Электромагнитный калориметр

Устройство относится к ускорительной технике и может применяться при работе с интенсивными потоками частиц в сильных магнитных полях. Технический результат изобретения: улучшение энергетического разрешения, увеличение радиационной стойкости и быстродействия, улучшение однородности отклика в зависимости от угла влета частиц относительно оси спектрометра и устранение влияния магнитного поля. Сущность изобретения: в электромагнитном калориметре между слоями поглотителя, расположенными параллельно пучку частиц, установлены детекторы, выполненные на основе алмазных пленок, выходы которых соединены со входами сумматоров. 1 ил.

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в ядерной физике и астрофизике.

Известно устройство (V.I.Kryshkin and A.I.Ronzhin, Nuclear Instruments and Methods A247 (1986) 583) для измерения энергии электронов и фотонов, состоящее из слоев поглотителя, установленных перпендикулярно пучку падающих частиц, между которыми расположены пластины сцинтиллятора. Свет со сцинтилляторов собирается переизлучающими волокнами. Если пластины имеют небольшие размеры, то количество волокна может стать столь большим (из-за проекционной системы вывода волокна), что потребуется несколько слоев волокна в одном зазоре, что приведет к уменьшению эффективной плотности детектора и резкому усложнению конструкции. Такая ситуация типична для электромагнитных калориметров. Поэтому использование устройств ограничено адронными калориметрами, где размер сцинтиллятора больше на порядок.

С другой стороны, имеется устройство (Крышкин В.И., Лапшин В.Г., Мысник А.И. и др. Приборы и техника эксперимента, 1993, №3, с.43) для измерения энергии электронов и фотонов, состоящее из слоев поглотителя, установленных параллельно пучку частиц, между ними расположены детекторы - полоски сцинтиллятора, длина которых равна длине поглотителя, а светосбор осуществляется переизлучающими волокнами, соединенными с фотодетектором. В этом случае количество слоев волокна между пластинами поглотителя не зависит от размера калориметра и размера сцинтиллятора.

Недостатком такого устройства является низкая радиационная стойкость, определяемая радиационной стойкостью сцинтиллятора и оптического волокна. Для типичных материалов падение амплитуды сигнала в е раз происходит при радиационной дозе ˜3 Мрад. Оптический сигнал регистрируется фотодетектором. Наиболее распространенным фотодетектором является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), который не может работать в сильных магнитных полях, типичных для современных коллайдеров. Зависимость световыхода сцинтиллятора от магнитного поля делает проблему калибровки чрезвычайно сложной. Плотность сцинтиллятора на порядок меньше плотности типичного поглотителя - свинца. Поэтому у такого устройства имеется так называемый эффект "каналирования" - зависимость отклика детектора от угла, под которым частица входит в детектор. Время высвечивания переизлучающего волокна как правило равно около 10 не (показатель экспоненты высвечивания). Поэтому быстродействие устройства ограничено длительностью светового сигнала, что составляет около 50 нс.

Задача, решаемая изобретением, - увеличение радиационной стойкости детектора, повышение быстродействия, минимизация "каналирования", устранение зависимости отклика от величины магнитного поля.

Для решения поставленной задачи предлагается детектор, в котором сцинтиллятор и переизлучающее волокно заменены на детекторы на основе алмазной пленки, выходы которых соединены со входами сумматоров, и количество выходов определяется по формуле n=L/(l₁+l₂), где L - ширина алмазного детектора, l₁ - его толщина, а l₂ - толщина поглотителя.

На чертеже изображено заявляемое устройство. Оно включает в себя слои поглотителя 1, между которыми расположены детекторы 2 на основе алмазных пленок, каждые n выходов 3 которых соединены с входами сумматоров 4, причем n=L/(l₁+l₂), где L - ширина алмазного детектора, l₁ - его толщина, а l₂ - толщина поглотителя, образуя таким образом "башни" калориметра.

При прохождении высокоэнергетичных электронов или фотонов (с энергией >100 МэВ) через устройство развивается электромагнитный ливень и в алмазных детекторах 2 возникает ионизация. Ионы и электроны под действием электрического поля дрейфуют в противоположных направлениях и создают электрический сигнал, который поступает на вход сумматора 4. Амплитуда суммарного сигнала, собранного с группы детекторов, соответствует энерговыделению фотона или электрона в той части устройства, которая содержит эти детекторы ("башне") и, таким образом, формируется эффективная ячейка регистрации, позволяющая измерять пространственное развитие ливня.

Детекторы на основе алмазных пленок имеют следующие характеристики: длительность сигнала около 2 нс, радиационная стойкость в электромагнитных, нейтронных и адронных полях простирается до 100 Мрад (отсутствие заметных изменений характеристик детектора) и полное отсутствие зависимости сигнала от величины окружающего магнитного поля. Плотность алмазных детекторов почти в 5 раз выше плотности материалов, из которых изготавливаются сцинтилляторы, что резко уменьшает эффект "каналирования".

Электромагнитный калориметр для измерения энергии фотонов и электронов больше 100 МэВ, представляющий собой слои поглотителя, расположенные вдоль оси калориметра, между которыми проложены детекторы, длина которых равна длине калориметра по пучку, отличающийся тем, что детекторы выполнены на основе алмазных пленок и введены сумматоры, причем каждый из n выходов этих детекторов соединены со входами сумматоров, а количество выходов детектора определяется по формуле n=L/(l₁+l₂), где L - ширина алмазного детектора, l₁ - его толщина, l₂ - толщина поглотителя.