Прототип сцинтилляционного детектора с АPD фотоприемниками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прототип сцинтилляционного детектора с АPD фотоприемниками

Дзюбенко Г.Б., Жигарева Н.М., Михайлов К.Р., Романов Д.В., Ставинский А.В., Cтолин В.Л., Полозов П.А., Прокудин М.С., Шарков Г.Б. ГНЦ РФ “Институт теоретической и экспериментальной физики”

Аннотация

В настоящей работе обсуждается прототип нового сцинтилляционного детектора с АPD фотоприемниками. Конструкция прототипа состоит из пластического сцинтиллятора с размерами 96х96х128 мм. На боковых гранях сцинтиллятора сделаны канавки, в которые уложено светосмещающее волокно. На конце светосмещающего волокна расположен фотодиод, снабженный специальным усилителем. В данной работе представлены результаты испытаний прототипа детектора на пучке протонов. Также была рассчитана эффективность регистрации нейтронов c помощью пакета GEANT3.

Ключевые слова: прототип сцинтилляционного детектора, регистрация нейтронов высокой энергии, флуктон-флуктонные взаимодействия

Abstract

This paper is telling about prototype of new scintillation detector with APD. Structure of prototype consists of plastic scintillator with 4 grooves on the lateral faces. Wavelength Shifting Fiber (WSF) laid in the grooves and photodiode provided with special multiplier on the ends of WSF. Size of plastic scintillator is 96х96х128 mm. Results of prototype testing on the proton beam is discussed in this paper. Efficiency of neutron detection was calculated using the GEANT3 package as well.

Введение

В последнее время, наряду с исследованием горячей ядерной материи на ускорителях RHIC и LHC, наблюдается возрождение интереса к исследованию ион-ионного взаимодействия при более низких энергиях. До недавнего времени получение холодной сверхплотной материи в лабораторных условиях считалось проблематичным. Решение этой задачи было предложено в программе ФЛИНТ [1,2], которая осуществляется на ускорительно-накопительном комплексе ТВН в ИТЭФ. Для исследования ядерной материи в эксперименте ФЛИНТ был предложен специальный триггер для отбора крайне редких событий. Предполагается, что создать такой триггер можно с помощью кумулятивного эффекта. При умеренных и низких температурах материя насыщена барионами, в первую очередь нейтронами и протонами. Нуклоны являются важной составляющей набора частиц, образующихся в процессах взаимодействия релятивистских ядер, что обусловлено, в основном, структурой самих ядер.

Регистрация протонов не представляет особых трудностей, в то время как в большинстве современных экспериментов по столкновению тяжелых ионов возможность регистрировать нейтроны весьма ограничена. Регистрация нейтронов сама по себе существенно расширяет возможности обнаружения новых явлений, так как отсутствие электрического заряда в ряде случаев упрощает анализ. В качестве примера можно назвать недавно возникшее предложение по изучению вихревых эффектов [3].

Сравнение наблюдаемых закономерностей образования нейтронов и протонов дает возможность изучать изотопические эффекты, причем в ряде случаев протоны и нейтроны дают более прямую информацию, чем, например, пионы. Изотопические эффекты, в частности, играют важную роль в кумулятивных процессах [4]. В корреляционных опытах, в частности для фемтоскопии, np пары могут давать информацию, принципиально отсутствующую как в pp, так и в nn парах, так как np пара состоит из нетождественных частиц и содержит вклад с нулевым полным изоспином. Кроме того, нейтроны необходимо регистрировать для идентификации некоторых странных барионов, например У^- гиперона, практически всегда распадающегося на нейтрон и пион. Таким образом, существует необходимость идентификации нейтронов. В качестве успешного примера регистрации антинейтронов с помощью калориметра можно упомянуть коллаборацию PHENIX [5].

Трудность регистрации нейтронов состоит в том, что нейтронный детектор принципиально не может быть маленьким. Во-первых, нейтрон регистрируется только по заряженным продуктам его взаимодействия с веществом детектора, поэтому вещества должно быть достаточно много. Во-вторых, заряженные продукты взаимодействия в детекторе должны быть зарегистрированы, а использование ФЭУ в качестве приемников света также значительно увеличивает размеры детектора. В результате детектор оказывается достаточно громоздким, трудно сопрягаемым с другими детекторами в крупных установках. Позиционная чувствительность специализированного нейтронного детектора, как правило, сопоставима с размерами самого детектора [6,7,8,9].

Обсуждаемый в данной работе прототип сцинтилляционного детектора с АPD фотоприемниками является одной из возможных реализаций компактной системы детектирования протонов и нейтронов в современных экспериментах по изучению столкновения ионов при высоких энергиях, в частности в эксперименте ФЛИНТ и проектируемом комплексе MPD-NICA [10].

1. Регистрация нейтронов в сцитилляционных детекторах

Широко известно, что органические жидкие и твердые сцинтилляторы являются наиболее эффективными детекторами нейтронов при высоких энергиях [11]. Эффективность регистрации нейтронов в пластических сцинтилляторах в основном определяется эффективностью регистрации заряженных частиц (a=p, d, t, б и т.д.), рожденных в реакции ¹²C(n,a) и в упругом n-p рассеянии. Для нейтронов с энергией менее 8 МэВ наибольший вклад в эффективность регистрации дает упругое n-p рассеяние, в то время как для нейтронов с энергией более 8 МэВ важную роль в эффективности регистрации играют легкие фрагменты [12]. Реакции ¹²C(n,p)¹²B, ¹²C(n,d)¹¹B, ¹²C(n,б)⁹Be, ¹²C(n,n'3б) и упругое n-p рассеяние являются основными в регистрации нейтронов с использованием жидкого органического сцинтиллятора NE213 [12]. В работе [8] было показано, что эффективность регистрации нейтронов детектором Demon (Detectour Modulaire de Neutron) в области энергий от 8 МэВ до 21 МэВ составила около 50%. Эффективность регистрации нейтронов в области энергий от 60 МэВ до 250 МэВ была исследована с помощью программы Menate [13].

Было показано, что эффективность регистрации нейтронов детектором Demon в этой области энергий плавно падает с увеличением энергии, а её величина составляет 20-30%. Кроме того, относительно недавно была исследована возможность регистрации нейтронов вплоть до энергии 1 ГэВ с использованием жидкого органического сцинтиллятора BC501A [14,15]. Эффективность регистрации нейтронов была исследована в широком диапазоне энергий нейтронов (от 150 МэВ до 1 ГэВ) и составила около 10% при толщине детектора 127 мм.

2. Описание прототипа детектора

В данной работе мы предлагаем прототип сцинтилляционного детектора с АPD фотоприемниками для регистрации протонов и нейтронов с высокой энергией (в диапазоне энергий 5-1000 МэВ), обладающий пространственным разрешением.

На рисунке 1 схематично представлен прототип сцинтилляционного детектора. Радиатор прототипа сделан из пластического сцинтиллятора и представляет собой параллелепипед с размерами 96х96х128 мм. По углам вдоль оси детектора выфрезерованны канавки, в которые на оптическом геле вклеены светосмещающие оптоволокна (тип KYRARAY, Y-11) [16] диаметром 1.1 мм. На конце каждого светосмещающего волокна прикреплен лавинный фотодиод [17], который является детектором фотонов. Сигнал с каждого фотодиода через усилитель подавался на амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП).

Рис. 1 Схема прототипа сцинтилляционного детектора с APD фотоприемниками

Для улучшения качества светосбора конструкции поверхности прототипа детектора были обернуты черной светопоглощающей бумагой, за исключением тонких полосок белой диффузно отражающей бумаги около светосмещающих волокон.

3. Испытание на пучке протонов

Первые испытания прототипа сцинтилляционного детектора с АPD фотоприемниками проводились в ИТЭФ на ускорительно-накопительном комплексе в октябре 2010 года. Основной целью данных исследований было изучение амплитудной зависимости сигнала от координаты попадания частицы в детектор. Для этого был использован пучок вторичных протонов с импульсом 2.4 ГэВ/c. Вторичные протоны образовывались на внутренней мишени ускорителя, изготовленной из тонкой бериллиевой фольги под действием первичных протонов с импульсом 3.2 ГэВ/c. Вторичные протоны, вылетающие под углом 3 градуса, проводились через магнитный тракт вторичного пучка 211, который состоит из двух поворотных магнитов и четырех квадрупольных линз. Данный пучок обеспечивает разрешение по импульсу Дp/p ~ 1%.

Схема экспериментальной установки для испытаний прототипа сцинтилляционного детектора представлена на рисунке 2. Пучок протонов проходил через систему сцинтилляционных детекторов S1 (размер 10х100х100 мм) и S2 (размер 10х200х200 мм). Координаты протонов контролировались с помощью двух пропорциональных камер с1 и с2. Точность измерения координаты X и Y системой пропорциональных камер составляла 0.1 мм. Триггером являлось совпадение по времени сигнала с детекторов S1, S2 и еще двух сцинтилляционных детекторов (не показаны на рис. 2), которые находились раньше по пучку на расстоянии 10 метров.

Рис. 2 Схема экспериментальной установки для испытаний прототипа детектора

Система сбора экспериментальной информации представляла собой каркас CAMAC контроллером [18], который управлялся персональным компьютером с системой сбора информации MES [19-21]. Сигналы с каждого из четырех лавинных фотодиодов обрабатывались в АЦП и считывались в компьютер. В работе использовались 12-ти канальный АЦП LeCroy 2249A [22]. Также считывалась в компьютер полученная с помощью пропорциональных камер информация о координатах частиц, проходивших через прототип детектора.

На рис.3 представлен типичный амплитудный спектр с одного из диодов. Хорошо видны пики от отдельных фотоэлектронов. Это амплитудное распределение по форме подобно распределению Пуассона. Хорошо видны пики от отдельных фотоэлектронов, их более 20. Максимум распределения для разных диодов соответствовал восьми или девяти фотоэлектронам. Это означает, что в данной конструкции прототипа удалось собрать не слишком много света, что подтверждается и шириной амплитудных распределений около 50%.

На рис.4 представлена зависимость амплитуды каждого из четырех диодов от положения (координаты) частицы в прототипе детектора.

Рис. 3 Амплитудный спектр для одного из диодов

Рис. 4 Зависимость амплитуды диода от положения частицы в детекторе

Координаты x и y соответствуют координатам в пропорциональных камерах. Видно, что при приближении к месту расположения светосмещающего волокна амплитуда возрастает в несколько раз. Таким образом, наблюдается позиционная чувствительность данного прототипа детектора к координатам прохождения частицы через детектор.

Для определения пространственных (позиционных) характеристик прототипа сцинтилляционного детектора с АPD фотоприемниками были построены отношения амплитуд диодов в зависимости от диагональных координат, расположенных в противоположных (A₁/A₃ на левой части рисунка 5 и A₂/A₄ на правой части рисунка). Ошибки на указаны только статистические, которые были менее одного процента (меньше размера символа). Для наглядности на представлена аппроксимация экспериментальных точек экспоненциальной функцией:

Рис. 5 Отношение амплитуд диодов в зависимости от расстояния внутри прототипа детектора.

(1)

где R отношение ампитуд (A₁/A₃ или A₂/A₄), u (или v) - координата вдоль диагонали, S обратный наклон и C - константа. Из рисунка 5 видно, что экспериментальное поведение отношения амлитуд в зависимости от диагональных координат с достаточной точностью следует экспоненциальной функции.

Характер зависимости амплитуды сигнала от координаты точки попадания частицы и ширина амплитудного распределения определяют пространственное разрешение прототипа детектора. Для количественной оценки пространственного разрешения детектора в отдельном событии была построена разность координат частиц, полученных с помощью отношения амплитуд, и координат в пропорциональных камерах. Для этого диагональные координаты u и v, вычисленные по формуле 1 с учетом параметров аппроксимации, пересчитывались в систему координат пропорциональных камер x и y. Результаты представлены на рисунке 6.

Рис. 6 Распределение разности координат пропорциональной камеры и прототипа сцинтилляционного детектора

Среднеквадратичные ширины на полувысоте распределения составляют для координаты x ~2.6 см и для координаты y ~2.2 см. Разница этих значений связана с индивидуальными особенностями используемых в прототипе диодов. Таким образом, для индивидуального события в данном прототипе в результате анализа было получено пространственное разрешение масштаба 2.5 см. Для улучшения этого разрешения требуется усовершенствовать систему сбора света. Например, увеличить диаметр светосмещающего волокна и увеличить площадь фотоприемника на основе лавинного диода. Другим вариантом может служить детектор шестигранной формы со светосбором по углам шестиугольника. Такие работы ведутся в настоящее время нашей группой.

4. возможное применение детектора

Детектор, выполненный на основе предложенного в данной работе прототипа сцинтилляционного детектора с АPD фотоприемниками, может быть использован в современных экспериментах в качестве составной части компактной системы детектирования протонов и нейтронов в широком диапазоне энергии (от 150 МэВ до 1 ГэВ). Одним из возможных применений детектора (в дополнении к эксперименту ФЛИНТ [1,2]) может служить проект NICA MPD [10]. В данном случае, можно разместить кольцо из сцинтилляционных детекторов внутри магнита установки MPD, которое позволит регистрировать нейтроны в центральной области быстрот. Для первых оценок реалистичности применения сцинтилляционного детектора с АPD фотоприемниками в проекте NICA MPD [10] было проведено моделирование в рамках официального пакета NICA ROOT [23]. Предварительные оценки эффективности регистрации нейтронов с помощью предложенного прототипа сцинтилляционного детектора с АPD фотоприемниками с использованием GEANT3 показали, что эффективность составляет около 13% (для детектора с толщиной 128 мм). На рисунке 7 изображено поведение эффективности регистрации нейтронов в зависимости от их кинетической энергии при условии, что основной вклад вносит нейтрон-протонное упругое рассеяние. Результаты приведены для разных порогов энергии, оставленных нейтронами в детекторе (0.5, 1.0 и 2.0 МэВ). Видно, что в области энергий нейтронов от 100 МэВ до 1 ГэВ эффективность остается практически постоянной. С уменьшением энергии ниже 100 МэВ эффективность регистрации растет. Зависимость эффективности (с учетом разницы в толщине) данного детектора от энергии нейтронов подобна зависимости для детектора DEMON [8]. При этом известно, что GEANT3 не слишком хорошо описывает процессы взаимодействия нейтронов с веществом в области энергий ниже 100 МэВ.

Рис. 7 Эффективность регистрации нейтронов для разных значений потерь энергии нейтронов в предложенном прототипе детектора. Сплошная линия соответствует порогу 0.5 МэВ, пунктирная - 1 МэВ и штрихпунктирная 2 МэВ

Моделирование отклика детектора MPD [23] (в рамках пакета NICA ROOT [24]) показало реалистичность регистрации У⁺>nр⁺ и У^->nр^- в столкновении ядер золота при энергии 4 ГэВ на нуклон в системе центра масс. При этом в качестве детектора нейтронов использовался данный прототип с пространственным разрешением в 2.5 см и временным разрешением в 300 псек.

При регистрации нейтронов одним из основных фоновых эффектов является эффект кросс-ток [25]. Предложенная конструкция детектора благодаря своим компактным геометрическим размерам (10х10 см) и внутреннему пространственному разрешению (масштаба 2.5 см) позволяет эффективно бороться с этим эффектом и практически исключить ошибку в импульсе из-за неопределенности угла вылета. Для этого предполагается использовать ограничение по координате зарегистрированной частицы внутри детектора.

В качестве физической мотивации необходимости создания нового сцинтилляционного детектора с АPD фотоприемниками можно привести следующие преимущества, которые появятся с возможностью регистрации нейтронов. Регистрация нейтронов позволит расширить список измеряемых барионов и антибарионов (n, У⁺>nр⁺, У>nр^-, и соответствующие антибарионы). Появится возможность изучать изотопические отношения выходов частиц, таких как n/p, У/p. Изучение изотопических эффектов методами фемтоскопии (nn, np, pp, nУ, pУ) станет доступным. К тому же, возможность регистрации нейтронов является одной из ключевых для изучения холодной плотной ядерной материи [4], которая, предположительно, реализуется в нейтронных звездах.

сцитилляционный детектор нейтрон протон

Заключение

В данной работе описана конструкция и представлены первые результаты испытаний прототипа сцинтилляционного детектора с АPD фотоприемниками, предназначенного, в частности, для эксперимента ФЛИНТ [1,2]. Из экспериментальных данных, полученных в ходе тестов на пучке протонов, отчетливо видно, что амплитуда сигнала в прототипе детектора существенно (в 3-5 раз) меняется по мере изменения координаты прохождения частицы внутри прототипа. Таким образом, предложенная конструкция обладает позиционной чувствительностью.

Несмотря на небольшое количество света (8-9 фотоэлектронов в максимуме амплитудного распределения), собираемое системой из свето-смещающего волокна и лавинного фотодиода, удалось получить пространственное разрешение масштаба 2.5 см (для протонов) при поперечном размере детектора 10х10 см. Тем самым подтверждено предположение о возможности создания компактного позиционно-чувствительного детектора по данной технологии. Обладая позиционной чувствительностью, детектор, выполненный на основе предложенного прототипа, позволит уменьшать эффект кросс-токов, что важно для нейтронной фемтоскопии. В настоящее время разработаны и реализуются предложения по улучшению свойств прототипа.

Список литературы

Алексеев И.Г., и др., ЯФ 71, 1-12, (2008).

Алексеев И.Г., и др., ПТЭ, № 4, с.5-12, (2008).

Rogachevsky O., Sorin A. and Teryaev O., Phys.Rev. C82, 054910 (2010).

Воробьев Л.С., Лексин Г.А., Ставинский А.В., ЯФ том59, №4694-700,(1996).

Pinkenburg C. (for PHENIX Collaboration), J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 30, S1201-S1205, (2004).

Батурин В.Н. и др., Препринт ЛИЯФ №594, (1980).

Баюков Ю.Д. и др., Препринт ИТЭФ-159, (1980).

Tilquin I. et al., Nucl. Instrum. Methods A365, 446, (1995).

Blaich Th. et. al. (LAND collaboration). Nucl. Instrum. Methods A314,136-154, (1992).

Abraamyan Kh.U. et. al., Nucl. Instrum. Methods A628, 99-102, (2011); http://nica.jinr.ru/files/Wh_Paper_db9-3.pdf

Mouatassim S., Costa G.J., Guillaume G., Heusch B., Huck A. and MoszyImage M., Nucl. Instrum. Methods A 359, 530, (1995).

Moszynski M. et al., Nucl. Instrum. Methods A343, 563, (1994).

Desesquelles P. et al., Nucl. Instrum. Methods A307, 336, (1991).

Satoh D., Sato T., Endo A., Yamaguchi Y., Takada M. and Ishibashi K., J. Nucl. Sci. Technol., 43, 714-719, (2006).

Satoh D., Kurosawa T., Sato T., Endo A., Takada M., Iwase H., Nakamura T., Niita K.. Nucl. Instr. and Meth. A583, 507-515 (2007).

Kuraray America Inc., 200 Park Ave., NY 10166, USA.

Camac. A Modular Instrumentation System for Data Handling. Euroatom Report, EUR-4100E, (1969).

Горбунов Н.В. и др. Препринт ОИЯИ Р10-85-954, (1985).

Горбунов Н.В. и др. Препринт ОИЯИ Р10-85-955, (1985).

Горбунов Н.В. и др. Препринт ОИЯИ Р10-85-956, (1985).

J. Pluta et al., NIM A411, 417, (1998).

Размещено на Allbest.ru