Исследование длинных сцинтилляционных счетчиков для временных измерений

• Автор: Клименко, Александр Константинович
• Шифр специальности: 01.04.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Протвино
• Количество страниц: 66 с. : ил.

1 Идентификация заряженных частиц

1.1 Детекторы черепковского излучения

1.2 Детекторы переходного излучения

1.3 Идентификация частиц по ионизационным потерям

1.4 Времяпролетныс детекторы

1.5 Сравнение методов идентификации заряженных частиц

2 Экспериментальное исследование счетчиков

2.1 Схема эксперимента и обработка данных

2.2 Характеристики счетчика с ФЭУ-115М

2.2.1 Амплитудные измерения

2.2.2 Временные измерения с формирователем CFD

2.2.3 Временные измерения с пороговым формирователем
2.3 Характеристики счетчиков с ф.э.у. ХР2020
2.3.1 Измерения со счетчиками сечением 6x2,5 см2
2.3.2 Измерения со счетчиками сечением 6x1,25 см2
2.3.3 Измерения со счетчиками сечением 2,5х2,5 см2, 5x5 см2 и 6x6 см2
2.3.4 Зависимость временного разрешения от типа светоизоляции счетчика
2.3.5 Зависимость временного разрешения от интенсивности пучка
2.4 Характеристики счетчиков с ф.э.у. Hamamatsu R6427
2.4.1 Временные измерения с формирователем CFD
2.4.2 Временные измерения с пороговым формирователем
2.4.3 Временные измерения с использованием черенковского излучения
2.5 Измерения с микроканальными пластинами (МКП)
2.6 Идентификация частиц по времени пролета
2.7 Обсуждение результатов
3 Моделирование счетчиков методом Монте-Карло
3.1 Метод Монте-Карло
3.2 Модель и ее параметры
3.3 Амплитудные характеристики
3.4 Временное разрешение
3.5 Другие зависимости
4 Заключение

Актуальность проблемы.
Проблема идентификации (определения массы) стабильных частиц является одной из самых важных и сложных в экспериментах на ускорителях. Среди способов ее решения важное место занимает метод времени пролета (Time-of-Flight или TOF). Этот метод основан на измерении скорости частицы ß — v je по времени t пролета фиксированой базы I и затем определении ее массы т по известным энергии Е или импульсу р. В релятивистской области энергий разность времен пролета для частиц с массами mi и газ и импульсом р равна

и, например, для базы I = 10 м разность времени пролета 7Г- и К-мезонов с импульсами 3 GeV/с составит всего 370 пс. Таким образом, для идентификации частиц методом TOF нужны детекторы с субнаносекундным временным разрешением.
Другой важной задачей в современных экспериментах на высокоинтенсивных пучках частиц на ускорителях или на коллайдерах с высокой светимостью является выделение частиц, принадлежащих к данному взаимодействию или распаду. Это можно сделать, если каждую частицу обеспечить временной "меткой" с субнаносекундной точностью. Для решения указанных выше проблем часто используются сцинтилляционные счетчики. Поэтому исследование временных свойств сцинтилляционных счетчиков является важной и актуальной задачей в экспериментальной физике частиц.
Новизна и практическая ценность работы.
Работа посвящена исследованию сцинтилляционных счетчиков для временных измерений. В настоящее время для целого ряда экспериментов в области физики высоких энергий требуются детекторы с очень высоким временным разрешением, например, для идентификации частиц по времени пролета. В частности, предполагается, что результаты работы будут использованы при создании системы для измерения времени пролета в эксперименте GlueX [18] (лаборатория им. Джефферсона, США) и годоскопа сцинтилляционных счетчиков для формирования быстрой временной привязки событий на установке Комплекс Меченых Нейтрино (ИФВЭ). Все это определяет практическую ценность работы.
Новизна работы состоит в том, что впервые проведено комплексное исследование характеристик длинных сцинтилляционных счетчиков в зависимости от большого количества факторов, так или иначе влияющих на их временное разрешение. ПолучеЕшые значения временного разрешения для различных счетчиков находятся на уровне лучших мировых достижений, а в некоторых случаях и превосходят их.
Создан пакет программ для моделирования сцинтилляционных счетчиков методом Монте-Карло. Результаты моделирования хорошо описывают экспериментальные данные. Моделирование позволило дополнительно исследовать влияние на временное разрешение ряда факторов, экспериментальное изучение которых затруднено. Программа может быть использована для моделирования счетчиков произвольных размеров.
Цель исследований.
Основная цель диссертационной работы — исследование временных характеристик сцинтилляционных счетчиков со сцинтилляторами длиной 2 м, которые "просматривались" с двух сторон фотоэлектронными умножителями (ф.э.у.). Изучалась зависимость временного разрешения счетчика от места прохождения частицы, толщины сцинтиллятора, типа ф.э.у., метода компенсации зависимости времени задержки сигнала в формирователе от амплитуды сигнала, а также других факторов. Кроме того, исследовались временные свойства черенковских счетчиков с радиатором из полиметилметакрилата (органического стекла) и сцинтилляционных счетчиков с микроканальными фотоумножителями отечественного производства. Создана программа моделирования процессов в сцинтилляционном счетчике методом Монте-Карло.
Поддержка данной работы.
Данная работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований, гранты РФФИ 00-15-96733, 02-02-17019 и 05-02-16557, а также Министерства Образования и Науки, грант Президента РФ для ведущих научных школ 1305.2003.2.
Апробация работы.
Основные результаты, использованные в диссертации, были представлены на международных конференциях Vienna Instrumentation Conference 2000, 2002, Colliding Beam Physics 2002, Imaging 2003 и опубликованы в четырех научных работах [28, 36, 37, 42].

потерями света в световоде.
В случаях, когда одновременно измерялись временные и амплитудные характеристики счетчиков, длина затухания Л„ и длина деградации временного разрешения Ато оказывались связаны соотношением Адд/Ац ^ 1.7 [42]. Это отличается от идеального соотношения Атк/Ац = 2, когда временное разрешение определяется лишь статистикой фотоэлектронов. Этот факт говорит о том, что на временное разрешение оказывают влияние и другие факторы, например, собственное разрешение электроники и статистика сцинтилляционных фотонов.
При измерениях со счетчиком черепковского излучения значение Ати — 83 см длины деградации временного разрешения сравнительно мало. Это может быть связано с тем, что черенковский свет испускается под небольшим углом к направлению движения частицы, вследствие чего испытывает многочисленные переотражения в длинном счетчике. При улучшении качества поверхности бруска возможно улучшение временного разрешения счетчика. Также имеет смысл применение ф.э.у. с повышенной эффективностью в ультрафиолетовой области спектра.
При измерениях с микроканальными пластинами (МКП) временные характеристики счетчика сравнимы с разрешением, полученным для этого же счетчика (со световодами) с ФЭУ-115М. МКП могут быть использованы для временных измерений в случаях, когда необходим малый размер фотоприемника, а также в условиях сильных магнитных полей, где характеристики обычных ф.э.у. существенно ухудшаются.
Временное разрешение длинных счетчиков с двумя фотоприемниками на концах в предположении идентичности их параметров удовлетворительно описывается зависимостью вида (15) с двумя параметрами а0 и