Приборы и техника эксперимента, 2022, № 4, стр. 36-40

На тормозном пучке фотонов c энергией до 500 МэВ ускорителя “Пахра” ФИАН создана экспериментальная установка, предназначенная для поиска ранее не наблюдавшихся, относительно легких долгоживущих заряженных частиц ${{\ell }^{ \pm }}$ с массой, лежащей между массами электрона и мюона или “аномальных лептонов” [1].

Для определения импульса и энергии частиц, вылетающих из мишени, используется времяпролетная методика. Электрон и более тяжелый лептон при одинаковом импульсе будут различаться скоростями и, соответственно, временами пролета от мишени до точки регистрации. Поэтому установка включает в себя системы, определяющие время пролета, импульс и энергию регистрируемых частиц.

Для определения энергии продуктов взаимодействия фотонного пучка с экспериментальной мишенью в диапазоне энергий до 40 МэВ на основе элемента многоканального сцинтилляционного спектрометра (МСС) [2] создан двухканальный сцинтилляционный спектрометр (ДСС) (рис. 1).

Рис. 1.

Схема двухканального сцинтилляционного спектрометра (светонепроницаемый корпус не показан). 1 – сцинтилляционный блок; 2 и 4 – металлизированный майлар; 3 – черная бумага; 5 – светосборники; 6 – ФЭУ-52; 7 – делитель напряжения ФЭУ-52; 8 – корпуса ФЭУ. На вставке: S₁ и S₂ – сцинтилляционные счетчики; ДСС – двухканальный сцинтилляционный спектрометр.

ДСС является сцинтилляционным блоком размером 200 × 200 × 200 мм, его толщина составляет 0.5X₀, где X₀ – радиационная длина (для пластического сцинтиллятора X₀ ≈ 40 см [3]). ДСС с двух сторон просматривается двумя спектрометрическими фотоумножителями ФЭУ-52, которые расположены таким образом, чтобы траектории ливневых частиц электромагнитного ливня, развиваемого в блоке, были параллельны фотокатодам ФЭУ. Один ФЭУ расположен на верхней грани сцинтилляционного блока и “просматривает” объем блока в направлении вертикальной оси (первый канал), второй ФЭУ размещен на горизонтальной грани сцинтилляционного блока, параллельной траектории регистрируемых частиц, и “просматривает” объем блока в направлении горизонтальной оси, перпендикулярной траектории частиц (второй канал).

Для эффективного собирания света ФЭУ, возникающего в значительном объеме блока от прохождения заряженных частиц, используются светосборники с отражателями на основе металлизированного майлара. Расстояние от фотокатодов ФЭУ-52 до грани сцинтиллятора составляет 10 см. Для формирования сигналов в обоих ФЭУ используются стандартные делители напряжения.

Предварительная калибровка ДСС была выполнена с помощью космических мюонов (вставка к рис. 1). Целью калибровки являлось определение величин напряжений, при которых относительное энергетическое разрешение каналов ДСС минимальное.

Среднее энерговыделение, которое оставляет космический мюон в объеме ДСС, составляет около E ≈ LdE/dx = 20 ∙ 2 ≈ 40 МэВ, где L = 20 см – толщина ДСС, dE/dx = 2 МэВ/см – средняя величина ионизационных потерь электронов на единицу пути в сцинтилляторе.

При максимальных исследованных напряжениях U₁ = 1730 B и U₂ = 1830 B на делителях ФЭУ каналов ДСС средняя величина каналов амплитудных спектров космических мюонов за вычетом пьедестала зарядоцифрового преобразователя (ЗЦП) составляла ~350 каналов при диапазоне ЗЦП 512 каналов. Диапазон рабочих напряжений обоих каналов составил около 250 B (для первого канала от ~1500 до ~1750 В, для второго – от ~1600 до 1850 B).

Зависимости относительных амплитудных разрешений δ₁₍₂₎ каналов ДСС от напряжений на делителях напряжений представлены на рис. 2 (δ₁₍₂₎ = σ₁₍₂₎/〈A₁₍₂₎〉 = [(ΔA₁₍₂₎/〈A₁₍₂₎〉)/2.35] ∙ 100%, где σ₁₍₂₎ – стандартное отклонение средней амплитуды сигналов амплитудного спектра первого (второго) канала; ΔA₁₍₂₎ – полная ширина на половине высоты амплитудного спектра сигналов с ФЭУ первого (второго) канала; 〈A₁₍₂₎〉 – средняя амплитуда в амплитудном спектре первого (второго) канала; 2.35 – коэффициент пропорциональности, определяющий взаимосвязь между величинами ΔA₁₍₂₎ и σ: ΔA₁₍₂₎ = $\sigma \cdot 2 \cdot \sqrt 2 \ln 2$ ≈ 2.35σ) [4]. Видно, что амплитудные разрешения в исследованных диапазонах напряжений изменяются слабо, в пределах ~1% (от 11.3% до 12.3% для первого канала и от 11.8% до 12.7% для второго канала). Наилучшие величины относительных амплитудных разрешений первого и второго каналов при использовании ФЭУ-52 составили 11.3% и 11.8% соответственно. Относительное амплитудное разрешение суммы сигналов двух каналов ДСС составило ~10%.

Рис. 2.

Зависимости относительного амплитудного разрешения δ каналов ДСС от напряжения на делителях напряжения ФЭУ: 1 – первый канал, 2 – второй канал.

Основная энергетическая калибровка ДСС была выполнена на пучке вторичных квазимоноэнергетических электронов с энергиями от ~3 до ~100 МэВ ускорителя “Пахра” Физического института им. П.Н. Лебедева РАН. Схема калибровки представлена на рис. 3. Электроны, возникшие в результате взаимодействия фотонного пучка с медным конвертором, расположенного на срезе плюсов магнита СП-3, отклонялись магнитным полем в свинцовый коллиматор K с диаметром входного отверстия ∅10 мм и толщиной 50 мм. Коллиматор расположен в свинцовой защитной стенке перед ДСС и установлен под углом φ = 46° относительно первичной траектории фотонов на расстоянии 1 м от центра полюсов магнита. Интенсивность электронного пучка составляла ~10²e^–/с.

Рис. 3.

Схема калибровки ДСС на пучке вторичных квазимонохроматических электронов ускорителя “Пахра” ФИАН. K – коллиматор; S₁ и S₂ – триггерные сцинтилляционные счетчики; S₃ – сцинтилляционный счетчик контроля доли энергии электромагнитного ливня, выходящего из двухканального сцинтилляционного спектрометра ДСС.

Блок-схема калибровки ДСС представлена на рис. 4. Сигналы с триггерных счетчиков S₁ и S₂ размером 15 × 15 × 1 мм через формирователи Ф₁ и Ф₂ и задержки З₁ и З₂ подавались на входы схемы совпадений СС. Длительность сигналов составляла 20 нс. Сигнал со схемы совпадений СС длительностью 120 нс являлся триггерным сигналом Start для запуска 8-входового зарядоцифрового преобразователя (ЗЦП), на входы “Анализ” которого через блоки задержек З₃ и З₄ подавались сигналы от двух каналов ДСС. Start являлся также сигналом, с помощью которого через крейт-контроллер системы CAMAC осуществлялась “запись” сигналов с ДСС в память компьютера. В счетчиках S₁ и S₂ использовались фотоумножители ФЭУ-85 с напряжением питания на делителях U = 1000 В.

Рис. 4.

Блок-схема калибровки ДСС. K – коллиматор; S₁ и S₂ – триггерные сцинтилляционные счетчики; S₃ – сцинтилляционный счетчик контроля доли энергии электромагнитного ливня, выходящего из двухканального сцинтилляционного спектрометра ДСС; Ф₁–Ф₃ – блоки формирователей; З₁–З₅ – блоки задержек; СС – схема совпадений; ЗЦП – 8-входовый зарядочувствительный цифровой преобразователь; ВЦП – времяцифровой преобразователь; Start – сигнал запуска блоков ЗЦП и ВЦП; Stop – временной сигнал со счетчика S₃; Анализ – амплитудные сигналы с каналов ДСС; КК – крейт-контроллер системы CAMAC; ПС – персональный компьютер.

При энергии электронов больше 40 МэВ электромагнитные ливни, возникающие при взаимодействии электронов с ДСС, начинают выходить из сцинтилляционного блока. Для контроля потока электронов, потерявших не всю энергию в ДСС, за ДСС расположен сцинтилляционный счетчик S₃ размером 70 × 70 × 5 мм. Сигнал с S₃ формировался формирователем Ф₃ и через задержку З₃ подавался на блок времяцифрового преобразователя (ВЦП) с рабочим диапазоном шкалы 1024 канала и ценой деления 50 пс/канал. Стартом для запуска блока ВЦП являлся сигнал Start, сигналом Stop был сформированный сигнал S₃. По форме временного спектра и количеству событий в спектре контролировалась энергия электронов, а именно: при энергии электронов меньше 40 МэВ временной спектр практически отсутствовал, при энергии больше 40 МэВ начинал формироваться временной спектр, показывающий наличие частиц в задней полусфере ДСС. Наличие временного спектра указывало на величину энергии больше 40 МэВ. Чем больше энергия электронов, тем больше частиц должно выходить из ДСС и тем больше событий во временном спектре.

На рис. 5 представлена средняя энергия электронов, зарегистрированная вторым каналом ДСС, от тока магнита СП-3 или от энергии вторичных электронов. Каждая точка на рисунке представляет собой среднюю величину энергетического спектра электронов 〈E〉, зарегистрированных ДСС, со среднеквадратичным отклонением σ = FWHM/2.35 (FWHM – полная ширина на половине высоты энергетического спектра). Характер зависимости типичен для детекторов такого рода и аналогичен характеру зависимостей, полученных в работах [2, 5]. Видно, что в пределах ошибок в диапазоне энергий электронов от ~5 до ~35 МэВ зависимость имеет линейный характер.

Рис. 5.

Средняя энергия электронов, зарегистрированная вторым каналом ДСС, от тока магнита СП-3.

Обнаружено, что зависимости относительного энергетического разрешения обоих каналов ДСС от тока СП-3 или энергии электронов практически идентичны. Для определенности, на рис. 6 представлена зависимость относительного энергетического разрешения второго канала ДСС (кривая 1) от величины зарегистрированной средней энергии электронов δ₂ = [(ΔE₂/〈E₂〉)/2.35] × × 100%, где ΔE₂ – полная ширина на половине высоты энергетического спектра второго канала, а 〈E₂〉 – величина средней зарегистрированной энергии.

Рис. 6.

Зависимости относительного энергетического разрешения (без вычета относительного энергетического разрешения электронного пучка) от величины зарегистрированной средней энергии электронов для второго канала ДСС (1) и суммы сигналов двух каналов (2).

Надо отметить, что на рис. 5 и 6 ошибки экспериментальных точек представлены без вычета ошибок энергетического разрешения вторичного электронного пучка, которые в интервале энергий электронов от 3 до 10 МэВ изменялись от ~17 до ~10%, а далее, до энергий электронов ~40 МэВ, менялись слабо, оставаясь на уровне тех же ~10%. Следует отметить, что аппроксимирующие экспериментальные результаты линии на рис. 2, 5 и 6 проведены для наглядности.

Наилучшее энергетическое разрешение канала ДСС достигается при энергии электронов ≈32 МэВ и составляет ~15%. Эти значения согласуются с результатами работы [2], в которой исследовались энергетические характеристики сцинтилляционного спектрометра, состоящего из сцинтилляционных блоков, аналогичных данному. Можно предположить, что при энергии электронов ≈32 МэВ наблюдается минимальное отношение доли энерговыделения электромагнитного ливня, развиваемого электроном в ДСС и вышедшего из ДСС, к энерговыделению ливня, оставшегося в ДСС.

Исследована зависимость относительного энергетического разрешения ДСС в случае суммирования сигналов обоих каналов. Данная зависимость представлена на рис. 6 (кривая 2). Относительное энергетическое разрешение для суммы сигналов составило ~12%.

С учетом относительного энергетического разрешения электронного пучка с энергией ≈32 МэВ, составившего, как указано выше, ~10%, относительные энергетические разрешения каналов ДСС и суммы сигналов обоих каналов равны ~11 и ~7% соответственно.

Результаты калибровки двухканального сцинтилляционного спектрометра на пучке вторичных электронов на базе магнита СП-3 ускорителя “Пахра” показали, что в области энергий электронов до 40 МэВ, при которых проводился эксперимент по поиску “аномальных лептонов”, а именно от ~5 до ~35 МэВ, зависимость регистрируемой энергии от тока магнита СП-3 имеет линейный характер. Зависимости относительного энергетического разрешения отдельных каналов ДСС от энергии электронов практически идентичны. При энергии электронов E ≈ 32 МэВ относительные энергетические разрешения каналов ДСС и суммы сигналов обоих каналов составили ~11 и ~7% соответственно.