WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

МУСИЕНКО Юрий Васильевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ

ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАЛОРИМЕТРА

ЭКСПЕРИМЕНТА

“КОМПАКТНЫЙ МЮОННЫЙ СОЛЕНОИД”

01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Институте ядерных исследований

Российской академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Ю.Г. Куденко

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Г.М. Гуревич

доктор физико-математических наук

В.В. Куликов

Ведущая организация:

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (г. Новосибирск).

Защита состоится ___27___ноября________2008 года в __15_ часов

на заседании диссертационного совета Д 002.119.01 Института ядерных исследований РАН по адресу: 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерных исследований РАН.

Автореферат разослан __27____октября _______2008 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.119.01

кандидат физико-математических наук Б.А.Тулупов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Лавинные фотодиоды (ЛФД), разработанные и исследованные в данной работе, предназначены для использования в качестве фотоприёмников электромагнитного калориметра (ECAL) эксперимента Compact Muon Solenoid (CMS) на ускорителе Large Hadron Collider (LHC) (The CMS experiment at the CERN LHC. 2008 JINST 3 S08004). Одной из основных задач эксперимента CMS является исследование процессов, нарушающих электрослабую симметрию, в частности, поиск бозона Хиггса, предсказанного Стандартной Моделью (СМ) элементарных частиц. В случае малой массы Хиггса (МH<150 ГэВ), его основной модой распада является распад H. Если же масса Хиггса лежит в пределах 140< МH <700 ГэВ, он в основном должен распадаться (через W и Z бозоны) на лептоны, в том числе, на электроны и позитроны. И в первом, и во втором случае роль ECAL для обнаружения и изучения бозона Хиггса является определяющей. Кроме того, ECAL будет играть важную роль в поиске процессов, связанных с новой физикой (новые калибровочные бозоны W’ и Z’, дополнительные размерности и т.д.), а также при детектировании суперсимметричных частиц (например, глюино и скварков, через их каскадные распады) (Н.В. Красников, В.А. Матвеев. Поиск новой физики на большом адронном коллайдере. УФН 174 697 (2004)).

Для выполнения этих задач ECAL должен обладать высоким энергетическим разрешением (E/E<0.6% при Е>100 ГэВ), стабильно работать в течение длительного времени (> 10 лет) при при высоких дозах радиации. Условия проведения эксперимента CMS предъявляют жёсткие требования к фотоприёмникам, которые должны обладать высокой радиационной стойкостью, способностью работать в сильных магнитных полях (до 4 Тл), слабой чувствительностью к заряженным частицам, низким шум-фактором, высоким быстродействием (время нарастания сигнала <10 нсек, частота срабатывания >40 МГц). Они также должны обладать широким динамическим диапазоном чувствительности к входным световым сигналам (>105), высокой квантовой эффективностью в области спектра высвечивания кристаллов PbWO4 (400-500 нм), слабой чувствительностью к изменениям температуры и напряжения, а также высокой надёжностью и стабильностью работы в течение всего эксперимента CMS (>10 лет). Сильное магнитное поле (4 Тл) в области CMS ECAL делает невозможным использование там вакуумных фотоумножителей, которые широко используются в калориметрах многих физических экспериментов. Кремниевые фотодиоды, хотя и способны работать в сильных магнитных полях, не усиливают принимаемый сигнал, что приводит к низкому энергетическому разрешению калориметра, особенно в области малых энергий частиц. К отрицательным свойствам кремниевых фотодиодов можно отнести их высокую чувствительность к заряженным частицам ("nuclear counter effect"), а также их относительно низкую радиационную стойкость. Лавинные фотодиоды усиливают фотоэлектрический сигнал и, также как и кремниевые фотодиоды, способны работать в сильных магнитных полях. Однако на момент начала работ по созданию ECAL CMS не существовало ЛФД по своим параметрам удовлетворяющим условиям проведения эксперимента CMS. Существующие на тот момент ЛФД были оптимизированы, в основном, для регистрации красного и инфракрасного света, имели малую чувствительную площадь и не обладали высокой радиационной стойкостью.

В результате проведённой работы была предложена и разработана структура кремниевого лавинного фотодиода (ЛФД), оптимизированная для применения в электромагнитном калориметре эксперимента CMS.

Основные цели работы

Основными целями настоящей работы явились разработка структуры кремниевого лавинного фотодиода (ЛФД), оптимизированной для применения в электромагнитном калориметре эксперимента CMS; разработка методики измерения параметров ЛФД, особенно тех, которые влияют на характеристики ECAL; изучение радиационной стойкости ЛФД на пучках нейтронов, протонов и гамма-квантов, разработка методики отбора радиационно-стойких ЛФД; изучение супермодуля ECAL, оснащённого ЛФД, на пучке электронов ускорителя ЦЕРН.

Научная новизна диссертационной работы

Впервые предложена и разработана структура ЛФД, оптимизированная для применения в калориметрах физики элементарных частиц. Данная структура обладает пониженной чувствительностью к заряженным частицам и радиации. Предложена и разработана новая методика измерения параметров лавинных фотодиодов, в том числе таких, как коэффициент усиления, квантовая эффективность, шум-фактор, эффективная толщина ЛФД для заряженных частиц. Продемонстрирована универсальность данной методики на примере измерения параметров ЛФД, имеющих разную внутреннюю структуру. Впервые проведены комплексные исследования радиационной стойкости ЛФД на пучках нейтронов, протонов и гамма-квантов. Результаты радиационных исследований впервые показали, что разработанные коллаборацией CMS и Hamamatsu ЛФД сохраняют работоспособность при интегральных потоках нейтронов, по крайней мере, до 21013 нейтронов/см2. Разработана совершенно новая методика отбора радиационно-стойких ЛФД, позволившая отбраковать потенциально ненадежные фотоприёмники.

Практическая ценность

ЛФД, разработанные в данной работе, могут найти широкое применение не только в качестве фотоприёмников электромагнитных или адронных калориметров, но и использоваться при построении трековых детекторов, например, на основе тонких сцинтилляционных волокон. Высокая чувствительность данных ЛФД в широкой области светового спектра, компактность, надёжность, нечувствительность к магнитным полям, высокое быстродействие делают возможным использование данных фотоприёмников в различных областях науки, техники и медицины. Весьма привлекательным, например, выглядит использование разработанных ЛФД в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и особенно в комбинированных установках, где ПЭТ проводится одновременно с МРТ (Магнитно-резонансная томография) сканированием.

Разработанная в данной работе методика измерения параметров ЛФД была использована для тестирования лавинных микропиксельных фотодиодов используемых в ближнем нейтринном детекторе эксперимента Т2К. Методика измерений и разработанные критерии отбора радиационно-стойких ЛФД, а также результаты изучения их радиационной стойкости могут быть использованы при построении экспериментальных установок физики элементарных частиц, в которых планируется использование лавинных фотодиодов (в первую очередь таких детекторов, как ALICE (ЦЕРН), NOvA (Fermilab) и PANDA (GSI)).

Личный вклад

Автор принимал активное участие на всех этапах разработки, изучения свойств, оптимизации параметров лавинных фотодиодов ECAL CMS. Им была предложена и разработана методика измерения параметров ЛФД, важных с точки зрения их использования в электромагнитных калориметрах. Продемонстрирована универсальность данной методики на примере измерения параметров ЛФД, имеющих разную внутреннюю структуру. Предложена и разработана модель для расчёта параметров лавинных фотодиодов (в том числе - после облучения ЛФД нейтронами). С помощью разработанной модели проведена оптимизация структуры ЛФД по уменьшению чувствительности ЛФД к заряженным частицам и радиации. Проведены исследования радиационной стойкости ЛФД на пучках нейтронов, протонов и гамма-квантов. Автором предложена, разработана и проверена на большом количестве (~1000) ЛФД методика отбора радиационно-стойких ЛФД. Автор участвовал в подготовке и тестах модуля электромагнитного калориметра CMS на пучке электронов ускорителя ЦЕРН.

Положения, выносимые на защиту:

  1. Методика измерения параметров лавинных фотодиодов (ЛФД).
  2. Модель для расчёта параметров лавинных фотодиодов (в том числе - после облучения ЛФД нейтронами).
  3. Разработка оптимизированной структуры ЛФД для применения в электромагнитных калориметрах (в частности для электромагнитного калориметра CMS).
  4. Исследование радиационной стойкости ЛФД в интенсивных потоках нейтронов (Е=1 МэВ), протонов (70 МэВ), а также гамма-квантов с энергией 1 МэВ.
  5. Методика отбора радиационно-стойких ЛФД.
  6. Измерение супермодуля электромагнитного калориметра CMS на пучках электронов с энергией 20-250 ГэВ.

Апробация работы

Результаты исследований неоднократно докладывались автором на различных международных конференциях, в том числе:

  1. The 1st Workshop on Electronics for LHC Experiments, Лиссабон, Португалия, сентябрь 1995 г.
  2. 2nd International Conference on New developments in Photodetection, Бон, Франция, июнь, 1999 г.
  3. The 8th Pisa Meeting on Advanced Detectors, Ла Биодола, Эльба, Италия, май 2000 г.
  4. VIII Международной конференции по методике экспериментов на встречных пучках, Новосибирск, Россия, февраль-март 2002 г.
  5. The 42nd Workshop of the INFN ELOISATRON Project “Innovative Detectors for Supercolliders”, Эриче, Италия, сентябрь 2003 г.

Публикации

Диссертация основана на результатах работ, опубликованных в период с 1996 по 2008 год в журналах “Приборы и Техника Эксперимента”, “Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A”, “European Physical Journal C”, в трудах международных конференций. Всего по теме диссертации опубликовано 20 работ из них 18 в реферируемых журналах.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 122 страницах, включая 83 рисунка, 4 таблицы и список литературы, который включает 87 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении излагаются цель и методы исследования; раскрываются актуальность, научная новизна и практическая ценность диссертации; перечисляются положения, выносимые на защиту, и приводятся фактические данные о работе и её апробации.

В Главе 1 приводится описание конструкции электромагнитного калориметра (ECAL) установки CMS, расположенного внутри сверхпроводящего соленоида, в области сильного магнитного поля (B=4 Тл). Для достижения высокого энергетического разрешения, кристалл вольфрамата свинца (PbWO4) был выбран в качестве активной среды электромагнитного калориметра. Этот кристалл является быстрым сцинтиллятором – 90% света излучается в течение первых 100 нсек, прошедших после начала вспышки. Спектр излучения PbWO4 достигает максимума на длинах волн 420-430 нм. Малая радиационная длина (0.89 см) и малый мольеровский радиус (2.19 см) кристаллов PbWO4 позволяет сделать ECAL очень компактным. Однако, PbWO4 имеет низкий световыход (~50 фотонов/МэВ) и довольно сильную температурную зависимость (-2%/°C). ECAL установки CMS – герметичный калориметр полного поглощения, состоящий из цилиндрической и двух торцевых частей (2х7324 кристалла). Цилиндрическая часть ECAL (61 200 кристаллов PbWO4) имеет внутренний радиус 1.24 м и изготовлена из кристаллов длиной 23 см (26 радиационных длин) и поперечным сечением ~22х22 мм. Торцевые части калориметра состоят из 14 648 кристаллов, имеющих длину 22 см и поперечное сечение ~28.6х28.6 см2. Перед торцевыми калориметрами расположен предливневый детектор, состоящий из двух плоскостей свинцового поглотителя (толщиной в 3 радиационной длины), за каждой из которых следуют плоскости стриповых кремниевых детекторов (шаг чувствительных стрипов 1.8 мм). Водяная система термостабилизации, имеющая два контура охлаждения, поддерживает весь ECAL при температуре 18 °C с точностью 0.1 °C.

Подробно рассмотрены свойства фотоприемников ECAL, которые должны удовлетворять физическими требованиям к электромагнитному калориметру и условиям проведения эксперимента CMS. Эти требования включают в себя:

- способность работать в сильных магнитных полях (B=4 Тл);

- высокая квантовая эффективность в области спектра высвечивания PbWO4 (QE>65%, =400550 нм);

- слабая чувствительность к заряженным частицам;

- низкий шум-фактор (F<2.5);

- высокое быстродействие (время нарастания сигнала <10 нсек, частота срабатывания >40 МГЦ);

- широкий динамический диапазон по отношению к входным сигналам (E=30 МэВ–2 ТэВ);

- слабая чувствительность к изменениям температуры и напряжения;

- высокая радиационная стойкость (слабая зависимость параметров ЛФД от накопленной радиационной дозы: 200 кРад и 21013 нейтронов/см2);

- высокая надёжность и стабильность работы в течение всего эксперимента CMS (>10 лет). Не более 0.5 % ЛФД может выйти из строя в течение 10 лет работы в условиях LHC.

В конце первой главы кратко описаны электроника считывания, системы лазерного мониторирования, охлаждения и температурного контроля ECAL CMS.

В Главе 2 рассматриваются физические принципы работы кремниевых лавинных фотодиодов, описан процесс лавинного умножения. Обсуждаются параметры лавинных фотодиодов и их влияние на энергетическое разрешение ECAL.

Зависимость энергетического разрешения калориметра, используемого в экспериментах на ускорителях, от энергии регистрируемых частиц может быть выражена в виде уравнения:

, (1)

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»