Черепковские кристаллы Nabi(W04)2:In для электро магнитной калориметрии Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.1.074.3

ЧЕРЕНКОВСКИЕ КРИСТАЛЛЫ ^В1(\У04)2:1п ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ КАЛОРИМЕТРИИ

Б. И. Заднепровский1, В. А. Козлов, Л. Н. Моисеева, В. А. Нефедов1, А. Р. Теркулов1

В данной работе были разработаны и исследованы бесцветные черепковские кристаллы МаШ(УУ04)2:1п. Уменьшение концентрации центров окраски обеспечивает смещение спектра оптического пропускания в кристаллах ЫВХУ на 50 нм в область коротких длин волн. При облучении этих кристаллов 7-квантами дозой 3-10' рад спектры оптического пропускания кристаллов остались практически прежними. В работе также обсуждается полученное с помощью вычислений методом Монте-Карло энергетическое разрешение калориметров, изготовленных из кристаллов АВИ'' различного состава.

Монокристаллы двойного вольфрамата натрия-висмута КаВ1(\У04)2 (КВ\¥), известные ранее своими акусто-оптическими и лазерными свойствами, были предложены для использования в электромагнитной калориметрии в экспериментах по физике высоких энергий в 1991 г. [1-2]. Основные характеристики черенковских кристаллов (МВ\У) приведены в табл. 1.

Кристаллы КВ\¥ больших размеров были впервые выращены во ВНИИ синтеза минерального сырья (г. Александров) в 1990 г. Кристаллы выращивали методом Чо-хральского в воздушной атмосфере из платиновых тиглей при температуре расплава 940-980°С, используя шихтовую смесь Ка2С0з:В1203:4\¥0з.

Освоение производства кристаллов МВ\¥ больших размеров стимулировало исследования их оптических характеристик и радиационной стойкости [1, 3, 4]. В этих работах

^НИИ синтеза минерального сырья (г. Александров).

было показано, что радиационные повреждения кристаллов N13У/ незначительны для доз ~ 106 рад, что открывало возможность использования этих кристаллов в радиационных полях с дозами до 106 рад/год и выше.

Таблица 1

Метод выращивания По Чохральскому

Плотность, р г/см3 7.57

Твердость Моос 4.9

Показатель преломления, п 2.15

Радиационная длина, Хо см 1.03

Радиус Мольера, Ят см 2.38

Критическая энергия, Ес МэВ 9.95

Оптическое пропускание нм > 380

Точка плавления с0 920

Гигроскопичность нет

С 1995 г. кристаллы NBW успешно используются в мониторе светимости, а также в калориметре продольного поляриметра эксперимента ГЕРМЕС [5].

Монитор светимости и калориметр продольного поляриметра эксперимента ГЕРМЕС эксплуатируются в тяжелых радиационных условиях на расстоянии в несколько миллиметров от первичного пучка. И хотя кристаллы NBW удовлетворяют стационарным условиям работы по радиационной стойкости, возможность существенного превышения дозы радиации всегда существует за счет внезапных потерь электронного пучка и фона от коллиматоров при плохом наведении пучка.

Кроме того, в последнее время в связи со строительством новых ускорителей возникла необходимость в сверхрадиационностойких черенковских радиаторах, способных работать в областях вблизи пучка. Все это стимулировало продолжение работ по улучшению радиационной стойкости кристаллов NBW.

Другой проблемой кристалла NBW является низкий световыход черенковских фотонов (около 30% от полного выхода). Из-за высокого показателя преломления (п = 2.15) значительная часть черенковских фотонов претерпевает полное внутреннее отражение и остается в кристалле. Кроме того, кристаллы NBW с границей оптического пропускания выше 380 нм недостаточно прозрачны для черенковского света. Энергетическое разрешение электромагнитного калориметра на основе кристаллов NBW, измеренное на электронном пучке в DESY, составило около 9%/у/Ё. Очевидно, что дальнейшее

улучшение энергетического разрешения электромагнитных калориметров на базе КВ\\ связано с получением кристаллов, имеющих большую оптическую прозрачность. Количество черенковских фотонов на выходе кристалла NBW может быть увеличено путем расширения диапазона оптического пропускания в УФ область, где наблюдается резкий рост интенсивности черенковского излучения.

Улучшение оптических характеристик и радиационной стойкости кристаллов КВ\\ проводилось в рамках специальной программы. Исследовалось влияние исходного сырья, изменение стехиометрии кристалла, а также эффект различных добавок.

Анализ полученных ранее данных [6] показывает, что смещение края фундаментального поглощения в длинноволновую область, присутствие центров желтой окраски и радиационная стойкость кристаллов МВ\¥ коррелируют с наличием и интенсивно стью полосы поглощения в районе 350-420 нм. Было показано, что эта полоса связана с присутствием вакансий вольфрама и катионами висмута в позициях Ка.

По-видимому, присутствие этих дефектов приводит к формированию в запрещенной зоне глубоко лежащих полос акцепторных и донорных уровней, переходы между которыми и зонами (проводимости и валентной), определяют наблюдаемое смещение края поглощения кристаллов в длинноволновую область. Допирование кристаллов некоторыми примесями, например, Бс, и создание избытка вольфрама при выращивании кристаллов позволило частично компенсировать влияние этих дефектов и улучшить пропускание кристаллов в области ближнего ультрафиолета и повысить их радиационную стойкость [6].

В результате дальнейшей апробации ряда других примесей нами было установлено, что одним из наиболее эффективных является 1п. Не детализируя здесь физико-химический механизм достигнутого эффекта, отметим, что он может быть связан с заполнением низкоэнергетических состояний в зоне проводимости. В этом случа» собственное поглощение, связанное с переходами в эти состояния, невозможно, что и вызывает смещение края поглощения в сторону больших энергий и, соответственно, ослабление и устранение полосы 350-420 нм.

Допирование кристаллов 1п проводили с помощью оксида 1п20з, вводимого в исходный расплав. Концентрации ¡ПгОз варьировали в диапазоне 0.1-2% масс. Эффект допирования визуально был выражен в ослаблении, вплоть до полного исчезновения, желтой окраски кристаллов. В спектрах пропускания это сопровождалось смещением края поглощения в УФ область на 50 нм (рис. 1). Появление каких-либо дополнительных полос поглощения не отмечено.

70

60 50 40

20 10 0

Рис. 1. Спектры оптического пропускания для кристаллов NBW(pure) и NBW(In).

= !

1--- - ■ *-- ■

|

2 / / • NBW (pure) ■ NBW (In)

2

А г

jf" J J j 1 W

.....

гТТТГ мм — , . ■ , , ■ . , , . . ,

350 400 450 500 550 600 650 700 750

X, nm

Радиационная стойкость кристаллов NBW(pure) и NBW(In) изучалась с помощью радиоактивного источника 60Со мощностью 200 рад/сек. Каждый кристалл облучался дозой 3 ■ 107 рад. Спектры оптического пропускания до и после облучения представлены на рис. 2. Отметим, что для такой дозы радиационные повреждения новых кристаллов NBW(In) отсутствуют.

Для определения энергетического разрешения калориметра на основе матриц из кристаллов NBW(pure) и NBW(In) проводилось моделирование методом Монте-Карло с помощью программы LITRANI, разработанной F. Gentit (коллаборация CMS) [7].

Моделировалась кристаллическая матрица 3 X 3 с размерами каждого кристалла NBW 22 х 22 х 200 мм. Кристаллы в модели были обернуты в фольгу из алюмини-зированного майлара толщиной 25 мк. Оптический контакт кристалла с ФЭУ осуществлялся с помощью специальной оптической смазки Dow Corning Q2-3067. В качестве характеристик детекторов черенковских фотонов использовались параметры фотоумножителя Hamamatsu R4125Q с кварцевым окном и диаметром фотокатода 15 мм.

В расчетах использовалась длина поглощения, рассчитанная по формуле

70 60 40 50

н'зо.

20 10

0

Е= 1 i :: —К-1 * ■ * JL ^ \

S -.1 .... J ........—--f- T T4...... У

T« : * и ,

■ J 'i L_ ■ •£f • Before irradiation ■■■ ;.:- v ■ .-. "After irradion dose of 30 Mrad E

i . I 1 * f j 1 !

-.....SI^L .. ..'„.^..... :. ---- " .. .. .....•: ......л-,. ..-i

: i J : T i i С • " .• :. 1 ?.

|'"M **"**•• " ' **" .......' ' " - .!!. .. 1.. .! . . . f . . i . . 1. .. i

(а)

350 400

450

500 550

600

650

700 750 'k, nm

350

400 450 500 550

600 650

700 750 X, пш

Рис. 2. Спектры оптического пропускания для кристаллов МВЦг(риге) (а) и МВ\У(1п) (б) до и после облучения дозой 3 • 107 рад.

ЬАЬ =-. 1 (1)

Ц(Г(1 - ТзУЖу/Щ + - ПУ - 2Г|)]

где / - длина кристалла, Т - измеренное продольное пропускание, Т5 - идеальное пропускание, ограниченное только потерями на двух торцах кристалла.

Центральный кристалл в 3 х 3 матрице облучался электронами с энергиями:

2, 5, 10, 15, 20 ГэВ. Фотоны и электроны электромагнитного ливня с энергией ниже 10 КэВ не использовались в расчетах.

Для данной статистики частиц электронного пучка получалось распределение числа фотоэлектронов, имеющее форму распределения Гаусса с параметрами а и Е. Энергетическое разрешение вычислялось как а(Е)/Е. Расчетные значения энергетического

- г Г ; г ] f !

[Л г \ i \ Г ; т i 1 Г ? i i i

\ • V • . v • • V ; V- • V > • V • ■ V >;• •NBW (pure) ANBW (In)

- 1 \ 'V » [ т » 1 1 ! 1 Г ? i i

- : • v • • v j V . v • • v •

- 1 ... .v. ■ >| ^ . ! [ ^-T I- . 1

iiil lit illicit

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Е, GeV

Рис. 3. Энергетическое разрешение электромагнитного калориметра на основе кристаллов NBW(pure) и NBW(In).

разрешения аппроксимировались формой

С7(E)

© с,

(2)

Е у/Ё

где © означает, что суммирование производится квадратично.

Расчетная зависимость энергетического разрешения 3x3 матриц из кристаллов КВ^У(риге) и бесцветных КВ\¥(1п) представлены на рис. 3. Параметры аппроксимации приведены в таблице.

NBW(pure) NBW(In)

b(%) 9.6 ±0.4 7.6 ±0.4

c(%) 1.4 ±0.3 1.0 ±0.2

Из таблицы видно, что за счет сдвига спектра оптического пропускания в УФ область и соответственно увеличения выхода из кристалла черенковских фотонов, энер гетическое разрешение электромагнитного калориметра на основе NBW существенно улучшено.

Отметим, что способ улучшения оптического пропускания и радиационной стойкости кристаллов NaBi(W0,j)2 путем введения оптимальной добавки в исходную шихту является экономически наиболее выгодным по сравнению с многократной очисткой компонентов шихтовой смеси.

ЛИТЕРАТУРА

[1] G. I. Britvich et al., Preprint IHEP 91-134 (IHEP, Protvino, Russia, 1991); Nucl. Instr. and Meth. A321, 64 (1992).

[2] В. А. Нефедов и др., "Черенковский детектор", 1991, Патент СССР N 1817932.

[3] V. G. Baryshevsky et al., Nucl. Instr. and Meth. A322, 231 (1992).

[4] V. Samsonov, Proc. of the Workshop "Crystal 2000", Chamonix, France, (1993) (Edition Frontières, Gif-sur-Yvette Cedex, 1993), 383.

[5] К. Ackerstaff et al., "HERMES Spectrometer", Nucl. Instr. and Meth. A417, 230 (1998).

[6] В. I. Zadneprovski et al., Nucl. Instr. and Meth. A486, 355 (2002).

[7] F. X. Gentit, CMS Note, 2001/044 (2001).

Поступила в редакцию 28 февраля 2007 г.