CC BY
15
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА
им. С. М. КИРОВА
Том 278 1975
АППАРАТУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ ПРОТОНОВ ОТДАЧИ В РЕАКЦИЯХ ФОТОРОЖДЕНИЯ МЕЗОНОВ
П. С. АНАНЬИН, И. В. ГЛАВАНАКОВ, В. И. КРЫШКИН, В. Н. СТИБУНОВ,
А. Г. СТЕРЛИГОВ, Ю. П. УСОВ
(Представлена научно-техническим семинаром лаборатории высоких энергий НИИ ЯФ)
В экспериментах по исследованию фоторождения мезонов используется аппаратура, состоящая из протонного телеокопа и черепковского спектрометра. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Расположение аппаратуры в зале. СП-58 — очищающий магнит.
1. Протонный телескоп
Протонный телескоп состоит из трех сцинтилляд'ионных счетчиков (Сь Сг, С3) и четырех искровых камер. Телесный угол определяется счетчиком Сз и равен 4,05 миллистерад в лабораторной системе. Размеры, положение и характеристики счетчиков протонного телескопа приведены в табл. 1.
В счетчиках С1 и С2 световоды из плексигласа имеют вид, приведенный на рис. 2. Световод счетчика С3 изображен на ¡рис. 3 (конструкция световода для круглого сцинтилляционного счетчика С4 фотонного телеокопа аналогична конструкции, приведенной на рис. 2» но верхняя
У
4
Рис. 2. Конструкция световодов счетчиков С1 и С2: и =-■ (1, \2 — 5 см.
поверхность для сопряжения со ецинтиллятором сделана цилиндрической). Сцинтилляторы склеивались со световодами оптическим клеем ОК-72, обеспечивающим оптический контакт и механическую прочность. Сцинти л ляторы и оветоводы обернуты ватманом; на дальнюю от световода грань детектора наложен отражатель из алюмшшзироъэнного майлара. Оветозащита счетчиков осуществляется с помощью непрозрачной полиэтиленовой пленки.
Н
N
£ 50
Рис. 3. Конструкция световода и сцинтиллятора счетчика: 1 — световод, 2 — сциитиллятор.
Равномерность светосбора исследовалась с помощью коллимиро-ванного источника Счетчики С4 и С3 (для каждого из двух
ф.э. у. отдельно) имели равномерность светосбора 30—40%. На рис. 4 приведены результаты измерения равномерности светосбора счетчика Сз в двух взаимно перпендикулярных направлениях при суммировании сигналов с ф. э. у. А и Б. Для контроля за работой ф. э. у. к световодам приклеены йаР импульсные источники света.
Ф. э. у. отбирались с максимальной чувствительностью, для каждого из них подбирался режим питания с помощью светодиода, запитываемого генератором Г5-11. Все сопротивления делителей шунтировались емкостями 1 -=-2 • 103 пФ. В счетчике С] последние 9 динодов ф. э. у. шунтировались емкостями ~20 ¡мкФ. Дополнительно для устранения перераспределения напряжения из-за высоких загрузок (1—2-105 имп/цикл) последние диноды питались от отдельного сильноточного выпрямителя типа УИП-1.
-ц--г
Хсм 12 Ю 8 6 4 2 О 2 4 в 8 40 42 Хсм
Рис. 4. Зависимость коэффициента собирания света от места прохождения частицы. Л — ток ф.э.у., г — расстояние от центра сцинтиллятора. 1, 2 — измерения вдоль оси проходящей через ф.э.у. А и Б и в перпендикулярном направлении соответственно.
Таблица 1
Счетчик Расстояние от ми- Размеры, см Число и тип ф.э.у. 1 Примечание
шени, см 1
Протонный
телескоп
С! 47 13X8X0,7 1 ФЭУ-30 Дополнитель-
ное питание
ф.э.у.
с2 78 15X10X0,8 1 ФЭУ-30 (Щ/с1х — счет-
чик
С3 356 0 26Х1Д 2 ФЭУ-30 —
Фотонный
телескоп
с4 53 0 25X1 1 ФЭУ-30 —
С 63 0 34X30 1 ФЭУ-43 —
п 35 0 20X6 ■—1 полиэтилен
■Конструкция кожухов счетчиков обеспечивала удовлетворительную-экранировку от электромагнитных наводок, генерируемых высоковольтной аппаратурой.
Калибровка счетчиков
'Временное разрешение сцинтилляционных счетчиков измерялось на релятивистских электронах парного магнитного спектрометра с помощью вр ем я - ами литуднО'ГО конвертора. В качестве «стартового» счетчика использовался счетчик Сг, а «стоповый» менялся. Временное разрешение — полная ширина пика временного распределения на половине его высоты — представлено для разных комбинаций счетчиков в табл. 2.
Для измерения временного разрешения комбинации С3Л + С3В использовались два время — амплитудных конвертора, сигналы с которых суммировались и подавались на многоканальный анализатор. Улучшение временного разрешения для этой комбинации по сравнению с работой каждого ф. э. у. по отдельности связано с компенсацией временного разброса за счет геометрических размеров сцинтиллятора.
Таблица 2
Столовый с, С3Л С3Б Сзл + Сзв
счетчик
Лт, Н.с
1,4
ЗД
3,1
1,8—2
-Калибровка счетчика С2, измеряющего ионизационные потери частиц (с!Е/(1х) и используемого для подавления электронного фона, проводилась на парном магнитном спектрометре. Электроны с импульсом 300 МэВ/с проходили через счетчик 80 (10X10X1 см3) и счетчик С2, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга. Блок-схема калибровки приведена на рис. 5. Спектрометрический сигнал с 9-го динода ф. э. у. счетчика С2 раздваивался на линейном разветвителе (ЛР). Один из этих сигналов через линейные «ворота», открывавшиеся схемой совладений ОС 1 на 40 Нчс, подавался на интегратор (И) и затем анализировался многоканальным анализатором (АА). Во избежание перегрузок спектрометрического усилителя управление линейных борот производилось от форм ировател я «мертвого» времени (МВ) (]раб—'10 кГц). Схемы спектрометрического тракта более детально описаны в [|1].
Рис. 5. Блок-схема калибровки (1Е/<1х — счетчика. К — свинцовый коллиматор.
Изменением угла а между плоскостью детектора и пучком электронов от 90° до предельного угла, определяемого шириной сцинтиллято-ра и диаметром пучка электронов, изменяется путь /, проходимый электроном в сцинтилл!ЯТоре, /=с1/51т] а. Измерялась зависимость амплитудного распределения от эффективной толщины сцинтиллятора, то есть от энергии Ее, теряемой электроном в сцинтилляторе
где с1Е/с1х — удельные ионизационные потери электрона.
«Используя известные данные по ионизационным потерям протонов в сцинтилляторе и учитывая нелинейность оветовыхода сцинтиллятора в зависимости от сорта частиц и их удельной ионизации [2], можно перейти от энергии, теряемой электронами, к энергиям падающих протонов. На рис. 6 приведены зависимости энергетического разрешения и амплитуды импульса счетчика от поглощенной энергии.
Для градуировки интегрального дискриминатора управление линейных ворот производилось от схемы совпадения СС-2 (2т=25 не)
Рис. 6. Зависимость амплитуды импульса и энергетического разрешения dE/dx счетчика от энергии, теряемой частицами в сцинтилляторе.
Рис. 7. Амплитудные распределения dE/dx счетчика для энергий, теряемых в сцинтилляторе 1,86 и 3,6 МэВ. Пунктир — амплитудные распределения для разных уровней дискриминации при потерях энергии— 1,86 МэВ.
(рве. 5). Уровень порога выбирался из условия эффективной регистрации (~100%) протонов с энергией до 300 [МэВ. Получено подавление электронного фона при этом в 5 раз. На рис. 7 показаны амплитудные распределения импульсов счетчика при разных потерях энергии и амплитудные распределения счетчика в зависимости от уровня дискриминации. Из этих распределений находилась неопределенность уровня дискриминации, составлявшая ±<0,24 МэВ.
2. Черенковский у-спектрометр
Радиатор спектрометра состоит из двух блоков стекла ТФ-1: цилиндрического диаметрам 340 мм и высотой 100 мм и конического с диаметрами оснований 340 и 300 mim и высотой 200 mim, оклеенных клеем QK-72. Боковая поверхность радиатора покрыта алюминиевым рефлектором. Использовался один спектрометрический фотоэлектронный умножитель типа ФЗУ-49. Сигнал для амплитудного анализа брался
с последнего динода ф. э. у., «временной» — с анода умножителя. Калибровка спектрометра проводилась на парном магнитном спектрометре. Аналитические зависимости энергетического разрешения и амплитуды импульса спектрометра от энергии электронов Е и отклонения точки попадания электрона в радиатор от центра г имеют вид:
О 22
В = , А ^ Аосоэ (6° г).
УЕ (ГэВ)
Временное разрешение спектрометра, измеренное с помощью в. а. к., равно* 13 не (полная ширина на половине высоты) и практически не зависит от энергии в диапазоне 100-=-600 МэВ.
3. Искровые камеры и высоковольтное питание
Устройство и основные размеры камеры приведены на рис. 8. Рабочий объем камеры образован двумя электродами 1 и 2 и стеклянными стенками 3. Электрод 2 и латунная рамка 4 приклеены к стенкам 3 смолой ЭД-5. Электрод 1 съемный, он крепится к рамке 4 с помощью
360
Л.
ь 0-У//Ж
*
/i* i
: ч и
ш
Рис. 8. Устройство и основные размеры искровой камеры.
винтов по периметру рамки, уплотнение осуществляется с помощью вакуумной смазки. Десять полиэтиленовых пластин 5, каждая размером ЗБ0Х'320Х'Ю мм3, укрепляются с помощью полиэтиленовых распорок, расположенных по углам камеры. Электроды 1 и 2 дюралюминиевые, их толщина в рабочей области камеры составляет 0,1 мм, камера на-п о л н я етс я н еоном.
Емкость одного газового зазора камеры составляет 100 пФ, емкость полиэтиленовой пластины 220 пФ. Поэтому при напряженности электрического поля в газовых зазорах 20 кВ/см необходимая амплитуда высоковольтного импульса составляет 280 кВ.
Схема расположения искровых камер и подключения к ним ГИНов приведена на рис. 9. В первом варианте ГИНы были выполнены по схеме Аркадьева-Маркса с двухсторонней зарядкой [3]. ГИН срабатывает при поджите тригатрошюго разрядника в первой ступени ГИНа импульсом с амплитудой 8—10 кВ. Регулировка длительности импульса на выходе Г1 И,На осуществлялась с помощью срезающего разрядника тригатронното типа. ГИН наполняется газообразным азотом до дав-
3—72
33
Рис. 9. Схема расположения искровых камер и подключения к ним ГИНов. 1 — плексигласовая плита, 2 — контактная система, 3 — проходной изолятор, И — разрядные сопротивления.
ления 5—6 атм. Максимальная амплитуда импульса на выходе Г-ИНе составляла 360 кВ, длительность фронта импульса при включении некровных камер — 10 не, время срабатывания ГИНа составляло 70 не, по мере износа электродов разрядников (104—105 срабатываний) это зремя увеличивалось до 150—200 не.
Эксплуатация искровых камер выявила ряд недостатков выбранного первоначального варианта высоковольтного питания:
1) ненадежность керамических конденсаторов К-15-4 с рабочим напряжением 30 кВ в режиме разряда на короткое замыкание;
2) нестабильность срезающих разрядников ГИНов, проявляющаяся после 103 срабатываний и приводящая к изменению длительности высоковольтного импульса.
Поэтому во втором варианте в ГИНах были использованы конденсаторы К-16-4 емкостью 1000 пФ и рабочим напряжением 40 кВ по 5 конденсаторов в каждой ступени ГИНа. Была применена схема односторонней зарядки 10-й ступени ГИНа. Кроме того, во втором варианте высоковольтного питания импульс фиксированной длительности формируется не с помощью срезающего разрядника, а пассивной цепью — разрядным сопротивлением R=-80 Ом, рис. 9. Каждое сопротивление R образовано пятью включенными параллельно сопротивлениями типа ТВО-20.
4. Система регистрации информации с анализаторов
Одновременно с фотографированием трека в искровой камере фиксировалось: время пролета частицы, энергия раопадного у-квант а и доза излучения на событие.
Цуги импульсов с двух БАЛов подавались на пересчетные приборы ПП-9-1 (п. п.). Для более эффективного использования п.п. был добавлен еще один вход и индикация разбита на две группы по три декады. Для этого изготовленный блок усилителя-дискриминатора БУ-3 вставлен на место блока БП-17. Для увеличения частоты повторения входных импульсов по второму входу один из блоков БП-18 переделан по схеме блока БП-20. Блок программного управления (БПУ) запускался импульсом первого БУ-13 и управлял одновременно обоими уси-лител)ям1и-дискриминат0рами и всей шкалой индикации [4].
Для устранения влияния электромагнитных наводок ГШ-9 помещались в экран из листового железа.
5. Система запуска искровых камер
Блок-схема электроники приведена на рис. 10. Счетчики С[ и С$ измеряют время пролета частицы на базе 3 м. Счетчик С2 находится на расстоянии 50 см от С1 и его роль — уменьшить число случайных совпадений между счетчиками С1 и С3. Совпадения между импульсам
Рис. 10. Блок-схема электроники. Ф — формирователь, Д — интегральный дискриминатор, В — «ворота», JIB — линейные «ворота»* СС — схема совпадений, ФМВ — формирователь мертвого времени» ЭП — эмитерный повторитель.
фотоумножителей, просматривающих сцинтиллятор С3, устраняют срабатывание от шумовых импульсов (уровень шумовых импульсов был довольно высок, так как для улучшения временного разрешения необходимо поднимать напряжение на ф.э. у.) и от импульсов черенков -с ко го излучения в световодах. Разрешение схемы СС2, равное 4 не, определялось по методу [б] и соответствовало временному разбросу в сцинтилляторе и ф.э. у. Разрешающее время схемы совпадения ССЗ-выбиралось так, чтобы в него укладывались времена пролета протонов, с требуемой кинетической энергией. Так как эта схема совпадения управляла линейными воротами, через которые проходили сигналы от счетчиков Ci и С3, то время-амплитудный конвертор регистрировал сигналы с временным интервалом не больше разрешающего времени схемы совпадения ССЗ. Линейный диапазон конвертора 60 не [6],. схема совпадения вырезает участок порядка 30 не, а линией задержки ЛЗ этот диапазон сдвигается так, чтобы частицы с не регистрировались. Кроме того, использование «ворот» резко снижает запруз-ку в. а. к., обладающего большим «¡мертвьим» временем. Сигнал от счетчика Ci через линейные ворота идет на схемы совпадения СС4 и СС5. Сигнал схемы GG5 управлял линейными воротами, через которые
з*
3S
проходил сигнал черенковсшго спектрометра на БАП анализатора. Сигналы схемы совпадения ОС5 включали индикаторную лампочку. Цуги импульсов с БАПов АИ-256 подавались на пересчетные приборы ПП-9-1, работающие в режиме импульсной подсветки. Импульс черенковсшго спектрометра, совпадающий с импульсом от протонного телескопа, запускает высоковольтное питание. «Ширина» ворот, равная 0,6 мкс, была достаточно малой, чтобы поддерживать число случайных совпадений менее 5%, так как загрузки по «управлению» и «входу» ворот были весьма малы. Полиэтиленовый поглотитель толщиной 6 см перед счетчиком С4 уменьшает фон низкоэнергетичеоких частиц и фон нейтронов.
Сига алы со схемы совпадения ОС4 поступали на ПЛ-0-.1, счет с этой схемы калибровался по квантометру, точность воспроизводимости счета была не хуже 2%, и число на пересчетном приборе указывало дозу излучений у-квантов, соответствующих срабатыванию И. К. Одновременно сигналы с БАПов и со схемы совпадений ОС4 поступали на пересчетное устройство «Печать», откуда списывались на цифропечата-ющее устройство.
7. Оптическая система фотографирования треков в искровых камерах
Система фотографирования ИК представлена на рис. 11. Две проекции ИК фотографировались (рис. 12) через две плексигласовые
Рис. 11. Оптическая система искровых камер.
-линзы 87X50X10 см3 с фокусным расстоянием 1=4 м. Зеркала стеклянные. Зеркала 4 и 5 служат для ввода в кадр ¡информации с 2 Перес ч етн ы х п р ибо ров ПП-9-1. Фото г р аф и ров ание про изв од и л о с ь фото -камерой РФК-5 с объективом «Гел'иос-40», 1 = 5 см на пленку типа 15, 1300 ед. ГОСТ. Для вычисления поправок на геометрическое искажение координат трека оптической системой фотографирования в 4 плоскостях, параллельных стенкам ИК, нанесено по 8 крестов. Подсветка крестов — импульсная и синхронизированная с импульсом запуска РФК-5. Кресты нанесены на координатно-расточном станке типа 2А450, точность -ьЮ мкзм. Точность установки в вертикальной плоскости равна ±(Ш0 мкм. На рис. 12 приведена одна из стереофотографий трека протона, рассеявшегося в пластинах искровой камеры.
8. Расчет эффективности регистрации
Эффективность регистрации процесса
в основном определяется эффективностью регистрации распадных фотонов черенковским спектрометром, апертура которого меньше, чем угол разлета распадных фотонов. Следовательно, экспериментальная установка будет регистрировать указанный процесс не со стопроцентной эффективностью. Для ее расчета использовался метод, описанный в
Рис. 12. Стереофотография трека протона, рассеявшегося в пластине камеры.
€% ЮО 80 60 4О 20
Ш 500 600 700 800
Е (Мэб)
Рис. 13. Эффективность регистрации л°-мезонов по распадным фотонам черепковским спектрометром в зависимости от энергии тормозных фотонов, рассчитанная методом Монте-Карло.
работе [7]. Расчет выполнялся методом Монте-Карло на ЭВМ БЭСМ-4. На рис. 13 приведено полученное значение эффективности регистрации л°-мезо1нав по у-та антам распада в зависимости от энергии тормозных фотонов. Точность расчета равнялась ~3%.
ЛИТЕРАТУРА
1. В. А. А у л ь ч е н к о, Ю. В. Коршунов. Преприт ИЯФ СО АН СССР, 14, Новосибирск, 1970.
2. F. D. Brooks. Progr. Nucí. Phys., 5, (1956), 252; Т. J. Gooding and H. G. Pug. -Nucí. Instrum. and Meth. 7, (I960), 189.
3. П. С. Ананьин, В. И. Крышкин,, А. Г. Стерлигов. Ю П. Усов. Труды НИИ ЯФ, выпуск 2, 1972, 92.
4. П. С. Ананьин. Настоящий сборник.
5. В. И. Крышкин, В. Н. Стибунов, Н. П. Федоров. ПТЭ, 4, 1971, 99.
6. В. И. Крышкин, В. Н. Стибунов, Н. П. Федоров. ПТЭ, 6, 1970, 64.
7. С. Bacci, С. М е п с и с с i п i, G. Pensó et al. Accademia Nazionale dei Jincei, 49, (1965), 452. .
