KEDR ATC-rus

Аэрогелевые черенковские счетчики

24 апреля 2002

Аэрогель, картинки

Проект системы АЧС

В детекторе КЕДР на e+e- коллайдере ВЭПП-4М, будет использоваться система идентификации на основе аэрогелевых черенковских счетчиков (рис.1). В качестве радиатора черенковского света выбран аэрогель с показателем преломления 1.05, что позволяет разделять пи- и K-мезоны в диапазоне импульсов от 0.6 до 1.5 ГэВ.

Для сбора черенковского света в счетчике используются переизлучатели спектра (wave length shifters). Это позволяет уменьшить общее количество фотоумножителей в системе увеличивая размер счетчика. Преимущество данного метода светосбора по сравнению с прямым возникает из-за того, что шифтер имеет гораздо лучшие оптические свойства, чем аэрогель.

Система состоит из барельной и торцевой частей. Счетчики в системе распологаются в два слоя, сдвинутые относительно друг друга на полпериода (Рис.2). Размеры счетчиков и расположение шифтеров выбраны таким образом, чтобы частица, вылетевшая из места встречи, задевала шифтер или ФЭУ не более чем в одном слое. При этом большая доля частиц проходит через аэрогель в обоих слоях одновременно, что значительно улучшает их идентификацию. Система сегментирована на 20 секторов по фи, полное количество счетчиков равно 160. На Pис.3 и Рис.4 показан вид сегментов - счетчиков барельной и торцевой части системы, соответственно.

Наверх

Аэрогель, отражатель, шифтер

Длина поглощения света в аэрогеле SAN-95 в зависимости от длины волны показана на Рис.5. Зависимость коэффициента поглощения света 1-R для используемого в системе АЧС детектора КЕДР тефлона PTFE различной толщины от длины волны показана на Рис.6.

Переизлучатели, или шифтеры, изготовляются из оптически прозрачного материала, обычно органического полимера, в виде световодов прямоугольного сечения с небольшой примесью люминисцирующей добавки. Свет с определенной длиной волны, проходящий через переизлучатель, поглощается им, и с некоторой вероятностью изотропно испускается, сместившись в красную область спектра. Часть переизлученного света захватывается в угол полного внутреннего отражения, определяемый геометрией и показателем преломления материала шифтера, и затем транспортируется до фотоприемника.

Для системы АЧС детектора КЕДР выбраны шифтеры на основе ПММА. Он является наиболее дешевым и простым для производства, чем другие органические материалы, и его механические свойства хорошо известны. Более того, данный материал значительно легче гнется, что очень важно для согласования сечения шифтеров с фотокатодом. Шифтеры с добавкой BBQ на основе ПММА произведены Институтом полимеров г.Дзержинска.

Наверх

Фотоумножители

В связи с малым количеством черенковского света, фотоприемники базируются непосредственно на счетчиках и, следовательно, вместе со всей системой находятся в магнитном поле детектора до 1.8Т. Наиболее известные фотоумножители, работающие в таком поле, - это сеточные ФЭУ фирмы Hamamatsu и ФЭУ на основе микроканальных пластин (МКП). Для детектора КЕДР выбран ФЭУ с МКП производства АООТ "Катод", г.Новосибирска (Pис.7).

Выбор этих приборов обусловлен относительно небольшим падением коэффициента усиления в магнитном поле - примерно в 5 раз при B=1.8T, невысокой стоимостью и компактностью. Диаметр входного окна ФЭУ с МКП -- 18мм, высота корпуса -- 17мм, внешний диаметр -- 31мм. ФЭУ производства АООТ "Катод" имеют две микроканальные пластины, что позволяет получить коэффициент усиления 10⁶. Толщина одной пластины 400 мкм. Диаметр канала около 10 мкм. Каналы расположены под углом 5 градусов к плоскости пластины. На Pис.8 и Pис.9 показаны поверхность и срез МКП, снятые электронным микроскопом. Размер снимка 200 x 200 микрон.

На Pис.10 для сравнения приведены квантовые эффективности бищелочного фотокатода R6150 с кварцевым входным окном и ФЭУ с МКП, имеющего мультищелочной фотокатод и боросиликатное стекло. Как видно, фотокатод ФЭУ с МКП более чувствителен к зеленой, а R6150 к фиолетовой области спектра, при этом спектр испускания POPOP (люминисцирующей добавки в WLS) эти ФЭУ регистрируют одинаково эффективно, а для добавки BBQ наиболее эффективен мультищелочной фотокатод. Более того, использование BBQ предпочтительнее из-за более широкого спектра поглощения.

Наверх

Испытания счетчиков на пучке в ОИЯИ

В 2000 году были проведены испытания торцевых аэрогелевых счетчиков детектора КЕДР на выведенных пучках протонов и пионов в ОИЯИ в Дубне. Измерения выполнены на вторичном пучке частиц протонного синхрофазатрона с энергией 10 ГэВ. Эксперименты проводились для двух типов счетчиков - с наполнением блоками аэрогеля, которые в настоящее время изготавливаются для КЕДРа, а также с наполнением аэрогелевой крошкой.

Одновременно тестировались 4 счетчика, стоящие друг за другом. Схема эксперимента (вид сверху) показана на Рис.11. АЧС 1,3 -- заполнены блоками; АЧС 2,4 -- заполнены крошкой. Измерения проводились с протонами в диапазоне импульсов от 0.86 ГэВ/с до 2.1 ГэВ/с и с пионами в диапазоне импульсов от 0.86 ГэВ/с до 1.6 ГэВ/с. Для разделения частиц использовалась система времяпролетных счетчиков с базой 30 метров. Для определения координаты пролета частицы через счетчик использовался годоскоп из сцинтилляционных счетчиков. Данные для каонов определялись по протонам с соответствующей скоростью.

Данные по числу фотоэлектронов в зависимости от импульса пионов показаны на Pис.12. На рисунках Рис.13 и Рис.14.. приведены вероятности ложной идентификации каонов и пионов в зависимости от порога для имульсов 0.86 и 1.2 ГэВ/с. Cчетчик 1 заполнен блоками, счетчик 2 заполнен крошкой. При нулевом пороге для импульса 0.86 ГэВ/с коэффициент подавления пионов составляет 860 при эффективности регистрации каонов 94%, это соответствует разделению 4.7 сигмы. Для импульса 1.2 ГэВ/с при нулевом пороге коэффициент подавления пионов составляет 1300 при эффективности регистрации каонов 90%, это соответствует разделению 4.5 сигмы. Для пионов с импульсом 0.86 ГэВ/с измерена неоднородность светосбора в счетчике, максимальное число фотоэлектронов равно 9.7, минимальное - 7.1.

Наверх

Производство аэрогеля для детекторов RICH

Совместно с Институтом катализа имени Борескова СО РАН ведутся работы по производству аэрогеля с показателем преломления 1.03 для использования в качестве радиатора черенковского излучения в детекторах RICH. Основное требование к данному аэрогелю - высокая прозрачность. Для данных детекторов прозрачность определяется длиной рассеяния света. В настоящее время получены образцы толщиной 2 и 4 см площаью 5 x 5 кв. см. Для блоков толщиной 2 см длина рассеяния составляет L_sc=5.3 см на 400 нм, для блоков толщиной 4 см - 4.3 см.

Наверх

Последнее изменение 24 апреля 2002