Приборы и техника эксперимента, 2022, № 1, стр. 58-62

ВВЕДЕНИЕ

Для определения центральности и ориентации плоскости реакции в ядро-ядерных столкновениях в планируемых экспериментах на установке BM@N (Barionic Matter at Nuclotron) [1], расположенной на выведенном пучке “Нуклотрона” сооружаемого ускорительного комплекса НИКА в ОИЯИ (Дубна), предполагается использовать новый передний адронный калориметр FHCal [2], который уже собран и установлен на этой установке. Пучковое отверстие калориметра FHCal будет перекрываться кварцевым годоскопом, который позволит измерять заряд фрагментов [3], пролетевших в отверстие калориметра. Как показывают результаты моделирования, в этом случае центральность столкновений можно определить из двумерной корреляции между выделенной энергией в калориметре и суммарным зарядом фрагментов, измеренным годоскопом.

В настоящее время исследуется возможность выполнения на установке BM@N раздельных измерений нейтральной и заряженных компонент спектаторной материи. Это позволит более детально исследовать уравнение состояния ядерной материи с высокой барионной плотностью, что также важно для понимания свойств материи в нейтронных звездах и в процессе коллапса массивных звезд в астрофизике [4].

Для выполнения таких исследований планируется модернизировать существующий передний адронный калориметр с целью использования его в основном для определения энергии нейтронов-спектаторов. Для измерения заряженных компонент спектаторной материи предлагается создать новую сцинтилляционную стенку, структура которой описана в следующем разделе.

ДЕТЕКТОРНАЯ СИСТЕМА УСТАНОВКИ BM@N ДЛЯ РАЗДЕЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ФРАГМЕНТОВ И НЕЙТРОНОВ

Предлагаемая новая схема расположения передних детекторов установки BM@N показана на рис. 1. Из модулей центральной части существующего калориметра FHCal будет собран калориметр ZDC (Zero Degree Calorimeter), состоящий из 36-ти модулей с поперечными размерами 15 × 15 см. Данный калориметр будет установлен на расстоянии ~9 м от мишени, расположенной на входе анализирующего магнита BM@N, как показано на рис. 1, справа. При номинальном токе в магните пучок заряженных ионов, а также полученные в мишени заряженные фрагменты отклоняются на достаточно большой угол в горизонтальной плоскости и не попадают в ZDC. Таким образом, ZDC будет в основном измерять энергию нейтронов, попавших в калориметр. Заряженные фрагменты, рожденные в мишени и также отклоненные магнитом, детектируются большой сцинтилляционной стенкой ScWall (Scintillation Wall). Поперечный размер ScWall выбран с учетом результатов моделирования и составляет 270 × 120 см. В центре стенки расположено пучковое отверстие размером 15 × 15 см, в которое проходят невзаимодействующие в мишени ионы пучка. Сцинтилляционная стенка будет состоять из 36-ти малых сцинтилляционных детекторов с поперечными размерами 75 × 75 мм, расположенных вокруг пучкового отверстия, и 134-х больших детекторных ячеек с поперечными размерами 15 × 15 см (см. рис. 1, справа). Толщина сцинтилляционных ячеек составит 10 мм.

Рис. 1.

Cлева – схема расположения передних детекторов установки BM@N (вид сверху): ZDC – передний адронный калориметр для измерения энергии нейтронов; ScWall и FQH – сцинтилляционная стенка и передний кварцевый годоскоп для измерения заряженных фрагментов соответственно (другие детекторные системы установки BM@N на рисунке не показаны); справа – схема сцинтилляционной стенки ScWall.

Как показывают результаты моделирования, в ZDC, помимо нейтронов, будет попадать небольшое количество заряженных частиц, в основном протонов и пионов, рожденных в мишени. Сцинтилляционная стенка будет также перекрывать всю входную поверхность ZDC, что позволит использовать ее в качестве вето-детектора для заряженных частиц, попавших в калориметр.

Ионы пучка и заряженные фрагменты из мишени, проходящие в пучковое отверстие ScWall, будут измеряться передним кварцевым годоскопом FQH (Forward Quartz Hodoscope), который установлен сразу за ScWall.

КОНСТРУКЦИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРНЫХ ЯЧЕЕК

Для определения параметров детекторных элементов ScWall было изготовлено четыре прототипа сцинтилляционной детекторной ячейки. Для этого использовались сцинтилляторы на полистирольной основе, полученные экструзионным способом компанией “Унипласт” (г. Владимир, Россия).

В двух больших ячейках размером 150 × 150 × × 10 мм выполнена спиралеобразная канавка для укладки спектросмещающего (WLS – Wavelength shifting) оптоволокна. Два других сцинтиллятора размером 75 × 75 × 10 мм имеют кольцеобразную канавку. Геометрии канавок определяются необходимостью иметь радиус закругления WLS-оптоволокна более 2.5 см, что позволит избежать потери света при его транспортировке по волокну. В канавку вклеены отповолокна WLS Y11(200) S-type диаметром 1 мм производства компании Kuraray [5]. Оптический контакт между сцинтиллятором и оптоволокном обеспечивается клеем EJ500 производства фирмы Eljen Technology [6]. Один конец оптоволокна, вклеенный в сцинтиллятор, покрыт светоотражающей серебряной краской, а второй конец вклеен в оптический разъем, размещенный в торце сцинтиллятора. Данный разъем также используется для крепления фотодетектора к торцу оптоволокна.

Сцинтилляционные ячейки имеют различные типы отражателей. Одна пара большой и малой ячеек обернута в белое полотно TYVEK, изготовленное из полиэтилена высокой плотности. Другая пара большой и малой ячеек имеет диффузионный отражатель, образованный в результате травления специальным химическим раствором поверхности детекторов в процессе производства сцинтиллятора.

На рис. 2 показаны фотографии образцов большой и малой сцинтилляционных ячеек, покрытых диффузионным отражателем.

Рис. 2.

Фотографии большой (а) и малой (б) сцинтилляционных ячеек. Штриховой линией АБ показана траектория сканирования электронным пучком по диагонали ячеек.

Исследования сцинтилляционных ячеек проводились с помощью космических мюонов и на электронном пучке. В этих тестах свет с оптоволокна считывался кремниевым фотоумножителем MPPC S13360-1325CS производства компании Hamamatsu (Япония). Данные фотодетекторы имеют площадь активной области 1.3 × 1.3 мм², квантовую эффективность 25% и коэффициент усиления 7 ⋅ 10⁵. Сигнал с фотодиода поступал на дополнительный усилитель с полосой пропускания 300 МГц и коэффициентом усиления ~200. Затем форма сигнала с усилителя оцифровывалась аналого-цифровым преобразователем DT5742 производства компании CAEN.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ

Четыре сцинтилляционные ячейки различных размеров и с разными отражателями были исследованы на тестовом пучке электронов с энергией 280 МэВ синхротрона ФИАН “Пахра” [7]. Основной задачей проводимых тестов было исследование влияния геометрии канавок с вклеенным WLS-оптоволокном и типа отражателя на величину и неоднородность световыхода в детекторах.

Триггерным сигналом являлся сигнал от прохождения электронов через два пучковых счетчика размером 10 × 10 × 5 мм каждый. Сцинтилляционные ячейки последовательно помещались на несущую платформу, способную перемещаться в вертикальной и горизонтальной плоскостях перпендикулярно направлению пучка. Сканирование электронным пучком проводилось по диагонали ячеек от точки А до точки Б (см. рис. 2).

Результаты измерений больших сцинтилляционных ячеек, покрытых TYVEK и диффузионным отражателями, представлены на рис. 3. Согласно рисунку, в случае диффузионного отражателя световой выход выше и составляет в среднем около 40 фотоэлектронов. Этот же параметр для отражателя TYVEK равен 32 фотоэлектронам. Однако неоднородность светосбора в последнем случае составляет около 6%, что почти в 2 раза лучше, чем для ячейки, покрытой диффузионным отражателем.

Рис. 3.

Результаты измерений большой сцинтилляционной ячейки, покрытой отражателем TYVEK (а) и диффузионным отражателем (б): слева – зависимость светового выхода от точки прохождения пучка по диагонали детектора; справа – гистограмма распределения светового выхода по всем измеренным точкам ячейки.

Характерные пики на зависимостях световыхода от точки прохождения пучка электронов соответствуют пересечению пучком канавки с WLS-оптоволокном. В этом случае локальный светосбор становится заметно выше благодаря большей эффективности захвата света оптоволокном.

Измерения были выполнены также для малых сцинтилляционных ячеек. Результаты измерений показаны на рис. 4 для TYVEK и диффузионного отражателей. Как и в случае с большими детекторами, в случае диффузионного отражателя световой выход выше и составляет в среднем около 71 фотоэлектрона. Световыход для отражателя TYVEK приблизительно равен 55 фотоэлектронам. Неоднородность светосбора составляет около 2.4% для TYVEK и 3.2% для химического отражателя.

Рис. 4.

Результаты измерений малой сцинтилляционной ячейки, покрытой отражателем TYVEK (а) и диффузионным отражателем (б): слева – зависимость светового выхода от точки прохождения пучка по диагонали детектора; справа – гистограмма распределения светового выхода по всем измеренным точкам ячейки.

Как и в случае больших ячеек, наблюдаются характерные пики на зависимостях световыхода от точки прохождения пучка электронов, соответствующие пересечению пучком канавки с WLS-оптоволокном, что отражает большую эффективность захвата света оптоволокном в данной локальной области.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представлены результаты исследований сцинтилляционных детекторных ячеек для передней стенки, создаваемой для регистрации протонов и легких ядерных фрагментов, рождаемых в ион-ионных столкновениях в эксперименте BM@N. Детекторы имеют различные геометрические размеры и покрыты отражателями разных типов. Показано, что величина и неоднородность световыхода сильно зависят как от геометрии канавки с вклеенным WLS-оптоволокном, так и от типа отражателя.

Измерения на тестовом пучке электронов показали, что диффузионный отражатель, образованный в результате травления специальным химическим раствором поверхности сцинтиллятора, обеспечивает световой выход почти на 30% выше, чем отражатель TYVEK. Пространственная неоднородность светосбора в малой сцинтилляционной ячейке составляет 2–3% для отражателей обоих типов. Однако в большой ячейке с диффузионным отражателем неоднородность светосбора составляет около 10%, что будет создавать проблемы с идентификацией заряженных ядерных фрагментов. Вместе с тем высокий световыход, на уровне 70 фотоэлекторонов, является избыточным и приводит к ограничению динамического диапазона микропиксельных фотодиодов.

Полученные результаты показывают, что отражатель TYVEK является наиболее предпочтительным для использования в качестве светового отражателя во всех сцинтилляционных ячейках передней стенки.