По физике на сцинтилляционный счетчик

Электромагнитные спектрометры на основе ориентированных прозрачных

кристаллов

1 - Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Отдел физики высоких энергий 2 - Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

В.А. Басков1, В.В. Ким1, Б.И. Лучков2, В.А. Хабло1, В.Ю. Тугаенко2

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

1

Введение

Экспериментальные установки, эксплуатирующиеся на современных ускорителях высоких энергий, содержат как отдельные спектрометры так и ”стенки” спектрометров полного поглощения, которые регистрируют e?, e+ и ?-квантов , образовавшиеся в мишени при взаимодействии с ней первичного пучка или при столкновении встречных пучков. Основными целями таких систем являются определение энергий и координат частиц для последующего восстановления распавшихся частиц и дальнейшего понимания механизма взаимодействия. Увеличении энергии ускорителей приводит к увеличению продольных размеров спектрометров, которые в свою очередь приводят к ухудшению энергетического и пространственного разрешений спектрометров из-за возникновения неоднородностей, приводящих к потерям света. Применение в экспериментальных установках спектрометров нового типа –спектрометров направленного действия на основе ориентированных кристаллов (СНД) представляется очень интересной и актуальной возможностью. СНД – спектрометры полного поглощения, регистрирующие e--, e+ или ?-кванты в заданном направлении. СНД представляют из себя: - спектрометры с ориентированными непрозрачными или прозрачными кристаллическими конверторами, располагающиеся перед входом частиц в спектрометры; спектрометры на основе непосредственно прозрачных кристаллов. Кристаллографическая ось конвертора должна быть направлена на источник частиц – на мишень.

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

2

Введение

Рис. 1 Схема спектрометров направленного действия (СНД), регистрирующих e-, e+ и ?-кванты на основе ориентированных вдоль оси непрозрачных и прозрачных кристаллов.

Спектрометры направленного действия (СНД) – спектрометры полного поглощения, регистрирующие частицы, взаимодействующие электромагнитным образом (e--, e+ или ?-кванты), в заданном направлении.

Обычный спектрометр

Кристалл

e-, e+, ?

Спектрометр направленного действия на основе непрозрачного кристалла

e-, e+, ?

Спектрометр направленного действия на основе прозрачного кристалла

1-5.02.2011 г. Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011

3

Введение

а. б. Рис. 2 Схема применения спектрометров направленного действия (СНД) в экспериментальной установки: а – спектрометры полного поглощения с непрозрачным (прозрачным) кристаллическим конвертером; б – спектрометры направленного действия на основе прозрачных кристаллов.

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

4

Введение

а. б. Рис. 1 Схема применения спектрометров направленного действия (СНД) в экспериментальной установки: а – спектрометры полного поглощения с непрозрачным (прозрачным) кристаллическим конвертером; б – спектрометры направленного действия на основе прозрачных кристаллов.

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

5

Рис

3 Схема взаимодействия частицы с ориентированным (а) и разориентированным (б) кристаллом (а – постоянная решетки (lc >> a)).

Введение (Длина когерентности)

Область взаимодействия e?, e+ и ?-квантов при энергиях в десятки и сотни ГэВ с полем оси (плоскости) кристалла приводит к значительному росту сечений всех электродинамических процессов.

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

6

Введение (область «постоянного сильного поля»)

Область при углах входа частиц в кристалл ? ?? V/mc2 (? - угол между импульсом ?-кванта, электрона или позитрона и осью (плоскостью) кристалла; V – масштаб потенциала оси или плоскости; m - масса электрона; c - скорость света) получила название область “постоянного сильного поля” (ПСП) ?ПСП = V/mc2. Применимость ПСП определяется параметром ? = 2V?/m2c2, где ? – энергия e?, e+ и ?-квантов. При ? ? 1 поле оси или плоскости кристалла достигает критической величины E0 = m2c3/e? = 1.32·1016 В/см (e – заряд электрона, ? – постоянная Планка). Например, для электронов с энергией E ? 30 ГэВ и ориентации кристаллов вольфрама вдоль оси <111> с V =417 эВ ? ~ 0.8 , что в случае кристаллов Ge при ориентации вдоль оси <110> достигается при энергии электронов E = 150 ГэВ. Электромагнитные ливни, образованные e?, e+ и ?-квантов при взаимодействии с кристаллом в области ПСП (аномальные ливни) отличаются от ливней в аморфном веществе. Отличие ливней в ориентированных кристаллах (кристалл считается ориентированным, когда ? ? ?ПСП; кристалл считается разориентированный, когда ? >> ?ПСП) проявляется во всех характеристиках ливней: множестве заряженных и незаряженных частиц ливня; уменьшением радиационной длины кристалла и т. д. Изменяется также и энергетическое разрешение спектрометра, регистрирующего электромагнитные ливни, выходящие из кристаллов.

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

7

Установка

Схема установки “Каскад”, на которой исследовались характеристики ливней и их влияние на отклик спектрометра, представлена на рис. 4. Сцинтилляционные счетчики A1-A3, C1-C6 формировали триггер. Пропорциональные камеры ПК1-ПК3 использовались для определения координат входа каждого электрона в кристалл. Сцинтилляционный счетчик T предназначался для определения средней множественности заряженных частиц в ливнях, выходящих из кристалла. В работе использовались кристаллы граната толщиной 23, 50 и 130 мм (радиационная длина разориентированного кристалла граната – X0 = 14,5 мм). Ориентация кристаллов осуществлялась вдоль оси <111>. Разориентированным считался кристалл, ось которого была повернута относительно оси пучка электронов на угол ? = 20 ? 30 мрад. Мозаичность кристаллов составляла ??W ? 1 мрад. В эксперименте использовался пучок электронов с энергией Ee = 26 ГэВ с расходимостью ??? ? 0.1 мрад по основанию. Ливень, выходивший из кристалла, продолжал развиваться в СЧЛС, стоявший в 45 см за кристаллом. СЧЛС состоял из 10 независимых светоизолированных счетчиков (радиаторов) из свинцового стекла ТФ-1. Счетчики имели одинаковый размер 100?100 мм2 и толщину 1X0. Сигнал с каждого счетчика регистрировался ФЭУ-85. Для сбора оставшейся части ливня за СЧЛС был помещен черенковский спектрометр ЧC толщиной 15X0. ЧС имел шестигранный радиатор из свинцового стекла ТФ-1 с диаметром вписанной окружности 180 мм. Для снятия сигнала использовался ФЭУ-49-Б. ЧС также использовался для калибровки СЧЛС. При исследовании характеристик СНД на основе кристалла граната толщиной 130 мм для регистрации выходящей из кристалла части ливня вместо СЧЛС использовался ЧС.

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

8

Установка

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

9

А1 - А3 и С1 - С6 – сцинтилляционные счетчики формировали триггер; ПК1 - ПК3 – пучковые пропорциональные камеры определяли координаты входа каждого электрона в кристалл; Р – радиатор системы мечения; ММ – магнит системы мечения фотонов; Г – гониометр; М – кристаллическая конвертор; Т – сцинтилляционный счетчик регистрации заряженных частиц ливня; CЧЛС – составной черенковский ливневой спектрометр; ЧС – черенковский спектрометр; МСППС – многоканальный свинцово-сцинтилляционный спектрометр полного поглощения на сместителях спектра.

Рис. 4 Экспериментальная установка “Каскад”.

Рис. 5 Составной черенковский ливневой спектрометр (СЧЛС). 1 – радиатор (свинцовое стекло ТФ-1); 2 – аллюминированный майлар; 3 – черная светонепроницаемая бумага; 4 – черная изоляционная лента; 5 – ФЭУ-85; 6 – делитель; 7 – крепления радиатора, ФЭУ и делителей; 8 – корпус.

Спектрометры

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

10

1 2 3

Ось системы кристалл-ФЭУ-делитель

Ось ориентации

Рис. 6 Спектрометр направленного действия на основе прозрачного кристалла (СНД). 1 – прозрачный кристалл (гранат или вольфрамат); 2 – ФЭУ-85; 3 – делитель.

Продольное развитие электромагнитных ливней (каскадные и интегральные

кривые)

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

11

а б Рис. 10 Каскадные кривые развития электромагнитного ливня в кристалле граната и СЧЛС от электронов с энергией Ee = 26 ГэВ при разных толщинах разориентированных (а) и ориентированных вдоль оси <111> (б) кристаллов граната перед спектрометром (К - калибровка (кристалл перед СЧЛС отсутствует); <?E > - средняя энергия ливня, выделившаяся в каждом счетчике СЧЛС; T=293°K).

Продольное развитие электромагнитных ливней (эффективная толщина)

Радиационная длина аморфного вещества, в котором развивается обычный ливень, практически постоянна. Однако, при ориентации кристалла вдоль оси или плоскости, в спектрометре происходит сдвижка каскадной кривой. При фиксированной толщине кристалла это может означать изменение радиационной длины кристалла. На рис. 11 представлена зависимость “эффективной” толщины ориентированного кристалла граната от его толщины в аморфном состоянии. Видно, что в случае ориентации кристалла его “эффективная” толщина увеличивается.

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

12

Рис. 7 Зависимость “эффективной” толщины ориентированного вдоль оси <111> кристалла граната от толщины разориентированного кристалла (Eе = 26 ГэВ; T = 293?K).

Продольное развитие электромагнитных ливней (радиационная длина)

Зависимость рад. длины ориентированного кристалла вольфрама от толщины разориентированного (аморфного) представлена на рис.12. Видно, что при энергии электронов Ee = 26 ГэВ и “тонких” кристаллов (tw ? 0,5 мм) рад. длина ориентированных кристаллов в ~2 раза меньше рад. длины разориентированных кристаллов. При увеличении толщины кристалла рад. длина плавно возрастает (X’0 = X0?(tраз/tэфф)).

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

13

Рис. 12 Зависимость радиационной длины ориентированных вдоль оси <111> кристаллов граната от толщины разориентированных кристаллов (Eе = 26 ГэВ; T = 293?K).

Продольное развитие электромагнитных ливней (ориентационные

зависимости (гранат))

??

h

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

14

Рис. 7 Ориентационные зависимости энерговыделения (?E) в кристаллах граната толщиной 23 мм (?) и 50 мм (?). Штрихпунктирные линии – энерговыделения в разориентированных кристаллах. Ширина ориентационной зависимости (??) – полная ширина ориентационной зависимости какого-либо параметра развития ливня на половине высоты (h) от его максимального значения.

Продольное развитие электромагнитных ливней (ориентационные

зависимости (вольфрамат))

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

15

Рис. 8 Ориентационные зависимости энерговыделения (?E) в кристаллах вольфрамата толщиной 20 мм (?) и 30 мм (?). Штрихпунктирные линии – энерговыделения в разориентированных кристаллах.

Продольное развитие электромагнитных ливней (ширины ориентационных

зависимостей)

1. Ширины ориентационных зависимостей (??) кристаллов вольфрамата в пределах толщин tPWO ? 5X0 шире в ~2 по сравнению с аналогичными ширинами кристаллов граната. 2. ?? линейно растет с толщиной кристалла: ?? = k·tcryst, где k – коэффициент пропорциональности; tcryst – толщина кристалла, выраженная в единицах X0. Для граната kG = 1,5 мрад; для вольфрамата kPWO = 3,8 мрад. 3. Можно отметить, что коэффициент k зависит от энергии частицы E и толщины спектрометра tсп.

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

16

Рис. 9 Ширины ориентационных зависимостей (??) энерговыделения в кристаллах граната (?) вольфрамата (?) от толщины кристаллов (tкрист).

Энергетическое разрешение электромагнитного спектрометра с конвертором

из ориентированного кристалла (поведение ? при разориентированном конверторе)

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

17

Рис. 13 Зависимость среднеквадратичного разрешения ? от энергии <?E>, выделившейся в разориентированных (?) и ориентированных (?) вдоль оси <111> кристаллах граната (Ee = 26 ГэВ; T=293°K).

Энергетическое разрешение электромагнитного спектрометра на основе

прозрачного ориентированного кристалла граната и вольфрамата (поведение ? = ?/<?E>от толщины кристалла)

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

18

Рис. 14 Зависимость относительного энергетического разрешения спектрометра на основе прозрачных кристаллов граната (G) и вольфрамата (PWO) от толщины кристаллов (tкрист) (? = ?/<?E>, ? - среднеквадратичное разрешение, <?E> - средняя энергия ливня, выделившаяся в кристалле; кристалл разориентирован (?, ?); кристалл ориентирован вдоль оси <111> (?, ?) (Ee = 26 ГэВ; TW=293°K).

Энергетическое разрешение электромагнитного спектрометра на основе

прозрачного ориентированного кристалла граната (поведение ? = ?/<?E>от энергии пучка электронов)

Рис. 15 Зависимость относительного энергетического разрешения спектрометра на основе прозрачных кристаллов граната (G) от энергии пучка электронов (E) (? = ?/<?E>, ? - среднеквадратичное разрешение, <?E> - средняя энергия ливня, выделившаяся в кристалле; кристалл разориентирован (?); кристалл ориентирован вдоль оси <111> (?) (TW=293°K).

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

19

Соотношение между энергетическим разрешением электромагнитного

спектрометра с конвертором из ориентированного кристалла и шириной ориентационной зависимостью

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

20

Рис. 16 Соотношение между относительным энергетическим разрешением электромагнитного спектрометра на основе прозрачных и непрозрачных ориентированных кристаллов (? = ?/<?E>, ? - среднеквадратичное разрешение, <?E> - средняя энергия ливня, выделившаяся в кристалле) и шириной ориентационной зависимости (??) энерговыделения в прозрачных кристаллах граната (?) и вольфрамата (?) или в детекторе за кристаллами вольфрама (?) и кремния (?,Ee = 28 ГэВ) (СЧЛС – составной черенковский ливневой спектрометр толщиной 1X0) (?,?,? - Ee = 26 ГэВ, <111> , T=293?K; ? - Ee = 28 ГэВ, <110> , T=293?K).

Выводы

Существует возможность ориентировать прозрачные кристаллы. Ориентация прозрачного кристалла, как и непрозрачного, приводит к изменению радиационной длины и уменьшению продольных размеров кристалла, предназначенного для регистрации частиц данной энергии. Ширина ориентационной зависимости энерговыделения в прозрачном кристалле пропорциональна толщине кристалла. Энергетическое разрешение спектрометра на основе ориентированных прозрачных кристаллов лучше, по сравнению с разориентированными и улучшается с изменением энергии частиц. 5. Применение ориентированных прозрачных кристаллов предпочтительно при высоких энергиях, что даст возможность использовать новый тип электромагнитных спектрометров - спектрометров направленного действия, применение которых существенно уменьшит толщину регистрирующей части установки, улучшит её энергетическое разрешение.

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

21

Литература

1. U.I. Uggerhoj // Rev. of Mod. Phys. 2005. V.77. P. 1131 2. Baier V.N., Katkov V.M., Strakhovenko V.M. // Nucl. Instrum. and Methods. 1996. V. B119. P. 131. 3. Ахиезер А.И., Шульга Н.Ф. // УФН, 1987, Т.151, С.385. 4. Байер В.Н., Басков В.А., Ганенко В.Б. и др. // Письма в ЖЭТФ. 1989. №49. C. 533. 5. Басков В.А., Говорков Б.Б., Ким В.В. и др. // Краткие сообщения по физике ФИАН, 1992, № 9-10, C. 41. 6. Басков В.А., Ким В.В., Сергиенко В.И., Хабло В.А. // ПТЭ. 1990. №5. С. 58. 7. Басков В.А., Ким В.В., Лучков Б.И., Тугаенко В.Ю., Хабло В.А. // Препринт ФИАН №31, 2006, Москва. 8. Калиновский А.Н., Мохов Н.В., Никитин Ю.П. // Прохождение частиц высоких энергий через вещество, 1985, Энергоатомиздат, Москва.

21-25.11.2011 г. Научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ

22