Электромагнитная калориметрия на основе радиационностойких кристаллов и стекол

• Автор: Козлов, Валентин Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 170 с. : ил.

Содержание
Введение

1 Электромагнитные калориметры в экспериментах по физике высоких энергий

1.1 Общие характеристики гомогенных электромагнитных калориметров

1.2 Требования к кристаллам, применяемым в физике высоких энергий

1.3 Современные электромагнитные калориметры на основе

сцинтилляционных кристаллов

1.3.1 Эксперимент L3

1.3.2 Эксперимент KTeV

1.3.3 Эксперименты Belle и ВаВаг

1.3.4 Эксперимент CMS

1.3.5 Эксперимент ALICE
1.3.6 Эксперимент BTeV
1.4 Электромагнитная калориметрия на основе черенковских кристаллов
2 Экспериментальные установки для исследования люминесцентных и оптических характеристик кристаллов и стекол
2.1 Определение световыхода сцинтилляционных кристаллов и стекол
2.2 Определение времени высвечивания сцинтилляционных кристаллов и стекол
2.3 Радиационные повреждения в кристаллах
2.4 Измерение оптического пропускания и радиационной стойкости кристаллов
2.5 Измерение радиационной стойкости кристаллов для малых доз облучения
в режиме on-line
2.6 Методы выращивания неорганических монокристаллов
3 Перспективные сцинтилляционные кристаллы для электромагнитных калориметров
3.1 Фторидные кристаллы CeFs
3.1.1 Световыход и время высвечивания кристаллов CeF3
3.1.2 Радиационная стойкость кристаллов CeF
3.2 Кристаллы вольфрамата свинца PbWOi
3.2.1 Оптические и люминесцентные характеристики кристаллов PWO,
выращенных во ВНИИ Синтеза Минерального Сырья
3.2.2 Радиационная стойкость кристаллов PWO
3.2.3 Исследование прототипа электромагнитного калориметра на основе кристаллов PWО в электронном пучке
4 Радиационностойкие черенковские кристаллы
4.1 Черенковские фторидные кристаллы BaYbF
4.2 Кристаллы вольфрамата натрия - висмута NaBi(W6)4)2
4.2.1 Улучшение оптических характеристик и радиационной стойкости
кристаллов NaBi(yVOÀ)î

4.2.2 Расчеты энергетического разрешения электромагнитного калориметра на основе кристаллов МВУ методом Монте-Карло
5 Тяжелые сцинтиллирующие фторидные стекла
5.1 Сцинтиллирующие фторидные стекла - новые материалы для электромагнитных калориметров
5.2 Исследование люминесцентных и радиационных характеристик фторид-ных стекол
5.3 Повышение радиационной стойкости и световыхода фторидных стекол
5.4 Расчеты характеристик электромагнитного калориметра на базе фторидных стекол методом Монте-Карло
6 Установка HERMES на коллайдере HERA
6.1 Физическая задача
6.2 Поляризованный лептонный пучок
6.3 Газовая струйная мишень
6.4 Детектор HERMES
6.5 Задачи монитора светимости
7 Разработка и создание монитора светимости эксперимента HERMES
7.1 Оптимизация длины радиатора электромагнитного калориметра
7.2 Исследование прототипа монитора светимости в электронном пучке
7.3 Изготовление и процедура контроля кристаллов NaBi(WOi)2
7.4 Конструкция монитора светимости
7.4.1 Система мониторирования
8 Работа монитора светимости в составе установки
HERMES
8.1 Калибровка и тестирование монитора светимости в электронном пучке
8.2 Система триггера и сбора данных
8.3 Реконструкция координат и энергий частиц, попадающих в монитор светимости
8.4 Калибровка с использованием событий упругого рассеяния электронов на ядрах мишени
8.5 Измерение светимости в эксперименте HERMES
8.6 Дополнительное применение монитора светимости
8.6.1 Определение положения первичного лептонного пучка
8.6.2 Измерение поляризации мишени с помощью монитора светимости
8.6.3 Определение плотности газовой мишени
Заключение
Благодарности
Литература

Введение.
В современных экспериментах в области физики высоких энергий в качестве детекторов, измеряющих энергию электронов и фотонов, применяются электромагнитные калориметры. В гомогенных (однородных) электромагнитных калориметрах радиатор является активным детектором, преобразующим выделенную в нем энергию в сцинтилляционный свет, черенковское излучение или электрический заряд.
В дальнейшем будут рассматриваться только гомогенные электромагнитные калориметры на основе неорганических кристаллов (сцинтилляторов и черенковских радиаторов).
Как правило, электромагнитные калориметры на базе сцинтилляцион-ных кристаллов обеспечивают лучшее энергетическое разрешение в широком интервале энергий электронов и фотонов.
В течение ряда лет сцинтилляционные кристаллы Nal(Tl) были единственными для использования в многоканальной электромагнитной калориметрии. Эксперимент Crystal Ball, основу которого составляли 732 кристалла Nal(Tl), ярко продемонстрировал возможности калориметра с высоким энергетическим разрешением при исследованиях рождения очарованных частиц [1]. Надо отметить, что использование кристаллов Nal(Tl) в электромагнитной калориметрии существенно ограничивалось из-за их сильной гигроскопичности, а также больших радиационной длины и радиуса Мольера.
В связи с увеличением размеров экспериментов в электромагнитной калориметрии стали использоваться более плотные кристаллы CsI(Tl) и BiGe%Oi2 (ВGO). На базе этих кристаллов были созданы электромагнитные калориметры для прецизионного измерения энергий электронов и фотонов в экспериментах на е+е~ коллайдерах: L3 (.BGO); Belle и ВаВаг (CsI(Tl)) [1]. Однако серьезным недостатком кристаллов CsI(Tl) и BGO было медленное высвечивание. Очевидно, что электромагнитные калориметры, создаваемые для новых коллайдеров, должны обладать высоким быстродействием, позволяющим уменьшить эффект наложения событий ("pile-up").
"Быстрые"сцинтилляторы, такие как BaF (г яз 0.6 не) и CeFz (т яз 30 не), рассматривались как возможные кандидаты для использования в качестве радиаторов электромагнитных калориметров на коллайдерах SSC и LHC, однако эти кристаллы-фториды достаточно дороги [2].

lead
shelving
diaphragm
НУ power supply r НУ power supply
РМТ 4 } PMT
START STOP Canberra
Canberra 3002-0 sample
Рис. 4: Блок-схема установки для определения времени высвечивания сцин-тилляционных кристаллов.
сцинтилляций уменьшается во времени. Временное распределение измерялось относительно сигнала "Старт", который получался от исследуемого кристалла, присоединенного к фотоумножителю 114125(5 с кварцевым окном.
Исследуемый кристалл, облученный 7—квантами от источника 137Сз, находился на расстоянии 4 см от фотоумножителя 114125(5, включенного в канал "Стоп". Диафрагма перед этим ФЭУ позволяла регулировать световой поток от сцинтиллятора для того, чтобы система работала в режиме счета фотонов. Кроме того, для улучшения разрешающего времени системы согласно метода “раздельного сцинтиллятора" предложенного в работе [46], в канале “Старт” использовался быстрый кристалл ВаР,2 с временем нарастания сигнала 0.6 нсек. Кристалл БаК2 и исследуемый кристалл при этом облучались аннигиляционными 7—квантами от источника 22Уа.
Радиоактивный источник и "быстрый" сцинтиллятор были помещены внутри корпуса с фотоумножителем канала "Старт", так что геометрия этого канала была постоянной и не изменялась при замене исследуемого образца.