CC BY
9
УДК 539.1.08
КАЛИБРОВКА ЛИВНЕВОГО СВИНЦОВО-СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО СПЕКТРОМЕТРА НА КОСМИЧЕСКОМ ИЗЛУЧЕНИИ
В. И. Алексеев1, В. А. Басков1, В. А. Дронов1, А. И. Львов1, А. В. Кольцов1, Ю.Ф. Кречетов2, В. В. Полянский1, С. С. Сидорин1
Представлены результаты калибровки космическими мюонами ливневого свинцово-сцинтилляционного спектрометра типа "сэндвич" толщиной 8.5X0, предназначенного для работы в высокоинтенсивных фотонных и электронных пучках (~106 частиц/сек) с энергией 0.11.0 ГэВ. Обнаружено, что относительное энергетическое разрешение спектрометра зависит от угла входа космических мюонов в спектрометр в вертикальной плоскости и не зависит от угла входа в горизонтальной плоскости. Относительное энергетическое разрешение спектрометра составило 5 = 16%. Помещение перед спектрометром дополнительной свинцово-сцинтилляционной сборки толщиной 2.2X0 улучшило относительное энергетическое разрешение спектрометра до 5 = 9%.
Ключевые слова: спектрометр, сэндвич, сместитель спектра, космические мюоны, триггер.
В экспериментальной физике для регистрации электромагнитных продуктов распадов (гамма-квантов, электронов и позитронов), а также определения характеристик калибровочных электронных (позитронных) и фотонных пучков остаётся актуальной задача совмещения в одном детекторе хорошего временного и энергетического разрешений. Хорошее энергетическое разрешение традиционно достигается применением различных типов кристаллов (NaI(Tl), CsI и т. д.), в которых для получения хорошего
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: baskov@x4u.lebedev.ru.
2 Объединенный институт ядерных исследований, 141980 Россия, Московская область, Дубна,
ул. Жолио-Кюри, 6.
временного разрешения используется разбиение детекторов на составные части с вставками из быстрого пластического сцинтиллятора или выделение быстрой компоненты во временном спектре [1]. Тем не менее, остаётся интерес к наиболее дешевым и обладающими большими конструктивными возможностями многопластинчатым свинцово-сцинтилляционным спектрометрам типа "сэндвич" [2, 3].
В Отделе ядерных исследований Физического института им. П. Н. Лебедева на ускорителе "Пахра" созданы калибровочный канал высокоинтенсивного ~1010 е-/сек выведенного пучка электронов энергией 250-500 МэВ с возможностью изменения интенсивности до ~103 —105 е-/сек и калибровочный квазимонохроматический пучок вторичных электронов (позитронов) на основе тормозного пучка фотонов с энергией 30-300 МэВ и интенсивностью при диаметре основного коллиматора 30 мм до ~102 е-(е+)/сек [4]. Для определения характеристик калибровочных пучков создан двухканальный ливневый свинцово-сцинтилляционный спектрометр (ЛС) со снятием сигналов с помощью одного сместителя спектра (шифтера) (рис. 1).
Рис. 1: Схема двухканального ливневого свинцово-сцинтилляционного спектрометра (ЛС) с использованием сместителя спектра (шифтера): 1 - свинцово-сцинтилляционная сборка; 2 - оргстекло со сместителем спектра; 3 - алюминизи-рованный майлар; 4 - ФЭУ-85; 5 - делитель напряжения; 6 - корпус для ФЭУ; 7 -внешний светозащитный корпус.
Рис. 2: Схема калибровки ЛС на космических мюонах: С\~Сз — сцинтилляци-онные триггерные счетчики; РЬ - свинцовый блок; ЛС - ливневой свинцово-сцинтилляционный спектрометр.
При конструировании свинцово-сцинтилляционного спектрометра было учтено, что применение фотоумножителей (ФЭУ) с быстрым временем формирования сигнала, сцинтилляторов с быстрым временем высвечивания и наличие двух каналов, с помощью которых можно будет формировать внутренний триггер, даст возможность работать спектрометру в условиях больших загрузок и значительно снизить число случайных совпадений. Учитывалось также, что снижение числа случайных совпадений будет обусловлено наличием естественного энергетического порога, существующего в случае развития электромагнитного ливня в веществе спектрометра. Поэтому, для снятия сигнала со свинцово-сцинтилляционной сборки было решено использовать сместитель спектра (шифтер) [3, 5].
Конструкция ЛС является типичной для спектрометров такого типа. Спектрометр содержит 23 пластины свинца (2 мм) и пластического сцинтиллятора типа "полистирол" (5 мм) с поперечными размерами 160x160 мм2. Общая толщина спектрометра состави-
ла 8.5Х0 (Х0 - радиационная длина). Для улучшения светосбора между свинцовыми и сцинтилляционными пластинами помещен алюминизированный майлар. Сбор света осуществляется одновременно с трех сторон свинцово-сцинтилляционной сборки одним шифтером и выводится на противоположные торцы. Шифтер является пластиной из оргстекла шириной 160 мм, длиной 600 мм и толщиной 3 мм с нанесенной на поверхность оргстекла ("поверхностный" шифтер) спектросмещаюшей добавкой (1.5-дифенил-3 стирил-празонин). Полная длина пластины оргстекла от ФЭУ до ФЭУ 600 мм, длина покрытия составляет 400 мм, длина прозрачных промежутков между спектросмеща-юшим покрытием и выходными торцами пластин к ФЭУ составляет 100 мм. Свет с каждого торца пластины снимается фотоумножителями ФЭУ-85 со стандартными делителями напряжения.
Рис. 3: Зависимость средней амплитуды, относительного энергетического разрешения каналов ЛС и относительного энергетического разрешения составного ливневого спектрометра, состоящего из ЛС и дополнительной сборки (ДС), от напряжения на делителях напряжения ФЭУ каналов ЛС и ДС: 1, 2 - зависимости средней амплитуды сигналов каналов 1 и 2 ЛС, соответственно; 3, 4 - зависимости относительного энергетического разрешения каналов 1 и 2 ЛС, соответственно; 5 - зависимость относительного энергетического разрешения составного спектрометра ЛС+ДС.
Предварительная калибровка ЛС была произведена на мюонах космического излучения. Схема калибровки представлена на рис. 2. Размеры триггерных счетчиков составляли: С1 и С2 - 40x40x5 мм3, С3 - 20x20x5 мм3. Толщина свинцового блока между С2 и С3 составляла 70 мм. Углы входа частиц в ЛС вх и ву изменялись перемещением С3 вдоль осей X и У, соответственно. Положения счетчиков С1 и С2 не менялись. Космические мюоны являются минимальноионизирующими частицами и выделяют в пластическом сцинтилляторе энергию ~2 МэВ/см, поэтому суммарное энерговыделение в сцинтилляционных пластинах ЛС составляет ~23 МэВ.
На рис. 3 представлены зависимости средних амплитуд (зависимости 1 и 2) и энергетических разрешений (зависимости 3 и 4) каналов ЛС от напряжений на делителях напряжений при прохождении мюонов через центр спектрометра (вх = ву = 0). Видно, что зависимости средних амплитуд обоих каналов ЛС в пределах исследованных напряжений на делителях напряжений линейные. Наилучшие относительное энергетические разрешения каналов оказались равными ^ 20% и 52 ~ 18% при напряжениях
(А), каналы
-1||||||
-32 -24 -16 -8 0 8 16 24
е^), град
Рис. 4: Зависимости средней амплитуды сигналов отдельных каналов и суммарной амплитуды ЛС от угла входа мюонов в спектрометр: 1-3 - относительно горизонтальной оси (вх); 4-6 - относительно вертикальной оси (ву) (1, 4 - 1 канал ЛС; 2, 5 -2 канал ЛС; 3 и 6 - зависимости суммарной амплитуды).
на делителях и1 = 1220 В и и2 = 1265 В, соответственно. Так как амплитуда сигнала в каналах ЛС соответствует одной и той же величине энергии, оставленной мюоном при прохождении через ЛС, то относительные энергетические разрешения каналов определялись как ¿1(2) = ^1(2)/(^1(2)) = ((ДА1(2)/(А1(2))}/2.35) ■ 100%, где ац2) - стандартное отклонение средней амплитуды сигналов амплитудного спектра первого (второго) канала; ДА1(2) - полная ширина на половине высоты амплитудного спектра сигналов с ФЭУ первого (второго) канала; (А) - средняя амплитуда в амплитудном спектре первого (второго) канала; 2.35 - коэффициент пропорциональности, определяющий связь соотношения ДЕ и а (ДЕ = 2 ■ а ■ л/2 ■ 1п 2 « 2.35 ■ а).
На рис. 4 представлены зависимости изменения средних амплитуд сигналов каналов (А) от углов вХ и ву входа мюонов в спектрометр. Углы входа мюонов в спектрометр относительно каждой из осей вХ и ву изменялись от -16° до +16°. Видно, что амплитуды сигналов обоих каналов ЛС при изменении вХ (зависимости 1 и 2), в отличие от амплитуд сигналов при изменении ву (зависимости 4 и 5), практически постоянны. Такой же эффект наблюдается и в сравнении зависимостей суммарных амплитуд обоих каналов (зависимости 3 и 6). Это означает, что при изменении вХ трехстороннее све-тособирание со сцинтилляционных пластин ЛС однородно. Можно предположить, что при изменении вХ уменьшение величины светособирания с одной стороны ЛС ведет к увеличению величины светособирания с другой стороны ЛС в такой пропорции, что общая величина светособирания практически постоянна. Если меняется ву, то отсутствие светособирания с четвертой стороны ЛС приводит к неоднородности в величине светособирания и непостоянству амплитуды сигналов.
Зависимости изменения относительного энергетического разрешения ЛС от углов входа мюонов в спектрометр вХ и ву представлены на рис. 5. Относительное энергетическое разрешение отдельных каналов ЛС (зависимости 1 и 2) при изменении вХ непостоянно и меняется в пределах ~10% от значений при в = 0°. Энергетическое разрешение спектра суммы сигналов каналов (зависимость 3) практически во всем измеренном диапазоне углов вХ постоянно и составило 8 ~ 16%. Результат неоднородности светособирания при изменении угла входа мюонов в ЛС относительно ву приводит к тому, что наблюдается неоднородность и в энергетическом разрешении отдельных каналов и суммы сигналов (зависимости 4, 5 и 6) во всем измеренном диапазоне углов ву. Неоднородность в энергетическом разрешении в этом случае более значительная и достигает ~30%.
5 = (ЛА/(А))/2.35, % 40 -1-
20
30
5
4
2
10
о
-32 -24 -16 -8 0
0л(0у)> град
8
16
24
Рис. 5: Зависимости относительного энергетического разрешения ЛС от угла входа мюонов в спектрометр: 1-3 - зависимости от угла входа мюонов относительно горизонтальной оси (вх); 4-6 - зависимости от угла входа мюонов относительно вертикальной оси (ву) (1, 4 и 2, 5 - зависимости для каналов 1 и 2, соответственно; 3 и 6 - зависимости суммы каналов).
Для улучшения энергетического разрешения перед ЛС была помещена дополнительная свинцово-сцинтилляционная сборка ДС, состоящая из 4 пластин свинца толщиной 3 мм и сцинтиллятора толщиной 5 мм. Размеры пластин ДС составляли 100x100 мм2. Съем света осуществлялся с 4 сторон пластин шифтером с выводом света на ФЭУ-85 [3]. Относительное энергетическое разрешение составного ливневого спектрометра ЛС+ДС (СЛС) от напряжения на делителе ФЭУ ДС представлено на рис. 3 (зависимость 5). Наилучшее разрешение СЛС достигается при напряжении на делителе напряжения ДС и = 1150 В и составляет 5 = 9%.
Калибровка космическими мюонами двухканального ливневого свинцово-сцинтилляционного спектрометра на сместителе спектра показала, что существует зависимость средней амплитуды сигналов отдельных каналов спектрометра и суммарного сигнала, а также относительного энергетического разрешения отдельных каналов и общего относительного разрешения от углов входа мюонов в спектрометр в исследуемом диапазоне углов входа ±16°. При изменении углов входа по горизонтали
вх зависимость практически отсутствует. Наилучшее относительное энергетическое разрешение достигается при прохождении мюонов по центру спектрометра при угле вх = ву = 0° и составляет 5 = 16%. Расположение перед ЛС дополнительной свинцово-сцинтилляционной сборки ДС и съемом света с помощью сместителя спектра с четырех сторон сборки приводит к улучшению относительного энергетического разрешения суммарного ливневого спектрометра ЛС+ДС (СЛС), которое достигает величины 5 = 9%. Таким образом, ливневой свинцово-сцинтилляционный спектрометр способен определять с хорошей точностью энергетические характеристики электронных (позитронных) и фотонных пучков, использоваться в качестве самостоятельного детектора в физических экспериментах. Более детально временное разрешение спектрометра предполагается изучить непосредственно при работе на высокоинтенсивном калибровочным пучке ускорителя "Пахра".
Авторы благодарны Л. А. Горбову за помощь в работе.
Работа выполнена при поддержке грантов Российского Фонда Фундаментальных Исследований (NICA - РФФИ) № 18-02-40061 и № 18-02-40079.
ЛИТЕРАТУРА
[1] В. А. Басков, Ю. А. Башмаков, А. В. Верди и др., ПТЭ № 1, 42 (1995).
[2] В. А. Басков, Б. Б. Говорков, В. В. Полянский, Краткие сообщения по физике ФИАН 41(5), 37 (2014). Б01: 10.3103/81068335614050054.
[3] В. А. Басков, Б. Б. Говорков, В. В. Полянский, Краткие сообщения по физике ФИАН 43(3), 37 (2016). Б01: 10.3103/81068335616030052.
[4] В. И. Алексеев, В. А. Басков, В. А. Дронов и др., ПТЭ № 2, 1 (2019). Б01: 10.1134/80020441219020143.
[5] В. А. Басков, А. В. Верди, Б. Б. Говорков и др., Препринт ФИАН № 38 (ФИАН, Москва, 1999).
Поступила в редакцию 26 марта 2020 г.
После доработки 18 мая 2020 г. Принята к публикации 21 июля 2020 г.
