Приборы и техника эксперимента, 2021, № 5, стр. 28-33

ВВЕДЕНИЕ

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 ℓ^± с массой, лежащей между массой электрона и мюона, или “аномальных лептонов” [1]. Для определения энергии продуктов взаимодействия фотонного пучка с экспериментальной мишенью в диапазоне энергий до 100 МэВ создан сцинтилляционный годоскопический спектрометр (СГС) [2].

Калибровка СГС на пучке вторичных электронов ускорителя “Пахра” показала удовлетворительное значение координатного разрешения, составившее σ_x = 9.5 мм. Тем не менее, значение относительного энергетического разрешения в рабочем диапазоне энергий поискового эксперимента E < 100 МэВ составило δ = 22–25% (δ = = ΔE/〈E〉/2.35, ΔE – полная ширина энергетического спектра СГС на половине его высоты, 〈E〉 – среднее энерговыделение электронов в СГС). Такое значение разрешения недостаточно для решения поставленной задачи. Предварительные наборы экспериментальной статистики с использованием сцинтилляционного спектрометра размером 20 × 20 × 20 см [3] дали оценку энергетического разрешения спектрометра, которая должна составлять не менее 15%. Для получения необходимой энергетической точности был создан многоканальный сцинтилляционный спектрометр (МСС). Кроме того, сцинтилляционный спектрометр с хорошим энергетическим разрешением и быстродействием крайне необходим при исследованиях характеристик калибровочных пучков электронов ускорителя “Пахра” [3–6].

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР

Многоканальный сцинтилляционный спектрометр является сборкой из пяти независимых одинаковых сцинтилляционных блоков размером 20 × 20 × 20 см, расположенных последовательно друг за другом (рис. 1а). Общая длина сборки составляет 100 см или 2.5X₀, где X₀ – радиационная длина (для пластического сцинтиллятора X₀ ≈ 40 см [6]).

Рис. 1.

Схема многоканального сцинтилляционного спектрометра (МСС): а – схема калибровки МСС на пучке вторичных электронов ускорителя ФИАН “Пахра” (Θ – угол между траекторией электронов и осью симметрии МСС); б – конструкция отдельного блока МСС без светонепроницаемого корпуса (1 – сцинтилляционный блок размером 20 × 20 × 20 см; 2 – белый ватман; 3 – черная бумага; 4 – металлизированный майлар; 5 – светосборник; 6 – ФЭУ-52; 7 – делитель напряжения ФЭУ-52; 8 – корпус ФЭУ-52; 9 – ФЭУ-63; 10 – делитель напряжения ФЭУ-63.

Каждый блок с двух сторон “просматривается” двумя фотоумножителями (ф.э.у.) (рис. 1б). Оба ф.э.у. расположены таким образом, чтобы траектории ливневых частиц электромагнитного ливня, развиваемого в блоке, были параллельно фотокатодам ф.э.у. В вертикальной плоскости объем блока “просматривает” спектрометрический ФЭУ-52 (фотокатод ∅70 мм), предназначенный для определения энергии зарегистрированных частиц, в горизонтальной – “временной” ФЭУ-63 (фотокатод ∅100 мм), предназначенный для формирования временного сигнала Stop во “времяпролетной” методике, используемой для регистрации “аномальных лептонов”. В установке, использующей “времяпролетную” методику, сигнал Start задается системой триггерных сцинтилляционных счетчиков, находящихся за мишенью [2]. Для регистрации сигналов в ф.э.у. обоих типов используются стандартные делители напряжения, диапазон рабочих напряжений на которых составляет 1500–1750 В (для ФЭУ-52) и 2000–2400 В (для ФЭУ-63).

Для эффективного собирания света спектрометрическим ФЭУ-52, возникающего в значительном объеме блока от прохождения заряженных частиц, используется светосборник с отражателем на основе металлизированного майлара. Расстояние от фотокатода ФЭУ-52 до грани сцинтиллятора составляет 10 см. Фотокатод “временного” ФЭУ-63 плотно без смазки прижат к грани сцинтиллятора. Каждый сцинтиллятор со всех сторон, исключая грани, занятые фотокатодом ФЭУ-63 и светосборником для ФЭУ-52, обернут ватманом и черной бумагой. Блок с обоими ф.э.у. находится в светонепроницаемом корпусе.

КАЛИБРОВКА МНОГОКАНАЛЬНОГО СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО СПЕКТРОМЕТРА

Калибровка МСС была выполнена на калибровочном квазимонохроматическом пучке вторичных электронов ускорителя ФИАН “Пахра” [4, 5]. Блок-схема калибровки МСС представлена на рис. 2. Сигналы с триггерных счетчиков C₁ и C₂ размером 10 × 10 × 5 мм через блоки формирователей Ф₁ и Ф₂ и задержек З₁ и З₂ подавались на входы схемы совпадений СС. На вход СС “анти” через блоки формирователя Ф₃ и задержки З₃ подавался сигнал со счетчика антисовпадений A размером 90 × 60 × 10 мм с отверстием ∅10 мм. Сигнал со схемы совпадений СС являлся триггерным сигналом Start для запуска восьмивходового зарядоцифрового преобразователя (ЗЦП), на входы “Анализ” которого через блоки задержек З₄–З₈ подавались сигналы с пяти каналов МСС. Сигнал Start являлся также сигналом, с помощью которого через крейт-контроллер системы CAMAC проводилась “запись” сигналов с МСС в память компьютера.

Рис. 2.

Блок-схема калибровочного канала вторичных электронов ускорителя ФИАН “Пахра”. С₁, С₂ – триггерные счетчики, А – счетчик антисовпадений, К – коллиматор, Ф₁–Ф₃ – блоки формирователей, З₁–З₈ – блоки задержек, СС – схема совпадений, ЗЦП – восьмивходовый зарядочувствительный цифровой преобразователь, КК – крейт-контроллер системы CAMAC, ПК – персональный компьютер; Start – триггерный сигнал, Анализ – амплитудные сигналы с каналов МСС.

Перед счетчиком антисовпадений A находился свинцовый коллиматор K с отверстием ∅5 мм, который задавал апертуру электронного пучка. Вторичный электронный пучок формировался с помощью медного конвертора ∅3.2 и толщиной 2 мм. Интенсивность электронного пучка составляла ~10²e^–/с.

Калибровка МСС проходила в два этапа. На первом этапе МСС был расположен на пучке вторичных электронов таким образом, чтобы электроны входили в первый блок МСС точно по оси симметрии спектрометра в продольном направлении (рис. 1а). Далее происходило последовательное выравнивание амплитуд сигналов всех ФЭУ-52 МСС таким образом, чтобы амплитудный спектр с ф.э.у. каждого блока был расположен в рабочей области ЗЦП. Так как длина каждого блока МСС составляет 20 см, то средняя энергия, оставленная электронами в сцинтилляторе, составляет 〈E〉 ≈ 2 [МэВ/см] ∙ 20 [см] ≈ 40 МэВ. При энергии электронов >40 МэВ энерговыделение в МСС не увеличивается [2, 3, 6], поэтому максимальное энерговыделение в канале МСС также должно составлять не более 〈E〉 = 〈E_max〉 ≈ 40 МэВ. Первый этап калибровки был осуществлен при энергии электронного пучка E = 280 МэВ с тем, чтобы во всех блоках МСС выделялась энергия ≈40 МэВ.

В результате, средняя амплитуда каждого канала МСС составила ~260 каналов ЗЦП при максимальной величине рабочей области 512 каналов. Изменение величины средней амплитуды канала МСС, как и в случае калибровки СГС, происходило изменением величины напряжения на делителе напряжения ф.э.у. данного канала.

На втором этапе осуществлялась энергетическая калибровка МСС при энергиях электронов в диапазоне от 23 до 280 МэВ. Амплитуда МСС, зарегистрировавшего i-й электрон, определялась суммой амплитуд всех каналов ${{A}_{i}} = \sum\nolimits_{m = 1}^5 {{{A}_{{mi}}}} $_, где A_mi – амплитуда в m-м канале МСС; m = 1, …, 5 – номер канала. Энергия электрона определялась как ${{E}_{i}} = \sum\nolimits_{m = 1}^5 {{{E}_{{mi}}}} = \sum\nolimits_{m = 1}^5 {{{k}_{m}}{{A}_{{mi}}}} $, где k_m – коэффициент пропорциональности m-канала МСС.

Коэффициент k_m определялся по методу калибровки спектрометров на пучке электронов, описанному в [3]. На рис. 3 представлена зависимость средней амплитуды 〈A_m〉 амплитудного спектра отдельных каналов МСС (m = 1, …, 5 – номер канала) от энергии электронов. На рис. 4 представлены зависимости средней амплитуды 〈A〉_n спектра амплитуд суммы каналов МСС от энергии электронов (n = 1, …, 5 – число суммируемых каналов). Из рис. 3 и 4 видно, что, начиная с энергии электронов 40 МэВ, последовательно через каждые ~40 МэВ происходит резкое изменение зависимости, которая при дальнейшем увеличении энергии электронов как в случае отдельных каналов, так и суммы каналов меняется слабо. Линейная зависимость суммарной амплитуды МСС (рис. 4) от энергии электронов для МСС толщиной 0.5Х₀ (n = 1) простирается до величины E ≈ 35 МэВ, для 1Х₀ (n = 2) до E ≈ 85 МэВ, для 1.5Х₀ (n = 3) до E ≈ 110 МэВ, для 2Х₀ (n = 4) до E ≈ 200 МэВ, для 2.5Х₀ (n = 5) до E ≈ 260 МэВ.

Рис. 3.

Зависимость средней амплитуды 〈A_m〉 спектра амплитуд отдельных каналов МСС от энергии электронов (m = = 1,…, 5 – номер канала).

Рис. 4.

Зависимость средней амплитуды 〈A〉_n спектра амплитуд суммы каналов МСС от энергии электронов (n = 1,…, 5 – число суммируемых каналов).

Экстраполяция зависимостей средних амплитуд каналов МСС от энергии электронов, представленных на рис. 3, до “точки перегиба” и за “точкой перегиба” в “точку перегиба” дает значения амплитуды $A_{m}^{{{\text{калибр}}}}$ каждого канала (блока) МСС, в которых выделяется энергия ≈40 МэВ. Коэффициент k_m для каждого канала, таким образом, определялся как k_m = 40/$A_{m}^{{{\text{калибр}}}}$ [МэВ/канал].

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОКАНАЛЬНОГО СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО СПЕКТРОМЕТРА

Относительное амплитудное разрешение δ_n спектра суммы каналов МСС в зависимости от энергии электронов и толщины МСС (без вычета энергетического разброса электронного пучка) представлено на рис. 5. Видно, что разрешение МСС, исключая значения энергетического разрешения или первого блока, имеет минимум при энергии электронов E ≈ 90 МэВ. При увеличении энергии электронов δ_n начинает ухудшаться, и начиная с энергии E ≈ 140 МэВ зависимость практически становится линейной, достигая при энергии электронов 280 МэВ значения δ_n ≈ 27%. Подобная зависимость наблюдалась также в [2]. Можно предположить, что, начиная с энергии электронов E ≈ 90 МэВ и толщины спектрометра 1X₀ (n = 2) и более, часть энергии электромагнитных ливней, которые развиваются в объеме МСС [3, 7, 8], выходят из объема через боковые стенки и заднюю полусферу спектрометра, ухудшая точность определения энергии.

Рис. 5.

Относительное амплитудное разрешение δ_n спектра суммы каналов МСС в зависимости от энергии электронов и толщины МСС (без вычета энергетического разброса электронного пучка).

Зависимости энергии E_n, зарегистрированной МСС, и его относительного энергетического разрешения δ_n (за вычетом энергетического разрешения электронного пучка) для толщины спектрометра 1Х₀, являющейся рабочей толщиной для проводимого эксперимента, и толщины 2.5Х₀ (n = 5), являющейся рабочей при исследованиях характеристик электронных калибровочных пучков ускорителя “Пахра”, представлены на рис. 6. Видно, что значения энергий, определяемые МСС, соответствуют энергиям электронного пучка до энергии пучка E ~ 80 МэВ и E ~ 200 МэВ при толщинах МСС 1Х₀ и 2.5Х₀ соответственно. Наилучшее относительное энергетическое разрешение МСС достигается при энергии электронов E ≈ 90 МэВ и составляет δ₂ ≈ 13% и δ₅ ≈ 9.4% для обеих толщин МСС соответственно.

Рис. 6.

Зависимости энергии E_n, зарегистрированной МСС, и его относительного энергетического разрешения δ_n (за вычетом энергетического разброса электронного пучка) для толщин спектрометра: а – 1Х₀ (n = 2), б – 2.5Х₀ (n = 5).

Рабочий диапазон энергий вторичных заряженных частиц, выходящих из мишени в поисковом эксперименте, ожидается в пределах энергий до 100 МэВ, поэтому энергетические характеристики МСС в зависимости от точки входа и угла входа электронов в спектрометр были исследованы при толщине МСС 1X₀ (n = 2) и энергии электронов E = 60 МэВ.

Зависимость энергии электронов и энергетического разрешения МСС относительно горизонтальной координаты x и углах входа электронов в спектрометр Θ = 0 и Θ = 5°, где угол Θ является углом между траекторией электронов и осью симметрии МСС (рис. 1а), представлена на рис. 7. Из рисунка видно, что при отклонении входа электронов в спектрометр относительно оси симметрии в пределах –5 см < x < 5 см (x = 0 – координата оси симметрии МСС в продольном направлении относительно траектории электронов (рис. 1)) при обоих углах входа электронов в спектрометр энергия электронов, определяемая МСС (рис. 7а), и его энергетическое разрешение (рис. 7б) постоянны. В точках x ≤ –5 см и x ≥ 5 см зависимость энергии, определяемой спектрометром, от точки входа электронов в МСС имеет нелинейный характер (численные значения энергии уменьшаются) и точность определения энергии ухудшается. Можно также видеть, что при Θ = 0 зависимости энергии, регистрируемой МСС, и энергетического разрешения симметричны относительно x = 0. При Θ = 5° значение энергии при x = –9 см уменьшилось на ~20%, а при x = 9 см увеличилось на ~10% соответственно. При этом энергетическое разрешение в точке при x = –9 см ухудшилось в ~1.8 раза, а в точке при x = 9 см улучшилось на ~10%.

Рис. 7.

Зависимость энергии электронов (а) и энергетического разрешения (б) МСС относительно горизонтальной координаты x и углах входа электронов в спектрометр Θ = 0 (1) и Θ = 5° (2), где угол Θ является углом между траекторией электронов и осью симметрии МСС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты калибровки многоканального сцинтилляционного спектрометра на пучке вторичных электронов ускорителя “Пахра” с энергиями от 23 до 280 МэВ показали, что в области энергий электронов E < 100 МэВ, при которых проводится поисковый эксперимент, зависимость энергии, определяемой МСС, состоящего из двух сцинтилляционных блоков, до энергии электронов ~80 МэВ имеет линейный характер. Зависимость энергии, определяемой МСС, состоящего из 5 сцинтилляционных блоков, который используется при исследованиях энергетических характеристик электронных пучков ускорителя “Пахра”, имеет линейный характер до энергии электронов ~200 МэВ. Относительное энергетическое разрешение МСС минимально при энергии электронов E ~ 90 МэВ и составляет δ = 13% и δ = 9.4% при толщинах МСС 1Х₀ и 2.5Х₀ соответственно.

Величины энергии, регистрируемой МСС, и его относительного энергетического разрешения при углах входа электронов в спектрометр Θ = 0 и Θ = 5° в горизонтальной плоскости относительно траектории электронов и оси симметрии спектрометра сохраняют однородность при отклонении пучка на ±5 см относительно точки симметрии спектрометра.