Сцинтилляционный времяпролетный годоскоп

В. И. Алексеев; Алексеев В. И.; В. А. Басков; Басков В. А.; Е. А. Варфоломеева; Варфоломеева Е. А.; В. А. Дронов; Дронов В. А.; А. И. Львов; Львов А. И.; А. В. Кольцов; Кольцов А. В.; Ю. Ф. Кречетов; Кречетов Ю. Ф.; В. В. Полянский; Полянский В. В.; С. С. Сидорин; Сидорин С. С.

doi:10.31857/S0032816224010036

Сцинтилляционный времяпролетный годоскоп

作者: Алексеев В.И.¹, Басков В.А.¹, Варфоломеева Е.А.¹, Дронов В.А.¹, Львов А.И.¹, Кольцов А.В.¹, Кречетов Ю.Ф.², Полянский В.В.¹, Сидорин С.С.¹
隶属关系:
1. Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
2. Объединенный институт ядерных исследований
期: 编号 1 (2024)
页面: 20-25
栏目: ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
URL: https://bakhtiniada.ru/0032-8162/article/view/263936
DOI: https://doi.org/10.31857/S0032816224010036
EDN: https://elibrary.ru/gbjzxe
ID: 263936

如何引用文章

全文:

详细
全文:
作者简介
参考
补充文件
统计

详细

Представлены результаты исследований характеристик модуля сцинтилляционного времяпролетного годоскопа длиной 50 см. Определено, что координатное разрешение и эффективность регистрации модуля зависят от напряжений на делителях напряжений фотоэлектронных умножителей и расстояния от точки прохождения частицы до фотоэлектронных умножителей. Тестирования модуля с помощью пучка вторичных электронов ускорителя “Пахра” Физического института им. П.Н. Лебедева РАН с энергией 20 МэВ и с помощью радиоактивного источника ⁹⁰Sr+⁹⁰Y показали, что минимальные значения координатного разрешения составили σ_x ≈ 0.1 см и σ_x ≈ 1.30 см соответственно, а эффективность регистрации достигает величины ε ≈ 53%.

全文:

1. ВВЕДЕНИЕ

С целью нового поиска аномальных лептонов, начавшегося еще в 60-х годах, на тормозном пучке фотонов c энергией до 500 МэВ ускорителя “Пахра” ФИАН создана экспериментальная установка (рис. 1) [1], в которой для определения импульса и энергии частиц, вылетающих из мишени, используется времяпролетная методика. Для определения импульса и энергии частиц используются координатные сцинтилляционные годоскопы (Г₁ и Г₂), определяющие координату частицы в горизонтальной плоскости, и сцинтилляционный спектрометр. В ранней версии установки использовался сцинтилляционный спектрометр размером 200×200×200 мм³, перед которым располагался Г_2, состоящий из 8 каналов (размер канала 20×50×5 мм³) и перекрывающий в горизонтальной плоскости область перед сцинтилляционным спектрометром, равную 16 см.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки по поиску тяжелого лептона на ускорителе ФИАН “Пахра”: Т – медная мишень; S₁ – S₃ – сцинтилляционные счетчики; Г₁ и Г₂ – сцинтилляционные годоскопы; М – постоянный магнит; СС₁ и СС₂– сцинтилляционные спектрометры.

Для увеличения энергетического диапазона регистрируемых частиц к существующему сцинтилляционному спектрометру в горизонтальной плоскости был добавлен дополнительный блок таких же размеров. В этом случае область регистрации частиц увеличилась до 40 см. Для перекрытия увеличенной области регистрации частиц и снижения количества каналов регистрации было решено использовать годоскоп с определением координаты прохождения частицы времяпролетным методом.

2. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ ГОДОСКОП

С этой целью был создан сцинтилляционный времяпролетный годоскоп (СВПГ) (рис. 2), состоящий из 8 каналов, представляющих из себя набор из 8 палочек 3 или модулей из оргстекла на основе полиметилметакрилата (ПММА) с добавкой нафталина в качестве сцинтиллятора [2]. Размер каждого модуля 1.7×50×1 см³. Модули расположены друг за другом в вертикальной плоскости, рабочие грани модуля шириной 1.7 см и длиной 50 см (1.7×50 см²) располагаются параллельно выходной грани межполюсного промежутка магнита М. Каждый модуль с противоположных торцов шириной 1 см и высотой 1.7 см просматривается двумя фотоэлектронными умножителями ФЭУ-85 6 с делителями напряжений 7, спаянными по стандартной схеме. Все грани модуля отполированы и, кроме торцевых граней, на которых расположены ФЭУ, обернуты металлизированным майларом 4 и светозащитной черной бумагой 5.

Рис. 2. Схема СВПГ: 1 – дюралюминиевый каркас, 2 – светозащитный кожух ФЭУ, 3 – сцинтилляционная палочка, 4 – металлизированный майлар, 5 – черная бумага, 6 – ФЭУ-85, 7 – делитель напряжения ФЭУ.

3. КАЛИБРОВКА СВПГ РАДИОАКТИВНЫМ ИСТОЧНИКОМ ⁹⁰Sr+⁹⁰Y

Предварительно с помощью радиоактивного источника ⁹⁰Sr+⁹⁰Y с максимальной и средней энергией электронов 2.2 МэВ и около 1 МэВ соответственно были исследованы характеристики единичного модуля. Основными целями тестирования являлись определение зависимости координатного разрешения (σ_x) и эффективности регистрации электронов (ε) от напряжений на ФЭУ (левого U_l и правого U_r) и положения радиоактивного источника (x) на рабочей грани модуля.

Схема тестирования модуля с помощью радиоактивного источника представлена на рис. 3а. За радиоактивным источником R располагался свинцовый коллиматор K (толщина 1.5 мм, диаметр отверстия 10 мм) и сцинтилляционный триггерный счетчик S₁ (размер 15×15×1 мм³) со стандартным делителем напряжения. Модуль располагался за счетчиком S₁ с рабочей гранью 1.7×50 см². Расстояние между K и рабочей гранью составляло не более 1 мм.

Рис. 3. Схемы калибровки СВПГ: а – калибровка с помощью радиоактивного источника; б – калибровка с помощью вторичного электронного пучка. S₁ и S₂ – триггерные сцинтилляционные счетчики; K – свинцовый коллиматор; C₁, C₂ – каналы СВПГ; З₁–З₄ – блоки временных задержек; Ф₁–Ф₄ – блоки формирователей со следящим порогом; СС – схема совпадений; ВЦП – время-цифровой преобразователь; Start – сигнал запуска блока ВЦП; Stop – временные сигналы с каналов C₁ и C₂ СВПГ; KK – крейт-контроллер системы CAMAC; ПС – персональный компьютер.

Сигнал Start с триггерного счетчика S₁ через формирователь Ф₁ и задержку З₁ подавался на запуск 4-входового время-цифрового преобразователя (ВЦП) (рис. 3а). На входы Анализ через формирователи Ф₂, Ф₃ и задержки З₂, З₃ подавались сигналы от двух ФЭУ, C₁ и C₂, расположенных на торцах модуля. Сигнал Start также являлся сигналом, с помощью которого через крейт-контроллер системы CAMAC проводилась запись сигналов с ФЭУ модуля в память компьютера (ПС). Время набора статистики составляло t = 300 с. При напряжении U_S1 = 1000 B на делителе напряжения счетчика S₁ рабочий счет (наличие радиоактивного источника ⁹⁰Sr+⁹⁰Y перед коллиматором K) и шумовой счет (отсутствие радиоактивного источника ⁹⁰Sr+⁹⁰Y перед коллиматором K) составляли N_p ~ 1100 c^-1 и N_ш ~ 3 c^-1 соответственно.

Типичное распределение координат при расположении радиоактивного источника по центру модуля (x = 0) показано на рис. 4а. Координатное разрешение в данной точке без вычета диаметра отверстия коллиматора составило σ_x= σ_Sr+Y ≈ 2.3 см. Распределения координат получены в два этапа. На первом этапе при заданной координате положения радиоактивного источника (в данном случае х = 0) определялись спектры времени прихода света от точки взаимодействия электронов с модулем до обоих ФЭУ. По полученным временным спектрам определялись средние времена прохождений света (<t_l(r)>) от источника до каждого из ФЭУ. На втором этапе с помощью простой формулы определялась координата положения радиоактивного источника: x = (x_l + x_r)/2, где x_l и x_r –координаты положения источника, определенные по времени прихода света от точки взаимодействия электрона с модулем до каждого из ФЭУ (x_l(r) = x₀(1– t_l(r)/<t_l(r)>), где x₀ – положение источника по центру модуля (x₀ = 25 см), t_l(r) – время прохождения света от источника до левого (правого) фотокатода ФЭУ, измеренное с помощью ВЦП (канал ВЦП), <t_l(r)> – среднее время прохождения света от источника до фотокатода ФЭУ, являющееся средним каналом временного спектра левого (правого) ФЭУ (канал ВЦП).

Рис. 4. Распределение координат, полученных с помощью модуля СВПГ, при положении по центру модуля (x = 0) радиоактивного источника (а) и счетчиков S₁ и S₂ в случае прохождения через СВПГ электронов с энергией 20 МэВ (б).

На рис. 5 представлены зависимости координатного разрешения модуля СВПГ (σ_x) от напряжения на делителях напряжения ФЭУ (1 – левого, 2 – правого) при положении радиоактивного источника по центру модуля x = 0. Диаметр коллиматора K на данном и последующих рисунках вычтен. Видно, что с увеличением напряжений на делителях напряжений ФЭУ координатное разрешение СВПГ ухудшается. Можно предположить, что хорошее координатное разрешение (σ_x ≈ 1.0 – 1.2 см) при относительно небольших напряжениях (U ≈ 800–1100 В) связано с регистрацией ФЭУ прямого света от электронного трека в сцинтилляторе модуля, т. е. в общем количестве регистрируемого света величина света, связанного с внутренним отраженным светом от граней сцинтилляционной пластины, небольшая. При увеличении напряжения (U > 1100 B) ФЭУ начинают регистрировать более слабый отраженный свет и, несмотря на увеличение общей величины отраженного света, число флуктуаций в поглощении света модулем увеличивается, что ведет к увеличению неточности в определении координаты точки регистрации электрона.

Рис. 5. Зависимости координатного разрешения модуля СВПГ от напряжений на делителях напряжения ФЭУ (1 – левого, 2 – правого) при положении радиоактивного источника по центру модуля (x = 0).

На рис. 6 представлена зависимость эффективности регистрации электронов модулем СВПГ (ε) от напряжений на делителях напряжений ФЭУ при U = U_l = U_r и x = 0

$ε = (N_{l r} / N) \cdot 100 %$

где N_lr – число отсчетов при одновременном срабатывании левого и правого ФЭУ СВПГ за время набора статистики, N – число отсчетов счетчика S также за время набора статистики. Видно, что, начиная с напряжения U ≈ 1000 B, зависимость ε от U имеет тенденцию выхода на “плато” с величиной ε ~ 9%. Ошибки величин ε (кривая 1) не превысили примерно 5%.

Рис. 6. Зависимость эффективности регистрации электронов модулем СВПГ от напряжений на делителях напряжений ФЭУ при U = U_l = U_r (x = 0) (электроны от радиоактивного источника (1); электронный пучок с энергией 20 МэВ (2)).

На рис. 7 представлено изменение σ_x модуля СВПГ в зависимости от положения радиоактивного источника на рабочей грани модуля 1 при напряжениях на делителях напряжения ФЭУ U_l = 1010 B (кривая 1) и U_r = 1120 B (кривая 2). Видно, что наилучшее координатное разрешение σ_x ≈ 1.3 см наблюдается в центре модуля (x = 0) и ухудшается к торцам до σ_x ~ 2.2 см. Диапазон изменения координатного разрешения от центра модуля к торцам составил Δσ_x ~ 1 см. Таким образом, полученное координатное разрешение оказалось не хуже ширины канала годоскопа, используемого ранее [1].

Рис. 7. Зависимость координатного разрешения модуля СВПГ от положения радиоактивного источника (1) и счетчиков S₁, S₂ (2) на рабочей грани модуля СВПГ.

4. КАЛИБРОВКА СВПГ ЭЛЕКТРОНАМИ С ЭНЕРГИЕЙ 20 МэВ

Дальнейшие исследования координатного разрешения и эффективности регистрации модуля СВПГ были продолжены с применением пучка вторичных электронов, формируемых магнитом СП-3 ускорителя “Пахра” ФИАН [3].

Схема тестирования модуля с помощью пучка вторичных электронов представлена на рис. 3б. Пучок вторичных электронов с энергией 20 МэВ формировался свинцовым коллиматором K с диаметром входного отверстия 10 мм и регистрировался сцинтилляционными счетчиками S₁ и S₂ размером 15×15×1 мм³ и модулем СВПГ. В этой схеме сигналом Start являлся сигнал со схемы совпадения (CC), которая формировала сигнал от совпадения сигналов со сцинтилляционных счетчиков S₁ и S₂. Далее, сигнал Start подавался на запуск 4-входового ВЦП. Сигналы Stop, подаваемые на входы Анализ через формирователи Ф₃, Ф₄ и задержки З₃, З₄, являлись сигналами от двух ФЭУ, C₁ и C₂, расположенных на торцах модуля СВПГ.

На рис. 4б представлено распределение координат прохождения вторичных электронов через модуль СВПГ при расположении коллиматора K и счетчиков S₁ и S₂ по центру модуля (x = 0). Координатное разрешение в данной точке без вычета диаметра отверстия коллиматора составило σ_x = σ_e ≈ 1.1 см.

На рис. 6 показана также зависимость эффективности регистрации модулем СВПГ электронов вторичного электронного пучка 2 от напряжений на делителях напряжений ФЭУ (U = U_l = U_r) при x = 0. Видно, что, как и в случае использования радиоактивного источника, начиная с U ≈ 1100 B, зависимость ε от U имеет тенденцию выхода на “плато” с величиной ε ~ 53%, т. е. примерно в 6 раз выше, чем при регистрации модулем электронов от радиоактивного источника. Это объясняется тем, что средняя энергия электронов радиоактивного источника, равная примерно 1 МэВ, полностью поглощается модулем СВПГ, но при использовании вторичного электронного пучка 20 МэВ средняя энергия, поглощенная модулем толщиной 1 см, составляет около 2 МэВ [4]. Поэтому количество света, приходящего на ФЭУ в случае электронного пучка, больше, что приводит к увеличению ε. Ошибки величин ε (кривая 2) не превысили примерно 1%.

Зависимость σ_x модуля СВПГ от положения счетчиков S₁, S₂ и K на рабочей грани модуля при напряжениях на делителях напряжения ФЭУ U = U_l = U_r = 1100 B представлена на рис. 7 (кривая 2). Наилучшее координатное разрешение σ_x ≈ 0.1 см наблюдается в центре при x = 0 с ухудшением к торцам до σ_x ~ 1.8 см. Тем не менее полученное координатное разрешение не хуже ширины канала годоскопа, который использовался первоначально [1].

При расположении счетчиков S₁, S₂ и K по центру модуля СВПГ (х = 0) была исследована зависимость σ_x от напряжений на делителях напряжений ФЭУ при U = U_l = U_r (рис. 8). Видно, что, как и на рис. 5, σ_x уменьшается при увеличении напряжений с σ_x ≈ 0.1 см при U = 1000 В до σ_x ≈ 0.5 см при U = 1300 В. Применение вторичных электронов со средней энергией 20 МэВ увеличивает σ_x в центре модуля практически на порядок.

Рис. 8. Зависимость координатного разрешения модуля СВПГ от напряжения на делителях напряжения ФЭУ при U = U_l = U_r и положении счетчиков S₁ и S₂ по центру модуля (x = 0).

Надо отметить, что на рис. 5–8 линии, описывающие экспериментальные результаты, проведены для наглядности. Погрешности полученных значений координатного разрешения на рис. 5, 7, 8 определялись процедурой подгонки координатных спектров полиномом стандартной программы OriginPro 9.0 и составили 15–20% от значений величин, представленных ни рисунках.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследования характеристик модуля СВПГ длиной 50 см на основе нафталина в метилметакрилате на электронах радиоактивного источника ⁹⁰Sr+⁹⁰Y и пучке вторичных электронов с энергией 20 МэВ наилучшие координатные разрешения при напряжениях на обоих ФЭУ U = U_l = U_r ≈ 1100 В обнаружены в центре модуля и составили σ_х ≈ 1.3 см и σ_х ≈ 0.1 см соответственно. На торцах модуля координатное разрешение хуже и достигает σ_х~ 2.2 см и σ_х ~ 1.8 см соответственно. Эффективность регистрации модуля СВПГ зависит от напряжения на делителях напряжения и достигает максимальной величины ε ≈ 53%.

Таким образом, СВПГ из 8 модулей способен определять точку прохождения заряженной частицы в горизонтальной плоскости с хорошей точностью и удовлетворительной величиной эффективности регистрации заряженных частиц. СВПГ может быть использован в установке для дальнейшего поиска “аномальных лептонов”.