Приборы и техника эксперимента, 2021, № 5, стр. 42-45

ВВЕДЕНИЕ

BM@N (Barionic Matter at Nuclotron) [1, 2] является первым действующим экспериментом с фиксированной мишенью на сооружаемом ускорительном комплексе NICA в ОИЯИ (Дубна), предоставляющим уникальную возможность изучения ядерной материи в условиях экстремальной плотности и температуры в столкновениях релятивистских тяжелых ионов при энергиях до 4.5 AГэВ (А – массовое число). Экспериментальная установка позволяет измерять импульс рожденных заряженных частиц в магнитном спектрометре и идентифицировать их тип с помощью времяпролетных детекторов. Центральность ядро-ядерных столкновений и ориентация плоскости реакции определяются передним адронным калориметром FHCal [3]. Особенностью FHCal является наличие сквозного квадратного отверстия размером 15 × 15 см в центре калориметра. Это отверстие необходимо для прохождения пучка тяжелых ионов с интенсивностью до 2 ∙ 10⁶ ионов/с, предотвращения радиационных повреждений сцинтилляционных пластин центральных модулей калориметра и активации калориметра.

Значительная часть фрагментов-спектаторов сталкивающихся ядер проходит через отверстие в центре калориметра и не детектируется. В результате выделенная энергия в калориметре имеет немонотонную зависимость от центральности ядро-ядерных столкновений, что создает определенные трудности в определении геометрии столкновений. Проблема детектирования фрагментов ядер решается установкой в центре калориметра переднего годоскопа, полностью перекрывающего пучковое отверстие в калориметре. Использование годоскопа позволяет определить центральность столкновений из двумерной корреляции между энергией, выделившейся в калориметре, и суммой зарядов фрагментов, измеренных годоскопом [4]. В зависимости от параметров пучка предполагается использовать годоскопы двух типов. В экспериментах на пучках легких ядер планируется установить годоскоп, собранный из сцинтилляционных пластин, а в экспериментах на пучках тяжелых ядер – годоскоп на основе кварцевых пластин.

КОНСТРУКЦИИ ГОДОСКОПОВ

Кварцевый и сцинтилляционный годоскопы имеют одинаковую структуру детекторной части. Каждый годоскоп состоит из шестнадцати кварцевых или сцинтилляционных пластин длиной 160 мм, толщиной 4 мм и шириной 10 мм. Активная площадь каждого годоскопа составляет 160 × × 160 мм². Каждая пластина годоскопа обернута отражателем – тонкой пленкой алюминированного майлара. Внутренняя часть годоскопов показана на рис. 1.

Рис. 1.

Вид переднего годоскопа (без верхней крышки).

В качестве фотодетекторов в обоих годоскопах используются кремниевые фотоумножители – микропиксельные лавинные фотодиоды с высоким коэффициентом усиления производства компании Hamamatsu (Japan). Амплитуды световых сигналов с кварцевой и сцинтилляционной пластин отличаются в несколько раз, поэтому в этих годоскопах используются фотодиоды двух разных типов в разном количестве. Свет с каждой из 16-ти кварцевых пластин считывается с двух противоположных торцов двумя парами фотодиодов МРРС S141160-015P с площадью активной области 3 × 3 мм², размером одной ячейки 15 × 15 мкм и квантовой эффективностью около 30%. При выборе фотодетекторов этого типа основное внимание уделялось максимальной эффективности регистрации черенковского излучения.

Свет со сцинтилляционных пластин считывается с двух противоположных торцов одиночными фотодиодами МРРС S141160-010P с площадью активной области 3 × 3 мм², размером одной ячейки 10 × 10 мкм и квантовой эффективностью около 18%. В этом случае основное внимание уделяется максимальному динамическому диапазону регистрируемых сигналов, пропорциональному плотности индивидуальных ячеек в фотодиодах. При этом высокие амплитуды сцинтилляционных вспышек не требуют максимальной эффективности регистрации света фотодетекторами.

Сигналы с фотодиодов поступают по коаксиальным кабелям длиной ~1.5 м на двухкаскадные усилители, расположенные в отдельном корпусе. Такое выносное расположение усилителей позволяет разместить их вдали от пучка ионов и избежать радиационных повреждений электронных компонентов. Сигнал после усиления преобразуется в дифференциальный вид с амплитудами, раcсчитанными для дальнейшего считывания и оцифровки с помощью амплитудно-цифровых преобразователей. Оцифровка сигналов осуществляется модулями TQDC производства AFI electronics (ОИЯИ, Дубна) [5].

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГОДОСКОПОВ

Параметры отдельных элементов (кварцевой и сцинтилляционной пластин) годоскопов были исследованы ранее и представлены в работе [6]. Результаты проведенных измерений образцов сцинтилляционной и кварцевой пластин на пучке электронов показали, что неоднородность светосбора составляет ±3% и ±10% соответственно. При этом суммарный световыход с двух торцов кварцевой пластины соответствует сигналу ~5 фотоэлектронов, что позволяет надежно регистрировать даже частицы с зарядом Z = 1. Отметим, что в этих измерениях использовались фотодиоды предыдущего поколения МРРС S12572-015P с меньшей квантовой эффективностью.

В настоящей работе проведены измерения световыходов и неоднородности светосбора всех детекторных элементов полностью собранных сцинтилляционного и кварцевого годоскопов. Оба годоскопа были исследованы на тестовом пучке электронов с энергией 280 МэВ синхротрона ФИАН “Пахра”. Детекторы были установлены на несущую платформу, перемещаемую в вертикальной и горизонтальной плоскостях, перпендикулярных направлению пучка. Триггер от электронов формировался двумя пучковыми счетчиками с размерами 10 × 10 × 5 мм каждый. Таким образом, установка позволяла выполнить сканирование элементов годоскопа пучком как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.

На первом этапе теста были измерены амплитуды сигналов с каждого торца сцинтилляционной и/или кварцевой пластины, а также получены усредненные значения амплитуд двух сигналов с каждой пластины. В этом случае пучок электронов проходил через центр каждой пластины. Результаты измерений амплитуд сигналов с пластин кварцевого и сцинтилляционного годоскопов представлены на рис. 2.

Рис. 2.

Зависимости амплитуд сигналов с противоположных торцов пластин и среднего значения амплитуд от номера пластины кварцевого (слева) и сцинтилляционного (справа) годоскопов.

Согласно рис. 2, амплитуды двух сигналов с противоположных торцов пластин коррелируют для большинства пластин. Это указывает на то, что основным фактором, определяющим эффективность светосбора, является прозрачность и отражение света внутри самой пластины. Наблюдаемая корреляция также свидетельствует о том, что качество оптического контакта, индивидуальное для каждого фотодетектора, играет вторичную роль.

На втором этапе было выполнено сканирование пучком вдоль пластин годоскопов для определения продольной неоднородности светосбора. На рис. 3 и 4 представлены результаты измерения амплитуд сигналов в зависимости от положения пучка вдоль пластин кварцевого (рис. 3) и сцинтилляционного (рис. 4) годоскопов. Здесь же представлены гистограммы распределений средних световыходов вдоль пластин годоскопов. Как видно, разброс амплитуд сигнала с одного торца кварцевой пластины достигает 20% от среднего значения. Для сцинтилляционной пластины этот разброс в два раза больше, что указывает на худшую прозрачность сцинтиллятора и, соответственно, большее ослабление света при прохождении вдоль пластины. В то же время среднее значение световыхода остается достаточно постоянным вдоль пластин со среднеквадратичным отклонением разброса ~2.2% для кварцевой пластины и ~6.4% для сцинтилляционной (см. рис. 3б и 4б).

Рис. 3.

Зависимость амплитуды сигнала от точки прохождения пучка в кварцевой пластине (а) и гистограмма средних значений амплитуд сигналов для всех точек вдоль кварцевой пластины (б).

Рис. 4.

Зависимость амплитуды сигнала от точки прохождения пучка в сцинтилляционной пластине (а) и гистограмма средних значений амплитуд сигналов для всех точек вдоль сцинтилляционной пластины (б).

Существенная зависимость амплитуды сигнала от точки прохождения заряженной частицы в сцинтилляционной пластине позволяет применить алгоритм восстановления координаты данной точки с использованием относительной разницы амплитуд на противоположных торцах пластины. Поскольку амплитуда сигнала практически прямо пропорциональна расстоянию от точки прохождения частицы до соответствующего торца, легко построить корреляционные зависимости между соответствующими амплитудами и координатами точки. На рис. 5 показана точность восстановления координаты точки прохождения заряженной частицы, определенная по разнице амплитуд сигналов с противоположных торцов сцинтилляционной пластины. Согласно рис. 5, точность составляет около 2 см. Таким образом, можно определить обе координаты точки прохождения заряженного фрагмента через плоскость сцинтилляционного годоскопа. Это позволяет использовать пространственную информацию о распределениях ядерных фрагментов для восстановления плоскости реакции в ядро-ядерных столкновениях.

Рис. 5.

Точность восстановления координаты точки прохождения заряженной частицы, определенная по разнице амплитуд сигналов с противоположных торцов сцинтилляционной пластины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных измерений световыхода и его неоднородности вдоль пластин сцинтилляционного и кварцевого годоскопов подтверждают возможность использования последних для регистрации фрагментов с зарядом, начиная с Z = 1, в эксперименте BM@N. Годоскопы предназначены для регистрации зарядов фрагментов, проходящих в отверстие переднего адронного калориметра. Информация о распределениях зарядов этих фрагментов в сочетании с выделенной энергией фрагментов в переднем адронном калориметре позволит определить центральность ядро-ядерных столкновений в предстоящих экспериментах на BM@N.