WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ 2008-18

На правах рукописи

Ерин Сергей Васильевич РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ГАЗОВЫХ КАЛОРИМЕТРОВ 01.04.23 – физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Протвино 2008 УДК 539.1.07 М-24

Работа выполнена в Институте физики высоких энергий (г. Протвино).

Научный руководитель – член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор С.П. Денисов (ИФВЭ, г. Протвино).

Официальные оппоненты – доктор физико-математических наук А.Н. Сытин (ИФВЭ, г. Протвино), кандидат физико-математических наук С.Я. Сычков (ОИЯИ, г. Дубна).

Ведущая организация – Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ (г. Москва).

Защита диссертации состоится “_” 2008 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 201.004.01 при Институте физики высоких энергий по адресу: 142281, г. Протвино Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФВЭ.

Автореферат разослан “” 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 201.004.01 Ю.Г. Рябов © Государственный научный центр Российской Федерации Институт физики высоких энергий, 2008

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы Электромагнитные калориметры занимают особое место в ряду детекторов элементарных частиц. Это связано с тем, что многие частицы, исследования которых в настоящее время представляют значительный интерес, распадаются с испусканием электронов, позитронов и -квантов (например, J/e+e-, W± e±, Z e+e-, H, e+e-).

Настоящая работа посвящена разработке и исследованию газовых электромагнитных ионизационных калориметров. Подобные калориметры имеют хорошее энергетическое разрешение, высокую однородность отклика по площади, позволяют проводить электронную калибровку каналов, обладают высокой долговременной стабильностью при эксплуатации и сравнительно дёшевы. Существенное достоинство таких калориметров – большая радиационная стойкость, что особенно важно в современных экспериментах с фиксированной мишенью, использующих пучки с интенсивностью до 109 част./с, либо в коллайдерных экспериментах, например LHC, где проектная светимость составляет 1034 см-2с-1.

Применение газовых ионизационных калориметров до последнего времени сдерживалось необходимостью использования газа под давлением свыше 20 атм.

для получения приемлемых энергетического разрешения и отношения сигналшум, что вызывало удорожание детектора, а также значительное усложнение эксплуатации. Важным шагом в разработке таких калориметров было впервые предложенное нами решение использовать тяжёлый фреон C F в качестве 3 активной среды. Это позволило снизить рабочее давление до нескольких атмосфер.

Целью диссертационной работы являлось создание электромагнитного ионизационного калориметра, наполненного газом C F, и исследование его 3 характеристик в диапазоне энергий от 10 до 40 ГэВ.

Автор защищает:

Результаты исследования характеристик электромагнитных газовых калориметров, наполненных C F.

3 • Результаты исследования работы газовых детекторов, наполненных C F.

3 • Пакет программ для расчёта характеристик электромагнитного газового ионизационного калориметра, основанных на параметрической модели развития ливня, и результаты его использования для получения характеристик газовых ионизационных калориметров.

Научная новизна и практическая ценность. Впервые получены характеристики электромагнитного ионизационного калориметра, наполненного тяжёлым фреоном C F. В частности, измерено энергетическое разрешение, его зависи3 мость от энергии падающей частицы и давления газа. Изучены свойства несамостоятельного газового разряда в C F.

3 Разработана конструкция и создан электромагнитный ионизационный калориметр. Оригинальные технические решения, использованные при создании калориметра, а также результаты исследований на пучках частиц могут быть использованы при создании электромагнитных калориметров для конкретных экспериментов. Разработана программа для расчёта характеристик электромагнитного газового ионизационного калориметра, основанная на параметрической модели развития ливня. Показана возможность использования C F в детекторах 3 частиц.

Апробация работы, публикации. Основные результаты, использованные в диссертации, были представлены на международных конференциях: Instrumentation for Colliding Beam Physics (INSTR02), IMAGING 2003, IEEE 2003 NSS&MIC, обсуждались на семинарах ОЭФ ИФВЭ. По результатам выполненных исследований имеются 3 публикации [1,2,3].

Структура диссертации. Работа изложена на 96 страницах, состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 77 рисунков, 3 таблицы и список цитируемой литературы, включающий 40 наименований.

Содержание диссертации Во введении показана актуальность выбранной темы диссертации, отмечена новизна и практическая ценность результатов, сформулированы защищаемые положения, кратко описана структура диссертации.

В первой главе дан краткий обзор современных калориметрических детекторов электронов и фотонов. Рассмотрены свойства гетерогенных и гомогенных электромагнитных калориметров, их энергетическое, координатное и временное разрешения. Обсуждается влияние интеграции калориметра в экспериментальную установку на его энергетическое разрешение. Сравниваются свойства ионизационных калориметров, наполненных разными газами.

Во второй главе приведены устройство ионизационного газового калориметра, методика работы с таким калориметром, описание экспериментальной установки для изучения его свойств, процедуры калибровки и результаты измерения его характеристик в области энергий от 10 до 40 ГэВ. Приведены экспериментально измеренные зависимости отклика калориметра от энергии падающей частицы, напряжённости электрического поля, давления газа, толщины абсорбера.

Для изучения характеристик ионизационного газового калориметра были изготовлены 4 прототипа и проведены их испытания на пучке электронов на канале 2Б ускорителя ИФВЭ. Было измерено энергетическое разрешение прототипов калориметра и исследовано влияние конструкции, давления газа и высокого напряжения на разрешение. На рис. 1 представлена схема проведения эксперимента по измерению характеристик калориметра. Для создания триггера на проходящий электрон использовались сцинтилляционные счётчики S, S, S, S, S. Размер счётчика S – 1см х1см. Импульс электрона определялся 1 2 3 4 5 магнитной оптикой канала, а импульсный разброс составлял 3%.

Рис. 1. Схема эксперимента: S, S, S, S, S – сцинтилляционные счётчики, 1 2 3 4 EMC – калориметр Прототип калориметра (рис. 2, 3) представляет собой единый газовый объём (сосуд), в котором можно размещать разные сборки электродов и абсорберов. В центре переднего фланца сосуда находится отверстие с мембраной из лавсана (рис. 3) для прохождения пучка частиц. Сигналы с калориметра выводятся через вакуумноплотные разъёмы (1), расположенные на заднем фланце. Сосуд размещён на подвижной платформе. Калориметр изолирован от платформы диэлектрическими шайбами (2). Платформа позволяет перемещать прототип как вертикально, так и горизонтально относительно падающего пучка электронов с точностью ±1 мм. Изучались 4 различные структуры сборки калориметра (см. табл. 1).

Таблица 1.

Толщина абсорбера (мм) 1.5 Расстояние между сосед0.5 0.ними ячейками (мм) 5 Рис. 2. Прототип электромагнитного калориметра: 1 – вакуумноплотный электрический разъём, 2 – диэлектрические шайбы, 3 – корпус калориметра.

На рис. 3 представлено устройство калориметра. Развитие ливня от падающего электрона и регистрация сигнала происходят в сборке, которая состоит из трёх модулей (6, 7, 8), закреплённых на общей подвеске 3. На общей подвеске предусмотрены специальные юстирующие устройства, обеспечивающие зазор между модулями не более 0.1 мм. Модуль калориметра состоит из чередующихся свинцовых пластин и сигнальных электродов. Общая толщина модуля составляет 21 радиационную длину.

Сигнальный электрод изготовлен из двухсторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1.5 мм. Электрод разбит на 12 ячеек. Такое же количество ячеек находится на другой стороне электрода. Система: пластина абсорбера – сигнальный электрод – пластина абсорбера формируют 2 ионизационные камеры. Расстояние между сигнальным электродом и земляным равно 5±0.1 мм.

Сигнал, образованный в результате продольного развития ливня, суммируется со всех ионизационных камер, образующих башню, и выводится на вакуумноплотный электрический разъём, расположенный на заднем фланце сосуда Высокое напряжение подавалось на сигнальные электроды. Все пластины абсорбера были заземлены. Подключение низкошумящих усилителей к регистрирующим каналам калориметра осуществлялось через блокировочные ёмкости номиналом 2200 пФ х 6.3 кВ. Подача сигнала от генератора прямоугольных импульсов для калибровки каналов калориметра осуществлялась через калибровочные ёмкости номиналом 1пФ.

Рис. 3. Устройство газового ионизационного калориметра: 1 – общий газовый объём, 2 – мембрана, 3 – подвеска калориметра, 4 – сборка модулей, 5 – манометр, 6, 7, 8 – модули, 9 – электрический разъём.

В процессе измерений использовались 3 варианта зарядочувствительных усилителей со временем формирования 200 и 180 нс. Первые два варианта усилителей имели одинаковые шумовые характеристики. На рис. 4 представлены шумовые спектры для 1 и 9 башен, полученные для калориметра с толщиной абсорбера 3 мм и расстоянием между ячейками 0.5 мм. Среднеквадратичное отклонение амплитудного распределения шумового сигнала составило ш 6300 электронов для 1 башни и 18900 электронов для 9 башен. Сравнивая обе кривые на рис. 4, можно видеть, что вклад когерентного шума незначителен.

Рис. 4. Спектры шума с калориметра для одной и девяти башен, фитированные кривой Гаусса.

Рис.5. Спектр шума с калориметра с абсорбером толщиной 3 и 1.5 мм свинца, соответственно для 1, 9 и 36 башен.

На рис. 5 представлены шумовые спектры для калориметров с толщиной абсорбера 1.5 и 3 мм и расстоянием между соседними ячейками 5 мм. В этом случае использовался третий вариант регистрирующей электроники. Среднеквадратичное отклонение для одной башни составило 4400 электронов для калориметра с абсорбером толщиной 3 мм и 6700 для толщины абсорбера 1.5 мм. Чтобы избежать наводок от ускоряющих станций У-70, шумовые спектры со всех 36 регистрирующих каналов измерялись после окончания вывода пучка частиц в канал 2Б.

Было проведено систематическое изучение свойств прототипов калориметра в зависимости от энергия электрона, давления газа и высокого напряжения.

На рис. 6 показан типичный амплитудный спектр с калориметра, фитированный кривой Гаусса. По оси абсцисс отложена амплитуда сигнала с калориметра в количестве электронов, образованных ливнем в калориметре. Данные величины получены с использованием результатов калибровки калориметра с помощью электронной калибровочной системы. Параметры кривой Гаусса – средняя величина и дисперсия – использовались для оценки энергетического разреA c шения калориметра,. которое определялось как, где = 2 - 2 и c b A b – разброс частиц пучка по импульсу.

Рис. 6. Амплитудное распределение импульсов калориметра для электронов с энергией 25.6 ГэВ при давлении газа р =1.5 атм. и высоком напряжении 1.5 кВ. Толщина абс.

абсорбера 3 мм, расстояние между ячейками 0.5 мм.

На рис. 7 представлена типичная зависимость энергетического разрешения калориметра от давления газа с квадратично вычтенным вкладом от шума электроники. Как следует из этого рисунка, энергетическое разрешение калориметра, начиная с давления газа в 1 атм., очень слабо зависит от давления газа, что позволяет снизить рабочее давление газа в калориметре без ухудшения разрешения.

Такая зависимость энергетического разрешения от давления наблюдается для всех исследованных прототипов калориметра. Ограничивающим фактором при выборе рабочего давления является отношение сигнал/шум, которое зависит от конструкции калориметра и регистрирующей электроники.

Рис. 7. Зависимость энергетического разрешения калориметра от давления газа C F 3 при энергии электронов Е=25.6 ГэВ и приведённом напряжении на калориметре HV=1кВ/атм. Толщина абсорбера 3 мм, расстояние между ячейками 0.5 мм.

Важной характеристикой калориметра является его динамический диапазон и линейность отклика от энергии падающей частицы. На рис. 8 приведена зависимость средней амплитуды сигнала калориметра от энергии электрона.

Рис. 8. Зависимость средней амплитуды сигнала с 9 башен калориметра от энергии электронов при напряжении HV=1 кВ и давлении газа C F р=1.5 атм.

3 Толщина абсорбера 3 мм, расстояние между ячейками 0.5 мм.

Видно, что она с высокой степенью точности линейна. На рис. 9 приведена экспериментальная зависимость энергетического разрешения калориметра от энергии падающей частицы.

Рис. 9. Зависимость энергетического разрешения калориметра от энергии электронов при напряжении HV=1 кВ и давлении газа C F р=1.5 атм.

3 Толщина абсорбера 3 мм, расстояние между ячейками 0.5 мм.

Она хорошо фитируется формулой (1) где Е – энергия падающей частицы в ГэВ. Стохастический член энергетического разрешения имеет слабую зависимость от давления газа в диапазоне от 1 до 3 атм. и от приложенного высокого напряжения в диапазоне от 1 до 3.5 кВ. Энергетический эквивалент электронного шума с башни составляет для данной структуры 250 МэВ при давлении 1 атм. Постоянный член в пределах ошибки ±0.3% равен 0.

Было также проведено систематическое изучение свойств калориметра с толщиной абсорбера 3 и 1.5 мм, при расстоянии между ячейками в 5 мм и размером ячейки 4 х 4 см. При этом, для уточнения собственного энергетического разрешения калориметра, в экспериментальную установку был добавлен магнитный спектрометр для измерения импульсного разброса пучка. Целью изменений структуры ячеек служила необходимость уменьшения энергетического эквивалента электронного шума с башни калориметра. Энергетическое разрешение калориметров при разных толщинах абсорбера с вычетом вклада от электронного шума и импульсного разброса электронов представлено на рис. 10.

Рис.10. Зависимость энергетического разрешения калориметра от энергии электронов при давлении газа C F р=1.8 атм. ( – толщина абсорбера 1.5 мм, – толщина 3 абсорбера 3 мм).

Оно может быть представлено в виде:

Pages:     || 2 | 3 |






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