CC BY
14
УДК 539.1
ИЗУЧЕНИЕ ОДНОРОДНОСТИ ОТКЛИКА СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ТАЙЛОВ ДЛЯ ВЫСОКОГРАНУЛЯРНЫХ КАЛОРИМЕТРОВ
С. С. Корпачев1'2, М.В. Чадеева1'2
Современной тенденцией в калориметрии является повышение гранулярности калориметров. Высокогранулярный адронный калориметр, собранный из сцинтилляци-онных тайлов (ячеек) со считыванием сигнала кремниевыми фотоумножителями, разработан и т,ест,ирует,-ся коллаборацией CALICE. В работе представлено исследование однородности отклика тайла на минимально ионизирующие частицы, а также сравнение этих экспериментальных измерений с моделированием на основе пакета Geant4.
Ключевые слова: сцинтилляционные тайлы, однородность, высокогранулярный калориметр.
Введение. Коллаборация CALICE разрабатывает высокогранулярные калориметры для будущих экспериментов на коллайдерах. С 2006 по 2012 годы был проведен ряд успешных испытаний прототипов электромагнитных и адронных калориметров с беспрецедентной гранулярностью на тестовых пучках [1]. Сейчас разрабатывается новый технологический прототип адронного калориметра на базе сцинтиллятор-кремниевый фотоумножитель (SiPM). Главная цель этой разработки - тестирование новой технологии прямого считывания в системе сцинтиллятор-SiPM и демонстрация масштабируемости встроенной электроники, методов калибровки и режимов работы. Выбор конструкции с прямым считыванием оптического сигнала с помощью SiPM без спектро-смещающего волокна обусловлен требованиями массового производства, чтобы гарантировать реалистичность временных затрат на сборку адронного калориметра из ~8 миллионов тайлов (ячеек) для детектора ILD на будущем линейном коллайдере [2]. По результатам тестирования ячеек различной геометрии [3, 4] была выбрана форма
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: korpach@lebedev.ru.
2 НИЯУ МИФИ, 115409 Россия, Москва, Каширское шоссе, 31.
ячейки с лункой на большой поверхности, которая позволяет обеспечить приемлемую однородность отклика.
Образцы и экспериментальная установка. В работе представлены результаты тестирования и моделирования образцов тайлов, изготовленных для технологического прототипа адронного калориметра CALICE. Тайл изготовлен из материала BICRON4Ü8 на основе сцинтиллятора из поливинилтолуола и имеет размеры 30x30x3 мм3 в направлениях x, y и z, соответственно. Радиус лунки в центре одной из больших плоскостей равен 4.5 мм, а её глубина равна 1.6 мм. Тайл обёрнут в фольгу 3MTM ESR, которая является пленкой с улучшенными оптическими свойствами и очень высокой отражающей способностью. Обёртка имеет отверстие в центре над лункой для размещения SiPM и дополнительное отверстие для калибровочных целей.
Экспериментальная установка состоит из движущегося столика и неподвижной подставки. Подвижный столик позволяет выполнять прецизионное сканирование в плоскости xy, на нем закреплен ß-радиоактивный источник (90Sr) над и триггерная ячейка под измеряемым тайлом, а электроны из источника испускаются перпендикулярно плоскости xy. Появление сигнала в триггерной ячейке означало сквозное прохождение электрона через исследуемый тайл. Таким образом триггерная ячейка позволяла отсеять сигнал от низкоэнергетических электронов. Измеряемая ячейка в обёртке помещается на неподвижную плоскость. Плата с SiPM расположена над отверстием в обёртке из фольги. Для измерений был использован SiPM фирмы KETEK с рабочим окном 2.2x2.2 мм2, имеющий 12100 пикселей.
Электроны из источника, достигающие триггерной ячейки, имеют энергии от ~1.5 до 2.28 МэВ и могут имитировать минимально ионизирующие частицы. Шаг сканирования в плоскости xy был 1.5 мм в обоих направлениях, область сканирования имела размер ~35.0x35.0 мм2, чтобы гарантировать охват всей поверхности ячейки. Измеренная амплитуда в отсчетах АЦП записывалась в ASCII-файл на каждом шаге сканирования. Сигнал в единицах зарегистрированных фотоэлектронов вычислялся путем деления амплитуды в отсчетах АЦП на измеренный коэффициент усиления SiPM в единицах АЦП.
Моделирование сцинтилляционной ячейки. Для моделирования были использованы методы пакета Geant4 [5], описывающие транспорт оптических фотонов. Геометрические параметры модели соответствовали экспериментальному образцу, включая размеры тайла, триггерного тайла и ß-источника (диаметром 2 мм), толщину фольги и размеры SiPM и его чувствительного окна. Пакет Geant4 позволяет задать оптические
свойства для всех необходимых материалов и поверхностей. Из наиболее важных параметров моделирования следует отметить характеристики сцинтиллятора BICRON408 по данным производителя: световыход - 10000 фотонов на МэВ, коэффициент преломления - 1.58, длина поглощения - 0.6 м, а также его спектры излучения и поглощения. Коэффициент отражения фольги был смоделирован в зависимости от длины волны падающего фотона и менялся в диапазоне 0.9-0.98.
Результатом моделирования сигнала являлось число фотонов, образованных в результате прохождения частицы через измеряемый тайл и попавших в чувствительное окно SiPM. Поскольку процессы детектирования в самом кремниевом фотоумножителе не моделировались, были дополнительно введены детекторные эффекты. При этом количество фотоэлектронов в SiPM вычислялось как случайная величина из распределения Пуассона со средним, равным количеству фотонов, попавших в окно SiPM, умноженному на эффективность SiPM. Для данного SiPM эффективность была принята равной 0.15 и учитывала квантовую эффективность и геометрическую эффективность чувствительного окна SiPM. К сигналу был добавлен экспериментально измеренный шум, имеющий распределение Гаусса со средним и среднеквадратичным отклонением, равными 3 и 1.5 фотоэлектрона, соответственно.
Data MPV, p.e.
Рис. 1: Экспериментальное распределение наиболее вероятных значений отклика на минимально ионизирующую частицу.
МС МРУ, р.е
х, шт
Рис. 2: Моделированное распределение наиболее вероятных значений отклика на минимально ионизирующую частицу.
Результаты и выводы. Отклик на минимально ионизирующую частицу был экспериментально измерен и смоделирован для разных координат прохождения частицы в плоскости ху с шагом 1.5 мм. Было получено хорошее согласие между формами экспериментальных и модельных распределений отклика. При получении сигнальных распределений в экспериментальных данных был дополнительно выполнен отбор событий с минимальным значением отклика на уровне 200 отсчетов АЦП для отделения сигнала от шума. Для определения наиболее вероятного значения отклика (МРУ) в эксперименте и моделировании было проведено фитирование полученных распределений в каждой точке сканирования функцией Гаусса в диапазоне ±1.5 стандартного отклонения от среднего значения. Для получения устойчивых результатов была использована двухэтапная процедура фитирования.
По результатам фитирования были получены распределения МРУ по плоскости ячейки для эксперимента и моделирования, показанные на рис. 1 и 2, соответственно. Пустые (белые) квадратики на рис. 1 соответствуют точкам, где число сигнальных событий в экспериментальных данных недостаточно для надежного фитирования из-за большого уровня шума или из-за экранирования элементами установки. Для каждого из показанных распределений были вычислены среднеквадратичное отклонение от
среднего (RMS) и среднее значение (Mean) по всем точкам сканирования. Величина однородности определялась как отношение RMS/Mean. Так как точное расположение SiPM относительно поверхности тайла с лункой в эксперименте было неизвестно, в моделировании были исследованы три варианта: положение чувствительного окна SiPM на уровне поверхности тайла, а также положения чувствительного окна SiPM на 0.5 мм и 0.95 мм ниже поверхности тайла.
Полученное экспериментальное значение однородности отклика на минимально ионизирующую частицу равно 95.5±3.6% при среднем числе фотоэлектронов 37.1±0.6. Моделированное значение однородности, усреднённое по трём вариантам положения SiPM, составляет 96.4±3.4%, а среднего числа фотоэлектронов - 37.3±3.7%, что находится в хорошем согласии с экспериментальными данными. Измеренные значения отклика и его однородности свидетельствуют о том, что данные тайлы из сцинтиллятора BICRON408 удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ячейкам проектируемого детектора ILD.
Авторы выражают благодарность Б. М. Бобченко, В. Ю. Русинову и Е. И. Тарковскому за предоставленное оборудование и помощь в проведении измерений. Работа была выполнена при поддержке гранта МОН 14.W03.31.0026.
ЛИТЕРАТУРА
[1] C. Adloff et al., Journal of instrumentation 7, P09017 (2012). (arXzv:1207.4210).
[2] T. Behnke T (ed.) et al., The ILC TDR 4, Detectors arXiv:1306.6329, (2013).
[3] F. Abu-Ajamieh et al., Nucl. Instrum. Meth. A659, 348 (2011).
[4] B. Bobchenko et al., Nucl. Instrum. Meth. A787, 166 (2015).
[5] S. Agostinelli et al., Nucl. Instrum. Meth. A506, 250 (2003).
Поступила в редакцию 15 августа 2018 г.
Печатается по материалам VII межинст,ит,ут,ской молодёжной конференции "Физика элементарных частиц и космология 2018", Москва, ФИАН, 2018.
