Исследование свойств прототипа электромагнитного калориметра эксперимента BTeV

• Автор: Семенов, Павел Александрович
• Шифр специальности: 01.04.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Протвино
• Количество страниц: 79 с. : ил

Оглавление
Введение

1 Электромагнитный калориметр эксперимента ВТеУ

1.1 Основные задачи эксперимента ВТеУ

1.2 Установка ВТеУ

1.3 Электромагнитный калориметр

2 Описание и характеристики установки для изучения свойств прототипа электромагнитного калориметра ВТеУ

2.1 Канал и система мечения

2.1.1 Параметры канала 2Б

2.1.2 Система прецизионного измерения импульса пучковой частицы

2.1.3 Состав электронного пучка

2.2 Прототип электромагнитного калориметра
2.3 Система сбора данных
2.3.1 Архитектура и электроника системы сбора данных
2.3.2 Формат данных и характеристики электроники
2.4 Мониторная система
3 Исследования энергетического и координатного разрешения прототипа электромагнитного калориметра
3.1 Измерения однородности светосбора в кристаллах РЫУО
3.2 Энергетическое разрешение
3.3 Зависимость световыхода кристалла от температуры
3.4 Поперечный профиль ливня и координатное разрешение
3.4.1 Поперечный профиль электромагнитного ливня
3.4.2 Координатное разрешение
4 Исследования радиационной стойкости кристаллов РЬУ04
4.1 Радиационные повреждения в кристаллах РЬУ
4.2 Облучение электронами
4.3 Облучение высокоэнергичными пионами
4.4 Поведение кристаллов при сверхвысоких мощностях доз
Заключение

Введение
BTeV - новый эксперимент на встречных пучках в Фермилабе, США. Целью эксперимента является поиск явлений, выходящих за рамки Стандартой Модели (СМ), и прецизионное измерение параметров СМ, таких как углы смешивания в матрице Кабиббо-Кобаяши-Маскава. Конкретно предлагаются измерения СР-нарушения, редких распадов и смешивания адронов, содержащих бис кварки.
Для реконструкции фотонов конечного состояния в состав детектора BTeV входит электромагнитный калориметр. Он должен обеспечивать хорошее энергетическое и пространственное разрешение, небольшой поперечный размер ливня для минимизации перекрывающихся ливней, а также быстрый сигнал для минимизации перекрытия ливней во времени. Так как некоторые из компонентов детектора BTeV будут работать в условиях высокого уровня радиации, необходимая радиационная стойкость очень важна. Требования к калориметру BTeV аналогичны требованиям к электромагнитному калориметру эксперимента CMS на LHC. Одним из материалов, который потенциально удовлетворяет требованиям эксперимента BTeV, является сцинтиллирующий кристалл вольфрамата свинца (PbW04).
Актуальность изучаемых задач
Изучение СР-нарушения является сегодня одним из наиболее актуальных направлений физики высоких энергий. Ключевым моментом в таких измерениях является точность. Стабильность характеристик детектора вносит существенный вклад в предельную точность измерений. Как показали исследования CMS и ALICE, кристаллы Pb'V04 обладают очень хорошим энергетическим и координатным разрешением. Но насколько стабильны их характеристики? Кроме того, эти исследования проводились не фоне постоянно развивающейся технологии производства кристаллов PbW04 , что не позволяет однозначно сравнивать их характеристики при проектировании нового детектора. Необходимо было провести систематическое исследование широкого спектра характеристик кристаллов, произведенных с учетом последних достижений технологии разных производителей.
В отличие от CMS, электромагнитный калориметр детектора BTeV не находится в сильном магнитном поле. Поэтому, в качестве фотодетектора выбран фотоумножитель, который обеспечивает лучшее энергетическое разрешение, чем фотодиод или фототриод, используемый в CMS. Кроме того, CMS исследовал свойства радиационной стойкости кристаллов, в основном, с помощью радиоактивных источников, и не ясно было, как ведут себя кристаллы при облучении высокоэнергичными частицами.

Исследование энергетического и координатного разрешений прототипа электромагнитного калориметра с фотоумножителем в качестве фотоприемника и радиационной стойкости кристаллов РЬУ04 при облучении их частицами ГэВ-ных энергий явилось новой и актуальной задачей.
Цель работы
Целью данной работы является прецизионное исследование свойств прототипа электромагнитного калориметра на основе кристаллов вольфрамата свинца нескольких производителей (Китай - Шанхайский институт керамики и Пекин, Россия - Апатиты и Богородицк) и сравнение полученных результатов с данными моделирования по методу Монте-Карло.
Основные пункты программы измерений:
• Энергетическое разрешение для электронов с энергиями 1 - 45 ГэВ
• Координатное разрешение в той же области энергий
• Однородность светосбора вдоль кристалла
• Зависимость световыхода от температуры
• Свойства радиационной стойкости при облучении электронами, пионами и смешанным спектром частиц.
Научная новизна и практическая ценность работы
Полученные энергетическое и координатное разрешение являются лучшими в мире для кристаллов такого типа.
Впервые в мире проведены измерения радиационной стойкости кристаллов при облучении высокоэнергичными электронным и адронными пучками, а также смешанным спектром частиц, с новой остротой поставившие проблему радиационной стойкости РЬУ04 .
Результаты работы вошли в отчетные и проектные документы коллаборации ВТеУ. Для проверки свойств кристаллов нескольких производителей на ускорителе У-70 была создана специализированная установка, включающая прототип электромагнитного калориметра и систему прецизионного измерения импульса пучковой частицы (стр/р = 0.13% при энергии 45 ГэВ, когда многократное рассеяние пренебрежимо мало).
В работе предложена и опробована система мониторнрования изменения прозрачности кристаллов от радиации на основе нескольких светодиодов разной длины волны.

ADC counts
Time, hours
Рис. 2.16: (а) Спектр a-источника, набранный за 1.5 часа. Sigma/mean = 2.3% при фнтировании гауссом. (Ь) Нормированный сигнал от а в зависимости от времени. Каждая точка соответствует 15 минутам измерения.