Калибровка монитора светимости установки Hermes Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.1.074

КАЛИБРОВКА МОНИТОРА СВЕТИМОСТИ УСТАНОВКИ

HERMES

Т. Бениш1, С. Бернрайтер1, Е. Г. Девицин, В. А. Козлов, С. Ю. Поташов, К. Рит1, А. Р. Теркулов, К. Вайскопф1

Излагается процедура калибровки монитора светимости, используемого в лаборатории DES Y (г. Гамбург) в эксперименте HERMES на внутренней поляризованной газовой мишени. Монитор является электромагнитным калориметром, состоящим из 24 черепковских кристаллов NBW (NaBi(W04)2), и регистрирует электроны с энергией 27.5 ГэВ пучка ускорителя HERA, упруго рассеянные на атомных электронах мишени (мёллеровское рассеяние).

Монитор светимости эксперимента HERMES [1] является электромагнитным калориметром с радиатором из 24 черенковских кристаллов NBW {NaBi(WO^)2), считываемых фотоумножителями (ФЭУ) Hamamatsu R4125Q. Он состоит из двух детекторов, расположенных симметрично относительно пучка электронов (см. рис. 1). Первоначальная калибровка монитора была проведена на тестовом пучке электронов с энергией 1 - 6 ГэВ в DESY. При этом были получены калибровочные коэффициенты, которые, вообще говоря, могут меняться со временем из-за нестабильности усиления ФЭУ, прозрачности кристаллов, считывающей электроники и т.д. Следовательно, калибровка калориметра должна периодически повторяться, чтобы обеспечить правильное измерение энергии падающих частиц. Это необходимо, по крайней мере, по двум причинам: чтобы правильно установить порог дискриминатора для измерения светимости, а также для точных измерений, например, при регистрации рассеянного электрона пучка в реакции рождения J/Ф в целях полной реконструкции кинематики события.

'Физический институт, Университет Эрланген-Нюрнберг, 91058 Эрланген, Германия.

X

1 2 3

4 5 6

7 8 9

10 11 12

В

е

я

13 14 15

16 17 18

19 20 21

22 23 24

Рис. 1. Схема монитора светимости: В - пучок электронов ускорителя, Т - газовая мишень, Ь - левый детектор, Я - правый детектор.

Калибровочная процедура состоит из периодического (раз в неделю) определения набора калибровочных коэффициентов {с,}, а также набора средних пьедестальны : значений {Рг}, так что энергия, выделенная в калориметре, имеет вид

Д = (1)

где г = 1 — 12 для левого и г = 13 — 24 для правого детектора.

Калибровка осуществляется итерационной процедурой минимизации, описанной ниже. Для калибровки пользуются электроны пучка, упруго рассеянные на ядре мишени (см. рис. 2). Так как большая часть событий имеет утечку ливня в калориметре, первым шагом является реконструкция полной энергии с использованием измеренной выделен ной энергии. В случае упругого рассеяния уравнение (1) приобретает вид (верный с точностью до экспериментального разрешения детектора)

5>(А,-Д-) = £о, (2)

Число событий

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0 ^

0 5 10 15 20 25 30 35

Рис. 2. Энергетическое распределение электронов, упруго рассеянных на ядре мишени.

где Е0 есть энергия частиц пучка (27.5 ГэВ).

Для каждого п-го события, годного для калибровки, вычисляется коэффициент

где п - номер события, /(г, 0) = 1 и Е£ес - реконструированная энергия для п-го события, а с,-,0м - калибровочный коэффициент для канала г из предыдущей итерации.

Существуют разные алгоритмы, различающиеся выражением для /(г,а) [2]. Мы использовали следующий функционал:

где гиг>„ = кЕ}п - вес данного события для г-го канала, = Бю0 + ~ сум-

ма весов. Методом Монте - Карло были определены следующие значения параметров: 5и;0 = 0.7 и к = 0.05.

Калибровочный шаг содержит 10 событий. Среднее значение десяти с,)П для каждого канала г использовалось как новый для следующего шага.

Этот алгоритм был сначала успешно протестирован на смоделированных событиях. Калибровочная процедура обычно сходится после примерно 50 шагов. Точность такой калибровки лучше 0.5%.

(3)

(4)

Для отделения фоновых событий от полезных аппаратно используется дискримина тор. Его порог выбран в районе 5 ГэВ. Это видно на рис. 3, изображающем распределение энергии, зарегистрированной в левом детекторе, в зависимости от ее значения в правом детекторе для событий, в которых произошло совпадение энерговыделения, превышающее порог дискриминатора в обоих детекторах. В процессе работы монитора в 1995-1996 годах наблюдалось падение усиления ФЭУ по причине высоких загрузок в эксперименте и связанных с этим высоких значений анодного тока ФЭУ, приводивших к обеднению последних динодных ступеней. Это влекло за собой увеличение калибро вочных коэффициентов. В результате часть полезных событий, выделяемая дискриминатором, постоянно падала. Чтобы сохранить правильность измерения светимости в таких условиях требовалось введение зависящей от времени поправки в регистрируемую частоту совпадений

Я = /я(*)Яо. (5)

Е^ ГэВ

I I I I 1 I I I I [ I I I I

I I I I I

10 15 20 Ек,ГэВ

Е^, ГэВ

20 15

10

5 0

■ | | | | 1 | 1 | | | | | | | | | | |

10

15 20 Ек, ГэВ

Рис. 3. Энергия, выделенная в левом калориметре, в зависимости от энергии, выделенной в правом калориметре для совпавших событий выше порога триггера.

Рис. 4. Моделирование уменьшения усиления ФЭУ в энергетическом спектре. Содержит те же события, что и на рис. 3, но со смоделированным падением усиления ФЭУ.

1.12 1.10

1.08

1.06

1.04

1.02

1.00

0.98

I I I I

5000

_1_1_I_L_

J_I_I_L.

J-

_1_1_

7500

10000

12500 15000

Номер измерения

Рис. 5. Поправка /я в зависимости от номера измерения для периода сбора данных 1996 года. Разрыв между измерениями 9730 и 9731 связан с установкой усилителя.

Поправка /я(0 вычислялась следующим образом. В качестве эталонного энергетического спектра полезных событий был взят спектр в начале эксперимента. Энергия Е] события j определялась согласно (1) скорректированными с учетом пьедесталов сигналами АЦП А{]\

лг*

Щ = (6)

¿=1

Используя калибровочные коэффициенты с° эталонного набора событий и коэффициенты с, любого последующего набора, можно определить относительное изменение усиления каждого канала:

<7. = (7)

Уменьшение усиления ФЭУ в этом случае может быть смоделировано с помощью опорного спектра, в вычислении энергии событий которого калибровочные коэффициенты

заменяются на с®д{\

Nk

Е] = ¿29ic°A,r «=1

(8)

Рис. 4 содержит совпавшие события опорного спектра со смоделированным уменьшением усиления ФЭУ. Видно, что некоторые события теперь находятся ниже порога триггера. Поправку же /я(0 можно выразить через отношение всех событий к оказавшимся выше порога на рис. 4. Рис. 5 представляет поправку /я(£) в зависимости от номера измерения. Изменение наклона корректирующей функции обусловлено установ кой линейного усилителя сигналов с ФЭУ в целях понижения напряжения.

Описанная процедура калибровки монитора светимости эксперимента HERMES экс плуатируется в течение четырех лет и может быть использована для широкого класса годоскопических калориметров.

ЛИТЕРАТУРА

[1] HERMES Collaboration, Technical Design Report, DESY PRC 93/06 (1993). HERMES Collaboration, The HERMES Spectrometer, DESY 98-057, e-print hepex/9806008, Nucl. Instrum. Meth., A417, 230 (1998).

[2] В i n о n F., В u у a n о v V. M., D о n s k о v S. V. et al. Nucl. Instr. Meth., A248, 86 (1986).

Поступила в редакцию 14 января 1999 г.