CC BY
11
УДК 539.1.08
КАЛИБРОВКА ПРОТЯЖЕННОГО ЧЕТЫРЕХГРАННОГО СПЕКТРОМЕТРА ^Т(Т1) КОСМИЧЕСКИМИ МЮОНАМИ
В. А. Басков, Б. Б. Говорков , В. В. Полянский
Представлены результаты калибровки космическими мюонами протяженного четырехгранного спектрометра ЫйЦ^). В поперечном к оси спектрометра направлении амплитуда сигнала и энергетическое разрешение спектрометра имеют сложные зависимости от напряжения на фотоумножителе и точки входа частицы в спектрометр. При напряжении на делителе фотоумножителя и = 1150 ± 10 В область однородных сигналов наблюдается на ~90% длины спектрометра, относительное энергетическое разрешение составляет 5 ~ 7%.
Ключевые слова: калибровка, спектрометр Ыа1(Т1), энергетическое разрешение, космические мюоны.
Процесс фоторождения нейтральных пионов вблизи порога на нейтронах (7 + п ^ п0 + п) экспериментально до конца не изучен. Исследование этого процесса предполагается выполнить на специальной установке с использованием выведенного пучка электронов и системы мечения фотонов на ускорителе С-25Р "Пахра" в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН [1, 2].
В рамках данной задачи предполагается изучить поведение полного сечения фоторождения нейтральных пионов на нейтроне на установке, состоящей из протяженных четырехгранных спектрометров Ыа1(Т1) (рис. 1) [3]. Предназначение спектрометров -регистрация 7-квантов от распада п0-мезонов, вылетевших из углеродной мишени, расположенной в центре сборки, и определять их энергию. При такой конфигурации установки электромагнитные ливни от 7-квантов должны развиваться в поперечном к оси спектрометров направлении. В этом случае возникает проблема, связанная с неоднородностью величин сигналов, приходящих от разных точек входа 7-квантов в каждый спектрометр относительно фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), расположенного на
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: baskov@x4u.lebedev.ru.
одном торце спектрометра. Для изучения зависимости амплитуды сигнала и амплитудного разрешения спектрометра от точки входа 7-квантов в спектрометр в поперечном направлении была проведена предварительная калибровка на космических мюонах. При существующей конструкции протяженных спектрометров Ыа1(Т1), используемых в данной установке, имеется только один параметр, который можно варьировать для получения наилучшей однородности сигнала в поперечном направлении спектрометра, -это величина напряжения на делителе напряжения ФЭУ.
4 3 2 1
Рис. 1: Установка по изучению полных сечений фоторождения нейтральных пионов вблизи порога на нейтронах: 1 - протяженные четырехгранные спектрометры Ыа1(Т1); 2 - ФЭУ-52; 3 - корпус; 4 - сцинтилляционные счетчики антисовпадений.
Каждый из четырех спектрометров установки имеет размер 12 х 12 х 45 см3 и состоит из трех склеенных между собой блоков сцинтиллятора Ыа1(Т1) размером 12 х 12 х 15 см3. Радиационная длина в поперечном и продольном направлениях составляет 4.8Х0 и 18Х0, соответственно (Х0 = 2.5 см - радиационная длина Ыа1(Т1) (р = 3.67 г/см3)). Спектрометр с торца просматривается одним фотоумножителем ФЭУ-52 со стандартным делителем напряжения.
Схема калибровки одного из спектрометров Ыа1(Т1) представлена на рис. 2. Спектрометр располагался между двумя триггерными счетчиками Б1 и Б2 размером 4х4х0.5 см3, расположенными на расстоянии 15 см друг от друга. Перед калибровкой с помощью радиационного источника 60Со были определены эффективные рабочие напряжения на Б1 и Б2, выставлены временные задержки как между Б1 и Б2, так и между 51 и Б2 и спектрометром Ыа!(Т1).
Рис. 2: Блок-схема калибровки протяженного четырехгранного спектрометра Ыа1(Т1): Б\ и Б2 - триггерные сцинтилляционные счетчики; Ыа1(Т1) - протяжённый четырехгранный спектрометр; Ф\ и Ф2 - формирователи; З\ - З3 - блоки задержек; СС -схема совпадений; ФДС - формирователь длинных временных сигналов; ЗЦП - зарядо-цифровой преобразователь; КК - крейт-контролер КАМАК; ПС - персональный компьютер.
Сигналы от прохождения космического мюона через Si и S2 подавались на формирователи Ф1 и Ф2 (порог формирования обоих формирователей составлял ипорог = 30 мВ, длительность сигналов Ts1 = Ts2 = 20 нс), далее через блоки задержек З1 и З2 на схему совпадения СС. Сигнал со схемы совпадения СС длительностью Tcc = 100 нс подавался на блок формирования длительных сигналов ФДС, который формировал сигнал T длительностью 1000 нс. Сигнал T являлся триггерным сигналом (T = S1 • S2) "Start" для запуска блока 4 входового зарядо-цифрового преобразователя (ЗЦП), с помощью которого через крейт-контролер системы КАКМАК производилась "запись" сигнала со спектрометра NaI(Tl) в память компьютера.
На рис. 3 представлены зависимости средней амплитуды сигнала со спектрометра NaI(Tl) от продольной координаты и напряжения на ФЭУ. Видно, что средняя амплиту-
да сигнала, пришедшего к ФЭУ от дальнего торца спектрометра (вставка на рис. 3), при всех значениях напряжений примерно в два раза меньше средней амплитуды в случае прохождения частицы рядом с ФЭУ. Неоднородность в значениях амплитуд по длине спектрометра существует практически для всех исследованных значений напряжений на делителе ФЭУ. Однако при напряжении и = 1100 В на ~90% длине спектрометра значение амплитуды практически постоянно. Можно предположить, что на неоднородность сигналов на значительной глубине спектрометра влияет размер спектрометра. В протяженном и довольно "узком" объеме спектрометра светосбор значительно хуже, чем в спектрометре такой же длины, но большего размера по апертуре. В данном случае изменить размер нельзя, но его влияние можно снизить уменьшением чувствительности ФЭУ, то есть уменьшением напряжения на делителе (и < 1180 В) (зависимость 1 на рис. 3).
Рис. 3: Зависимости средней амплитуды сигнала с протяженного четырехгранного спектрометра Ыа1(Т1) от координаты X при различных напряжениях на делителе напряжения ФЭУ-52: 1 - и = 1100 В; 2 - и =1180 В; 3 - и = 1217 В; 4 - и = 1260 В; 5 - и = 1305 В; 6 - и = 1355 В.
Зависимость относительного энергетического разрешения спектрометра Ыа1(Т1) 8 от его длины и напряжения на делителе ФЭУ представлена на рис. 4 (8 = а/Е = ((ДА/(А))/2.35) ■ 100%, где а - стандартное отклонение среднего энерговыделения мюонов в протяженном четырехгранном спектрометре Ыа1(Т1), ДА - полная ширина амплитудного спектра на половине его высоты; (А) - средняя амплитуда по спек-
10
20
30
40 X, см
тру, 2.35 - коэффициент пропорциональности, определяющий связь соотношения ДЕ и а(ДЕ = 2 ■ а ■ ■ 1п 2 и 2.35 ■ а [4]).
Видно, что а в зависимости от напряжения на делителе и точки прохождения мю-она через спектрометр изменяется в диапазоне от 4% до 10%. Ухудшение разрешения происходит по мере удаления точки прохождения мюона через спектрометр от ФЭУ и увеличения напряжения на делителе. Можно предположить, что в областях объёма спектрометра, дальних от ФЭУ, существуют значительные флуктуации, связанные со светосбором в плотном веществе спектрометра. Однако рис. 4 показывает, что существует небольшой диапазон напряжений и =1150 ± 10 В, при котором энергетическое разрешение спектрометра Ыа1(Т1) практически постоянно на всей длине спектрометра и составляет 5 ~ 7%.
Рис. 4: Зависимость относительного энергетического разрешения протяженного четырехгранного спектрометра ЫйЦ^) от напряжения на делителе напряжения ФЭУ-52 и точки входа космического мюона в спектрометр (вставка рис. 3): х = 4 см; х = 22 см; х = 38 см; х = 40 см; х = 44 см.
Для данных размеров спектрометра и типа применяемого ФЭУ напряжение и = 1150 ± 10 В является оптимальным.
При калибровке на космических мюонах трех оставшихся спектрометров Ыа1(Т1) получены зависимости, аналогичные представленным на рис. 3 и 4. Численные значения полученных зависимостей отличаются от представленных не более чем на ~20%.
ЛИТЕРАТУРА
[1] В. А. Басков, Б. Б. Говорков, В. В. Полянский, ПТЭ, № 3, 5-8 (2019); Б01: 10.1134/80020441219030035.
[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, А. В. Верди, Б. Б. Говорков и др., Препринт ФИАН № 59 (ФИАН, Москва, 1997).
[4] К. Групен, Детекторы элементарных частиц (Сибирский хронограф, Новосибирск, 1999).
Поступила в редакцию 23 марта 2020 г.
После доработки 15 июня 2020 г. Принята к публикации 16 июня 2020 г.
