывались радиационностойкие кристаллы для работы в эксперименте HERMES (DESY, Гамбург).
К работе группы по разработке и изучению новых материалов привлекались специалисты по выращиванию кристаллов из ИКАН, ИОФРАН, ВНИИСИМС, Института Физических Проблем и др.
Целью настоящей работы
являлись разработка и исследования новых радиационностойких материалов (кристаллов и стекол) для электромагнитных калориметров, создаваемых на современных ускорительных комплексах (УНК, LHC, HERA, ILC и др.), а также создание и ввод в эксплуатацию электромагнитного калориметра на основе тяжелых радиационностойких кристаллов NaBi{WO^j2i предназначенного для измерения светимости в эксперименте HERMES (DESY, Гамбург).
Научная новизна работы
Были исследованы новые перспективные кристаллы и стекла, предназначенные для работы на современных ускорителях. Ряд материалов: сцин-тиллирующие фторидные стекла и кристаллы BaYb2Fg были предложены и изучены впервые. С помощью вновь найденных оптимизирующих добавок была существенно повышена радиационная стойкость кристаллов CeF^ и NaBi{WOA)2.
Впервые в мире был создан, включен в состав установки HERMES и успешно эксплуатировался в течение 12 лет монитор светимости, состоящий из 2-х электромагнитных калориметров, изготовленных на основе
новых радиационностойких кристаллов NaBi(WOi)2-Научная значимость и практическая ценность работы
состоят в том, что:
Исследованы новые черенковские и сцинтилляционные кристаллы {NaBi{WO^)2i BaYb2Fg, CeFs, PbWO^), предназначенные для работы как на существующих ускорителях, так и на ускорительных комплексах нового поколения с еще большей энергией и интенсивностью пучков. Результаты исследований имеют особую значимость для подобного поиска новых кристаллов и стекол, так как заметно снижают затраты на выращивание серий опытных образцов.
Разработан и исследован новый класс сцинтилляционных материалов - фторидные стекла на основе тяжелых металлов [HfF^ и др.). Перспективность использования таких стекол определяется в первую очередь экономическими соображениями, а именно, меньшими затратами на получение модулей электромагнитного калориметра. Очевидным преимуществом фторидных стекол по сравнению с кристаллами является то, что составы стекол можно легко менять в зависимости от необходимых параметров детектора и типа регистрируемых частиц;
На примере кристаллов CeFs, NaBi(W()4)2 показано, что повышение радиационной стойкости кристаллов целесообразно проводить путем поиска оптимальных добавок в исходное сырье, что является экономически выгодным способом по сравнению с многократной очисткой компонентов исходной шихты;
Спроектированы, созданы и исследованы в электронном пучке DESY прототип монитора светимости и полномасштабные электромагнитные калориметры монитора светимости на основе новых радиационностойких кристаллов NaBi{WO^)2-
В 1995 г. монитор светимости был введен в состав установки HERMES и успешно эксплуатировался в течение 12 лет в условиях высоких радиационных нагрузок. Монитор светимости кроме основной задачи - измерения светимости эксперимента HERMES, использовался для наведения лептонного пучка на мишень, а также для измерения поляризации газовой мишени;
Радиационностойкие кристаллы NaBi(W()4)2 успешно работающие в мониторе светимости эксперимента HERMES стали широко использоваться в DESY для создания других детекторов предназначенных для работы
вблизи первичного пучка коллайдера HERA (детектор мечения электронов монитора светимости эксперимента HI и калориметр продольного поляриметра эксперимента HERMES).
По материалам работы по кристаллам PbWO^ получен патент России iV02202011 под названием "Способ получения сцинтилляционных монокристаллов вольфрамата свинца", приоритет от 24 апреля 2002 г.
Апробация работы
Материалы, изложенные в работе, доложены на международных конференциях и совещаниях: совещание "Физика на УНК" (Протвино, 25-29 сент. 1990); 2-ая Международная конференция по калориметрии в физике высоких энергий (Италия, Капри, 14-18 окт. 1991); LHC семинар (Протвино, 27-29 мая 1992); Международный семинар по тяжелым сцинтилляторам для научных и промышленных применений "Crystal 2000" (Франция, Шамони, 22-26 сент. 1992); Международная конференция по структуре бари-онов (США, Сайта Фе, 3-7 окт. 1995); Европейская конференция по люминесцентным детекторам и преобразователям ионизирующего излучения "Lumdetr'2000" (Латвия, Рига, 21-24 авг. 2000); Национальная конференция по росту кристаллов (Москва, ИКАН, окт. 2000); Научная конференция Отделения ядерной физики Российской Академии Наук (Москва, ноябрь 2000); Международные конференции по неорганическим кристаллам и их применению ("SCINT") 1995, 1999, 2001, 2003, 2007 годов.
Результаты, полученные в работе, обсуждались также на заседаниях международных коллабораций CMS, HERMES, Crystal Clear Collaboration (CERN), на научных семинарах в Лаборатории Резерфорда (Англия) и в Лаборатории Немецкий Синхротрон (DESY, Германия).
Вклад автора
Автор принимал активное и лидирующее участие на всех этапах настоящей работы. Руководил работами по исследованию новых материалов для электромагнитной калориметрии, а также по созданию и вводу в эксплуатацию монитора светимости эксперимента HERMES. Под руководством автора защищена кандидатская диссертация, входящая в этот цикл исследований.
Публикации
По результатам диссертации опубликованы в виде статей, препринтов, докладов и тезисов 33 работы, из них 17 в отечественных и зарубежных периодических изданиях, входящих в список Высшей Аттестационной Ко-
миссии РФ. Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Создание многофункциональной установки для исследования сцинтил-ляционных и оптических характеристик кристаллов и стекол.
-
Результаты исследований легирования оптимальными добавками кристаллов CeFs, NaBi{WO^j2i BaYb2F& с целью повышения их радиационной стойкости.
-
Способ повышения радиационной стойкости кристаллов PbWO^ путем их отжига в атмосфере инертных газов.
-
Результаты по измерению люминесцентных и оптических характеристик новых сцинтиллируюгцих фторидных стекол.
-
Исследования в электронном пучке DESY прототипов электромагнитных калориметров на основе кристаллов NaBi(WO^)2 и PbWO^.
-
Разработка и создание монитора светимости эксперимента HERMES на основе радиационностойких кристаллов NaBi(WO^)2-
-
Результаты измерений энергетических и пространственных характеристик электромагнитных калориметров монитора светимости в области энергий электронов 1 Ч- 6 ГэВ.
-
Разработка методики измерения светимости в эксперименте HERMES.
-
Метод определения положения лептонного пучка коллайдера HERA с помощью калориметров монитора светимости.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав основного содержания, заключения, а также списка цитируемой литературы, включающей 162 ссылки. Объем диссертации составляет 170 страниц, 72 рисунка, 12 таблиц.
