Приборы и техника эксперимента, 2023, № 6, стр. 59-68

Тестовые исследования характеристик детекторов и аппаратуры астрофизической обсерватории ГАММА-400, астроустановки “Альфа-Электрон”, установки NICA-MPD и др. на канале калибровочного пучка вторичных электронов ускорителя ФИАН С-25Р “Пахра” на основе спектрометрического магнита СП-57 подтвердили востребованность пучка электронов с энергиями от 5 до 100 МэВ и энергетическим разрешением пучка ~10% при интенсивности не менее 10³e^–/c [1, 2]. Диапазон энергий пучка вторичных электронов ускорителя “Пахра” составил от 20 до 300 МэВ с интенсивностью от ~1 до ~10²e^–/с, что недостаточно для достижения требуемой статистически обусловленной точности за отведенное время тестирования на ускорителе и в отсутствие возможности проводить тестирования при энергиях электронного пучка меньше 20 МэВ [3].

Для получения пучков квазимоноэнергетических электронов в требуемом диапазоне энергий с заданной энергетической точностью и интенсивностью было решено использовать магнит СП-3, который при работе канала калибровочного пучка электронов на основе магнита СП-57 выполнял функцию очищающего магнита [3, 4].

Вторичный пучок электронов является результатом взаимодействия первичного пучка фотонов с конвертором, находящимся, как правило, на срезе полюсов спектрометрического магнита. Конверсионные электроны отклоняются магнитным полем в детектирующую систему, расположенную под заданным углом относительно траектории фотонного пучка и полюсов магнита в плоскости, параллельной полюсам магнита [3].

Формирование вторичного электронного пучка на ускорителе ФИАН С-25Р “Пахра” осуществляется в два этапа. На первом этапе при взаимодействии ускоренного пучка электронов с внутренней вольфрамовой (W) мишенью толщиной 0.22X₀ (X₀ – радиационная длина), помещенной внутрь вакуумной камеры ускорителя, формируется первичный пучок тормозных фотонов. Далее фотонный пучок выводится в экспериментальный зал (рис. 1).

После выхода из камеры ускорителя 1 фотонного пучка дальнейшее его формирование осуществляется системой свинцовых коллиматоров 2 с диаметром отверстий от 13 до 30 мм. Фотонный пучок транспортируется по воздуху к конвертору 4, находящемуся непосредственно на срезе полюсов магнита СП-3 (5).

Магнит СП-3 предназначен для формирования вторичных электронных пучков и имеет следующие характеристики: размер полюсов составляет 200 × 500 мм, межполюсной зазор 50 мм. Величина магнитного поля может меняться в диапазоне от 0.01 до 1.3 Тл. Охлаждение обмоток магнита воздушное. На рис. 2 представлена зависимость магнитной индукции в центре межполюсного промежутка СП-3 от тока в обмотках магнита. Измерения были проведены с помощью измерителя магнитной индукции Ш1-8, ошибка измерения каждой точки не превышала ±0.001 Тл [3].

С целью подавления заряженной компоненты низкоэнергетического электромагнитного фона, сопровождающего пучок при его транспортировке, перед коллиматором, расположенным на расстоянии 1.35 м перед СП-3, помещена система очищающих магнитов 3 (см. рис. 1). Система состоит из трех постоянных магнитов. Размер межполюсного промежутка каждого магнита составляет 105 × 57 мм с длиной по пучку 80 мм и максимальной индукцией магнитного поля в центре магнита 0.12 Tл.

Профиль фотонного пучка перед конвертором 4 формируется коллиматором диаметром 30 мм, расположенным перед СП-3. При необходимости диаметр коллиматора может меняться.

В качестве конвертора используются медные и свинцовые пластины толщиной от 0.1 до 3 мм и диаметром от 5 до 32 мм.

Для тестирования детекторов и оборудования экспериментальных установок рядом с магнитом СП-3 создана тестовая зона (рис. 1). Детекторы и тестируемая аппаратура размещаются на столе 9 размером 2.66 × 0.89 м и высотой 1.04 м.

Для защиты тестируемого детектора и триггерных счетчиков, формирующих вторичный электронный пучок, от низкоэнергетического фона, создаваемого взаимодействием тормозного фотонного пучка с воздухом при его транспортировке, рядом с магнитом СП-3 выложена свинцовая защитная стенка 10. Стенка расположена на уровне межполюсного промежутка магнита параллельно длинной стороне полюса магнита на расстоянии 60 см от нее и выложена стандартными свинцовыми блоками размером 125 × 125 × 50 мм типа “ласточкин хвост”.

Угол отклонения вторичных электронов магнитным полем СП-3 между осью, проходящей через центр отверстия коллиматора K_p (11), и траекторией фотонного пучка определяет энергию электронов. Диаметр коллиматора определяет диапазон энергий электронов. На основе свинцовых блоков типа “ласточкин хвост” изготовлены коллиматоры c диаметрами отверстий по центрам блоков 5, 10, 15 и 25 мм. Так как защита 10 собрана из стандартных свинцовых блоков, для получения необходимого диапазона энергий электронов сравнительно быстро можно помещать коллиматор K_p (11) в любую точку защитной стенки 10 или заменять коллиматор с отверстием одного диаметра на коллиматор с отверстием другого диаметра.

Для уменьшения влияния фона, создаваемого железным ярмом магнита СП-3, находящегося на противоположной стороне от свинцовой защиты относительно траектории тормозного фотонного пучка, между полюсами и ярмом проложен фильтр из текстолитовых, деревянных или парафиновых пластин 7 общей толщиной 15 см.

Тестируемый детектор может располагаться на передвижной платформе 12, которая посредством шарниров легко перемещается по столу 9 к соответствующему положению рабочего коллиматора K_p (11).

Исследование характеристик вторичного электронного пучка, сформированного системой “конвертор–СП-3–коллиматор K_p”, осуществлялось с помощью системы сцинтилляционных счетчиков S₁, S₂, S₃ и сцинтилляционного спектрометра CC (рис. 1). Размер счетчиков S₁ и S₂ составлял 15 × 15 × 1 мм, счетчика S₃ – 70 × 70 × 5 мм. Триггерные счетчики S₁, S₂ располагались за коллиматором K_p вплотную друг к другу. Расстояние между ними составляло не более 1 мм. Расстояние от счетчиков до рабочего коллиматора K_p составляло 30 мм. Счетчик S₃ использовался для регистрации электронов от электромагнитного ливня, развиваемого вторичными электронами, отклоненных магнитным полем магнита СП-3 в СС и выходящих за пределы СС [5].

Спектрометр CC предназначен для определения энергетических характеристик электронного пучка. Применение спектрометра обусловлено тем, что в рабочем процессе, например при тестировании какого-либо детектора, происходят многочисленные изменения тока СП-3, при которых сложно учесть характеристики рассеянных магнитных полей, создаваемых обмотками магнита и сильно влияющих на траектории электронов, что сказывается на определении энергии электронов. Перед тестированием детекторов предварительно проводились исследования энергетических характеристик вторичного электронного пучка, сформированного СП-3, в месте тестирования. Определение средней энергии электронов с помощью СС при фиксированном положении как триггерной системы, так и СС относительно полюсов магнита и являлось конечным результатом предварительной калибровки. Для определения энергетического разрешения электронного пучка, формируемого непосредственно конвертором, без учета энергетического разрешения СС проводилась специальная процедура, описание которой представлено ниже.

В качестве CC использовались спектрометры на основе сцинтилляционных блоков с размерами 100 × 100 × 100 мм (CC₁) и 200 × 200 × 200 мм (CC₂) (рис. 3) [5, 6]. Спектрометры имели два канала регистрации сигналов от прохождения заряженных частиц с регистрацией сигналов с помощью фотоумножителей (ФЭУ) типа ФЭУ-85 (CC₁) (рис. 3а) и ФЭУ-52 (CC₂) (рис. 3б). Плоскость СС, через которую электроны входили в спектрометр, располагалась в 30 мм от триггерных счетчиков. Средняя энергия, оставляемая электроном в CC, определяется как 〈E〉 ≈ kt, где t – толщина CC, k – коэффициент пропорциональности (k = 2 МэВ/см) [3]. Поэтому CC₁ и CC₂ использовались для регистрации электронов с энергиями до 20 и до 40 МэВ соответственно.

Для исследования характеристик вторичного электронного пучка при энергиях более 40 МэВ использовался шестигранный черенковский спектрометр полного поглощения ЧСПП на основе свинцового стекла ТФ-1 толщиной 35 см или 14.0X₀ (X_0ТФ-1 = 2.5 см) с апертурой по пучку, определяемой площадью описанной окружности диаметром 18 см [3, 7].

Перед началом исследований характеристик вторичного электронного пучка на космических мюонах была проведена энергетическая калибровка CC₁, CC₂ и ЧСПП методом “напролет” (вставка к рис. 3б) [3, 5–7]. Относительные энергетические разрешения СС₁, СС₂ и ЧСПП соответственно составили δ_CC1 = 9%, δ_CC2 = 11.3% и δ_ЧСПП = 9.3% (δ = ΔE/E/2.35; 〈E〉 – средняя энергия; ΔE – полная ширина энергетического спектра на половине его высоты; 2.35 = $2 \cdot \sqrt 2 $ · (ln2)) [8].

Триггер, определяющий прохождение электрона через сцинтилляционные счетчики, формировался следующим образом (рис. 4). Сигналы со сцинтилляционных счетчиков S₁, S₂ и S₃ по коаксиальным кабелям РК-50 длиной около 100 м из экспериментального зала подавались на входы формирователей с постоянным порогом (Ф₁, Ф₂ и Ф₃), находящихся в пультовой комнате. Пороговое напряжение формирователей составляло 10 мВ. Длительность сигналов стандарта NIM составляла 10 нс. Сигналы со счетчиков S₁ и S₂ через временные задержки подавались на схему совпадений С. Сигнал “Start” со схемы совпадений длительностью 100 нс являлся триггерным сигналом, который запускал блоки зарядово-цифрового преобразователя (ЗЦП) и времяцифрового преобразователя (ВЦП). По данному сигналу через крейт-контроллер КК системы CAMAC происходила запись сигналов от СC и S₃ в память компьютера.

Тестовые исследования детекторов и исследования энергетических характеристик вторичного электронного пучка проходили при максимальных энергиях тормозного фотонного пучка 300 и 500 МэВ, соответствующих энергиям ускоренного первичного электронного пучка.

Характеристики, например, выведенного из ускорителя электронного пучка определяются магнитной системой ускорителя и магнитооптическим трактом транспортировки. Характеристики вторичного электронного пучка, являющегося результатом взаимодействия фотонного пучка с конвертором, определяются характеристиками конвертора (типом материала и геометрическим размером, в первую очередь, толщиной [3]), а также характеристиками магнитной системы.

Транспортировка фотонного пучка от выходного окна 1 (см. рис. 1) ускорителя в ускорительном зале до конвертора 4 в экспериментальном зале и далее до поглотителя фотонного пучка 17 осуществляется по воздуху (рис. 1). Поэтому, формирование вторичного электронного пучка, который в дальнейшем используется для тестирования детекторов, происходит в двух независимых конверторах: основном конверторе 4, расположенном на срезе полюсов магнита, и “распределенном” конверторе (“воздух”), в качестве которого используется воздух на участках траектории фотонного пучка до и после основного конвертора. Формально оба конвертора можно представить как один – “конвертор + воздух”.

Результаты моделирования и экспериментальные исследования характеристик вторичных электронных пучков, формируемых спектрометрическим магнитом СП-3 с небольшой шириной прямоугольных полюсов и небольшим межполюсным промежутком, показали, что существует несколько особенностей формирования пучков при энергиях E < 100 МэВ, в отличие от формирования пучков электронов с помощью магнитов с круглыми полюсами. Первая особенность состоит в том, что положение вершины угла поворота электронов в магнитном поле Θ определяется не только энергией электронов E, но и расстоянием L от конвертора и шириной полюсов магнита d.

На рис. 5 схематично представлены положения рабочего коллиматора K_p с соответствующими этим положениям углами отклонения Θ, также показаны положения вершин углов отклонения относительно конвертора (расстояние L) при постоянной величине магнитного поля СП-3.

Экспериментально были определены соотношения между E, Θ и L, составившие: при E₁ ~ 50–100 МэВ Θ ~ 15° (L ~ 25 см); при E₂ ~ 20–50 МэВ Θ ~ 40° (L ~ 20 см); при E₃ ~ 10–40 МэВ Θ ~ 80° (L ~ 15 см); при E₄ ~ 3–20 МэВ Θ ~ 130° (L ~ 5–10 см).

Для получения энергетических характеристик вторичного электронного пучка, формируемого при взаимодействии фотонного пучка с основным конвертором и с конвертером “воздух”, а также суммарным конвертором “конвертор + воздух”, используется метод “вычитания спектров” [3, 4].

В этом случае, характеристики вторичного электронного пучка определяются в два этапа. На первом этапе исследуются энергия и энергетическое разрешение пучка с конвертором “конвертор + воздух”. На втором этапе исследуются эти же характеристики, когда конвертором является только “воздух”. На третьем этапе осуществляется вычитание из спектров, полученных при сложном конверторе “конвертор + воздух”, спектров, полученных при конверторе “воздух”.

На рис. 6 представлены энергетические спектры вторичного электронного пучка при использовании 2-миллиметрового медного конвертора, зарегистрированные СС₁, СС₂ и ЧСПП, при энергиях 〈E〉 электронного пучка 7.3 МэВ (рис. 6а–6в), 20 МэВ (рис. 6г–6е) и 66 МэВ (рис. 6ж–6и) при использовании конверторов разных типов: “конвертор (Cu) + воздух” (рис. 6а, 6г, 6ж), “воздух” (рис. 6б, 6д, 6з) и “конвертор (Cu) + воздух” – “воздух” (рис. 6в, 6е, 6и). Данные спектры наглядно показывают работу метода “вычитания спектров”.

Согласно рис. 6в, 6е, 6и, основной пучок с заданной энергией имеет “сопровождение” в виде пучка с меньшей и большей энергией (рис. 6е). Модельные расчеты подтверждают экспериментальные данные о наличии второго пучка при любых углах, что является второй особенностью формирования вторичного электронного пучка магнитом СП-3. Интенсивность второго пучка составляет от 5 до 15% при любых токах магнита.

Появление второго пучка связано с тем, что конверсионные электроны и позитроны имеют большой диапазон как разброса энергий, так и углов вылета из конвертора, увеличенный многократным рассеянием на воздухе. Из-за небольшой ширины полюсов СП-3 (d = 20 см) и расстояний от коллиматора K_p до центра угла поворота электронов магнитным полем (~60 см) существует большая вероятность возникновения таких соотношений между энергиями электронов и углами выходов из конвертора, при которых траектории электронов совпадают с осью коллиматора K_p. Например, в K_p могут попадать электроны, которые при конверсии в радиаторе отклонились в противоположную сторону от траектории фотонного пучка.

Из модельных расчетов (рис. 7) видно, что при фиксированной величине магнитного поля СП-3 значения энергии электронов на входной апертуре триггерных счетчиков без учета рассеянных магнитных полей и в отсутствие коллиматора K_p монотонно меняются при изменении полярного угла φ, отсчитываемого относительно траектории фотонного пучка с центром, совпадающим с центром конвертора. Это означает, что при фиксированной величине магнитного поля энергия электронов зависит от положения триггерных счетчиков относительно полюсов СП-3. С другой стороны, при любом фиксированном положении триггерных счетчиков значения энергий вторичных электронов также монотонно меняются при монотонном изменении магнитного поля, задаваемом током в обмотках питания магнита. В дальнейшем экспериментально было определено, что, например, при φ ≈ 23° или при Θ ≈ 23° (L ≈ 25 см) и изменении магнитного поля СП-3 в диапазоне 0.02–0.75 Tл средняя энергия электронов монотонно меняется от ≈10 до ≈240 МэВ. Модельный расчет (рис. 7) для двух величин магнитного поля также показывает изменение средней энергии электронов в диапазоне изменений полярного угла от 30° до 200°. В свою очередь, это означает, что каждой энергии электронов соответствуют свои величины полярного угла и магнитного поля, изменение одной величины приводит к изменению другой. Например (рис. 7), электроны с энергией 10 МэВ могут быть зарегистрированы при углах φ ~ 80° (B = 0.3 Tл) и φ ~ 140° (B = 0.7 Tл) соответственно.

Зависимость средней энергии вторичных электронов от величины магнитного поля и, соответственно, от тока в обмотках СП-3 является пропорциональной. На рис. 8 показаны изменения средней энергии (рис. 8а) и относительного энергетического разрешения (рис. 8б) вторичного электронного пучка от тока магнита СП-3, полученные при регистрации вторичных электронов с помощью СС₂, при Θ ≈ 24° (L ≈ 25 см), диаметре K_p 10 мм и медном 2-миллиметровом конверторе разного типа: “конвертор (Cu) + воздух” (1); “воздух” (2); “конвертор (Cu) + воздух” – “воздух” (3).

На рис. 9 представлены типичные зависимости изменения счета совпадений триггерных счетчиков S₁ и S₂ от положения L центра угла поворота вторичных электронов относительно конвертора (диаметр входного отверстия коллиматора в данных измерениях 15 мм). Коллиматор K_p располагался в точке Θ = 40°, относительно которой и происходила процедура определения более точного значения угла Θ сначала поворотом коллиматора K_p “по часовой стрелке”, а затем – “против часовой стрелки”. Фактически зависимость на рис. 9 является ориентационной зависимостью, определяющей максимальную интенсивность при заданных значениях угла отклонения электронов Θ и диаметра коллиматора. Такую зависимость можно определить в любой точке защитной стенки 10 (см. рис. 1), в которой помещается K_p.

На рис. 10 представлены зависимости интенсивности и средней энергии вторичного электронного пучка от толщины свинцового конвертора шириной 5 мм. Электроны регистрировались ЧСПП, расположенным под углом Θ ≈ 12° относительно траектории фотонного пучка с центром угла поворота электронов, находящимся в центре полюсов СП-3. Величина магнитного поля СП-3 была фиксированной и составляла B = = 0.182 Tл. Расстояние от центра магнита до коллиматора с шириной щели 5 мм и толщиной 7 см составляло 2.06 м. Уменьшение энергии пучка в зависимости от толщины конвертора (рис. 10б) объясняется естественным увеличением ионизационных потерь проконвертировавших электронов (позитронов) в конверторе при увеличении его толщины. Такой эффект наблюдается и в случае медного конвертора [3].

Каждая точка на рисунках 8а и 10б представляет собой среднюю величину энергетического спектра электронов 〈E〉, зарегистрированных СС, со среднеквадратичным отклонением σ = FWHM/2.35 (FWHM – полная ширина на половине высоты энергетического спектра). Средняя энергия электронов монотонно меняется при изменении магнитного поля. Точность установки значений индукции магнитного поля составляет не менее ±0.0001 Tл в диапазоне 0–0.0999 Tл и ±0.001 Tл диапазоне от 0.1–1 Tл. Поэтому разброс значений средних энергий электронов на рисунках незначительный [5].

Перед тестированием детектора средняя энергия электронного пучка определяется СС, поэтому ошибка определения средней энергии вторичных электронов оказывается большой. В нее входит ошибка определения энергии электронов самого детектора и ошибки, связанные с типом конвертора. Например, при токе в обмотках СП-3 I = 20 A ошибка определения энергии электронов при использовании СС₂ составляет ~11%, а ошибки энергетического разброса, связанные с типом конвертора, равны: ~15% при конверторе “воздух” и ~10% при конверторе “медь”.

Тестирование детекторов осуществляется пучком, формируемым конвертором “конвертор + воздух”, поэтому разрешение пучка определяется ошибкой энергетического разброса средней энергии пучка, формируемого уже суммарным конвертором. В приведенном примере она составляет около 18%.

На рис. 11 показана зависимость относительного энергетического разрешения “истинного” вторичного электронного пучка, формируемого системой “медный конвертор–магнитное поле СП-3”, от энергии электронного пучка при диаметре коллиматора 10 мм. Видно, что в пределах энергий пучка 5–100 МэВ разрешение не превышает 10% с тенденцией ухудшения при энергиях менее 5 МэВ.

Надо отметить, что на рис. 2, 8, 9, 10 и 11 линии, описывающие экспериментальные результаты, проведены для наглядности. Погрешности для полученных значений энергетического разрешения на рис. 8б и 11 определялись процедурой фитирования энергетических спектров и составили 15–20% от значений, представленных на рисунках. Ошибки значений тока на рис. 2 и 8 составляют около 0.5%.

Так как транспортировка фотонного пучка от выходного окна ускорителя 1 (см. рис. 1) до поглотителя 17 фотонного пучка осуществляется по воздуху, то в экспериментальном зале существует низкоэнергетический фон (~10² 1/(см² ∙ с)), поэтому при проведении тестовых исследований детекторов с большими габаритами (например, 50 × × 50 × 50 см) применяется дополнительный защитный экран из свинцовых пластин, устанавливаемый вокруг тестируемого детектора.

Таким образом, в предварительных исследованиях характеристик вторичного электронного пучка перед тестированием детекторов при фиксированном значении Θ или положении коллиматора K_p и соответствующем диаметре отверстия коллиматора получают зависимости, представленные на рис. 8 и 9, из которых определяются энергия, энергетическое разрешение и интенсивность вторичного электронного пучка, соответствующие используемому типу конвертора.

Полученный на ускорителе “Пахра” ФИАН на основе магнита СП-3 калибровочный пучок вторичных электронов низких энергий удовлетворяет требованиям, которые необходимы для калибровок детекторов и аппаратуры при низких энергиях электронов, и может быть использован в практической работе.