CC BY
19
УДК 539.1.07
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И УГЛОВЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК МОДУЛЯ ВОДНОГО ЧЕРЕНКОВСКОГО ДЕТЕКТОРА С ФОКУСИРОВКОЙ
СВЕТА
Г. И. Мерзон, А. С. Русецкий
Измерена эффективность регистрации электронов с энергией 450 МэВ модулем водного черепковского детектора с фокусировкой света в зависимости от угла между осью детектора и направлением пучка. В качестве фокусирующего устройства использовался бочкообразный зеркальный отражатель параболоидного типа. Для улучшения угловых характеристик детектора применялись конические экраны - шторки. Показано, что применение шторок улучшает угловое разрешение прибора, не уменьшая его эффективность в чувствительной области.
Развитие методов регистрации частиц для исследования потоков мюонов [1] и нейтрино [2, 3] высоких энергий на больших расстояниях от ускорителя привело к появлению водных черенковских детекторов с фокусировкой света [4 - 10].
Из-за естественной расходимости таких пучков их регистрация требует применения детекторов большой площади, в качестве которых удобно использовать подводные черенковские счетчики. При этом использование фотоприемников (ФЭУ) с фокусирующими насадками позволит значительно повысить радиус круга "обзора" открытого черенковского детектора, в котором эффективность регистрации частиц (при однофо-тоэлектронном пороге) превышает 90%, и тем самым увеличить эффективную площадь черенковского детектора [9].
Фокусировка света заметно улучшает эффективность детектора и отношение сигнал/шум. В частности, для пучка, идущего параллельно оси детектора, который содержит ФЭУ диаметром (I в фокальной плоскости зеркального рефлектора с диаметром
входного окна D [8-10], 1) амплитуда черенковского светового сигнала на фотокатоде ФЭУ увеличивается в C(D/d) раз, где коэффициент С ~ 1 зависит от формы рефлектора; 2) угловое разрешение детектора определяется соотношением Д0 ~ 0,46d/D\ 3) наличие отражателя не влияет на скорость счета изотропного светового фона.
Недостатком глубоководных детекторов является жесткая привязка к определенному месту в океане или озере и необходимость использования специальных научных кораблей для их обслуживания.
Регистрацию "дальних" нейтрино на больших расстояниях от ускорителя при зондировании Земли нейтринным пучком не обязательно связывать только с глубоководными экспериментами в озерах и морях. Многие из этих задач могут быть решены с помощью стационарных или передвижных детекторов большой площади. Выбор возможностей здесь весьма широк, однако наиболее дешевыми вариантами остаются наземные (или подземные) водные черенковские детекторы. Такими детекторами могут быть а) фотоприемники в естественных водоемах, например, в небольших озерах с прозрачной водой, закрытых от дневного света [11]; б) фотоприемники в искусственных водоемах бассейнах с очищенной проточной водой [12]; в) водные черенковские счетчики сотовой конструкции, состоящие из отдельных модулей.
Последний путь представляется предпочтительным, поскольку результаты, приведенные в [6], показывают, что применение даже сравнительно небольших параболических рефлекторов и ФЭУ позволяет создавать водные модули диаметром 4 - 5 л. Такие модули имеют весьма простую конструкцию, относительно хорошее угловое разрешение и могут эффективно регистрировать равновесные мюоны, сопровождающие нейтринный пучок. Объединение подобных модулей в годоскопы позволило бы получить дешевые детекторы с большой площадью регистраци (S ~ 102 — 103 м2).
В ФИАН разработан макет модуля водного черенковского детектора с фокусировкой света площадью поперечного сечения около 0,65 м2 (рис. 1). Модули имеют вид шестигранников, что позволяет состыковывать их в годоскопы практически без потери полезной площади. Каждый модуль предназначен для регистрации частиц, идущих вдоль его оси. Для снижения влияния посторонних частиц объем воды (около 300 л) ограничен двумя конусами с углом при вершине 2©с = 82,6°(0С ~ 41,3° - угол черенковского излучения в воде). Модуль имеет два фотоприемника с ФЭУ-110. Один из них, направленный навстречу пучку и снабженный бочкообразным параболическим рефлектором (диаметр рефлектора D = 25 см, диаметр ФЭУ d — 7 см, высота рефлектора Н — 26 см), дает сигнал совпадения, а другой, направленный по пучку, сигнал
антисовпадения и служит для устранения посторонних частиц. Конструкция модуля разборная. Его отдельные части сварены из листов нержавеющей стали толщиной 1,5 мм. В качестве герметизирующих прокладок используется резиновый шнур. Заливка и слив воды производится через отверстия, расположенные на передней стенке.
Рис. 1. Схематический разрез модуля водного черепковского детектора с фокусировкой света. 1 - водный объем; 2 - контейнеры с ФЭУ; 3 - параболический рефлектор; 4 ~ кольцевые конические экраны-шторки.
Для уменьшения постороннего фона и улучшения углового разрешения применялись конические экраны-шторки, пропускающие черенковский свет от частиц пучка, идущий под углами 41,3°±Д0Э(Д0Э - угловое расстояние между соседними экранами). Угловые характеристики водного черенковского детектора с фокусировкой света и коническими экранами были рассчитаны в [7]. Стенки детектора покрашены изнутри черной матовой краской.
В качестве радиатора излучения Вавилова-Черенкова использовалась обессоленная (деионизованная) вода, прозрачность которой существенно выше, чем у обычной или ди-стилированной и приближается к прозрачности чистой морской воды [б]. Постепенное
1
я
□ ТГ
ухудшение прозрачности воды потребовало ее периодической очистки перед каждым сеансом измерений путем пропускания через ионообменную колонку. Согласно измерениям [б] длина прозрачности воды из установки была равна б м для длины волны света 510 нм.
Контроль прозрачности воды осуществлялся по положению пика регистрируемого фотоприемником амплитудного распределения сигналов светодиода, помещенного в дальнем (от зеркала) углу шестигранника. Второй светодиод, расположенный у фотокатода ФЭУ, контролировал стабильность его работы.
Рис. 2. Расположение водного черепковского детектора Со в пучке электронов ускорителя С-60 ФИАН. 7 - пучок гамма-квантов; К - конвертор, е~ - пучок электронов; М - магнит; РЬ - свинцовый коллиматор; С\, Сг, Сз - сцинтилляционные счетчики; В - водный радиатор; Р - параболический рефлектор; Я - расстояние между осью детектора и пучком.
Модуль черенковского детектора устанавливался в экспериментальном зале ускорителя С-60 ФИАН на платформе и экспонировался в пучке электронов с энергией 450 МэВ (рис. 2). Перемещение и поворот подвижной платформы с модулем позволяли изучить его пространственно- угловые характеристики. Внешний пучок электронов создавался за счет конверсии на латунной пластине толщиной 5 мм 7-квантов от внутренней
мишени. После магнитного анализа и коллимации пучок формировался сцинтилляцион-ными счетчиками С\(10x10x1 см3) и Сг, Сз(3х3х1 см3), включенными на совпадения. Временная растяжка пучка составляла 0,1 с, интенсивность 10 —102 электронов за сброс при длительности цикла 5 с.
В эксперименте измерялась эффективность т]и детектора, определяемая отношением четверных (Со, Сь Сг, Сз) совпадений сигнала черенковского детектора Со с сигналами сцинтилляционных счетчиков и тройных (С\,С2,Сз) совпадений при временном разрешении г = 0,1 м к с,
_ _ С0С1С2С3
^ " АГ, ~ СгС2С3 '
в зависимости от расстояния Я и угла 0 между пучком и осью фотоприемника. Одновременно измерялась эффективность т)с регистрации случайных совпадений (Со, С\, С2, Сз), когда сигнал от черенковского детектора задерживался на время ¿3 = 0,2 мкс > т. Ис-тиная эффективность детектора
и при г}с < г/и близка к т/и. Высоковольтное питание ФЭУ выбиралось таким образом, чтобы амплитуда однофотоэлектронных сигналов была выше порога дискриминации (14 мВ) сигналов ФЭУ в логическом канале.
Измерения угловой характеристики модуля (рис. 3) показали, что в случае рефлектора без шторок она имеет большую ширину. При 0 ~ 20° наблюдается рост эффектив ности, обусловленный попаданием на ФЭУ прямого черенковского света. С увеличением угла эффективность падает, поскольку частицы, дающие неотраженный свет, не попадают в объем радиатора. Влияние прямого света устраняется постановкой конических кольцевых шторок внутри параболического рефлектора. Шторки позволяют также снизить эффективность регистрации электронов, идущих под углом 0 = 20с ~ 82,6° к оси детектора. Уменьшение шага между соседними шторками с 10 мм до 5 мм улучшает угловое разрешение детектора в два раза (с Д0 ~ 24° до Д0 ~ 12°) при небольшом снижении эффективности. Расположение шторок внутри рефлектора оказалось более выгодным, чем вне его. Результаты измерений угловых характеристик детектора совпадают с оценками, сделанными в [7].
Зависимость эффективности детектора от расстояния Я между его осью и пучком (рис. 4) несколько иная, чем для прототипа [6]. Наблюдается некоторое снижение эффективности при прохождении пучка через центр и периферию детектора. Объяснение
Г| Т|
Рис. 3. Угловые характеристики Т](&) модуля водного черепковского детектора с фокусировкой света (Л = 0,3 м); 0 - угол между направлением пучка и осью детектора, а) • - без шторок; о - шторки с шагом 0,5с.м вне рефлектора; А - шторки с шагом 0,5сл внутри рефлектора, б) Шторки внутри рефлектора: • - шаг 1 см; А - шаг 0,5 см; о - шаг 0,5 см при включенном счетчике антисовпадений.
этого, по-видимому, заключается в том, что в обоих случаях на пути пучка оказывается толстый слой вещества (стальной фланец тощиной 2 см), благодаря чему часть электронов, попавших в водный радиатор, теряет энергию и рассеивается, так что их черенковский свет не попадает на фотоприемник. Это обстоятельство не должно сказаться при регистрации релятивистских равновесных мюонов нейтринного пучка. Анализ амплитудных спектров показал, что снижение эффективности детектора является следствием уменьшения средней амплитуды сигналов, т.е. ослабления черенковского света, попавшего на фотоприемник.
Исследование влияния на характеристики детектора антисовпадательного фотоприемника показало нецелесообразность его применения: подавление посторонних частиц оказалось меньше, а снижение эффективности регистрации полезных событий больше, чем при применении шторок.
По результатам измерений можно сделать вывод, что водяной черенковский детек-
Л
_|->-■ --1—»>
О 10 20 30 40 50 И,см
Рис. 4. Зависимость эффективности черепковского детектора г; от расстояния Я между осью детектора и пучком (0 = 0). Кривая - результат расчета эффективности для прототипа [6].
тор модульной конструкции с фокусировкой света и кольцевыми коническими экранами - шторками может служить в качестве наземного (подземного, подводного) детектора равновесных мюонов, сопровождающих пучок "дальних" нейтрино. Детектор дешев в изготовлении, обладает узкой угловой направленностью и высокой эффективностью регистрации, не чувствителен к фону медленных частиц. Модульная конструкция детек тора позволяет собирать годоскопы площадью 102 — 103 -и2, что необходимо для регистрации "дальних" нейтрино на больших расстояниях от ускорителя. Альтернативой годоскопу может служить закрытый водный бассейн с погруженными в него фотоприемниками. Опыт эксплуатации водных черенковских детекторов с замкнутым объемом воды показывает необходимость применения в них высокопрозрачной деионизованной воды с ее периодической или постоянной очисткой в ионообменной колонке.
ЛИТЕРАТУРА
[1]Пустоветов В. П., Т р у б к и н Ю. А., Федоров В. М. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 4, 58 (19S2).
[2] Б е р е з и н с к и й В. С., 3 а ц е п и н Г. Т. УФН, 122, 3 (1977).
[3] Петрухин A.A. Исследование мюонов и нейтрино в больших водных объемах, Труды 1-й Всесоюзной конференции, Алма-Ата, 1983, с. 3.
[4] М е р з о н Г. И., М и н а с я н Д. И., Р у с е ц к и й А. С., Ц а р е в В. А. Препринт ФИАН N 173, М., 1989.
[5] А б и н А. А., К о б ы л я н с к и й В. В., М е р з о н Г. И. и др. Препринт ФИАН N 159, М., 1990.
[6] Г р и ш и н В. М., М е р з о н Г. И., М и н а с я н Д. И.,
Р у с е ц к и й А. С., Ц а р е в В. А. Препринт ФИАН N 97, М., 1991; Краткие сообщения по физике ФИАН, N 7 - 8, 43 (1994).
[7] Р у с е ц к и й А. С. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 7, (1998).
[8] Г о г и т и д з е Н. 3., Ц а р е в В. А., Ч е ч и н В. А. Препринт ФИАН N 94, М., 1984; Краткие сообщения по физике ФИАН, N 46, 23 (1984).
[9] Г о г и т и д з е Н. 3., Ц а р е в В. А., Ч е ч и н В. А. Препринт ФИАН N 216, М., 1988.
[10] Г о г и т и д з е Н. 3., Ц а р е в В. А., Ч е ч и н В. А. Препринт ФИАН N 260, М., 1988.
[И] М я г к и х А. И., X а р л а м о в 10. М. Океанология, 26, 721 (1986). [12] Данильченко И. А., Петрухин А. А., Потапов Г. А. Исследование мюонов и нейтрино в больших водных объемах, Труды 1-й Всесоюзной конференции, Алма-Ата, 1983, с. 78.
Поступила в редакцию 28 апреля 1998 г.
