CC BY
7
УДК 539.1.08
РЕГИСТРАЦИЯ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ ЧЕРЕНКОВСКИМ СПЕКТРОМЕТРОМ ПОЛНОГО
ПОГЛОЩЕНИЯ
В. И. Алексеев1, В. А. Басков1, В. А. Дронов1, А. И. Львов1, А. В. Кольцов1, Ю.Ф. Кречетов2, Е. И. Малиновский1, В. В. Полянский1
Представлены результаты калибровки черенковского спектрометра полного поглощения на основе свинцового стекла ТФ-1 толщиной 14.8X0 на пучке квазимонохроматических электронов. Обнаружено, что в диапазоне энергий электронного пучка E = 6 — 285 МэВ энергетическое разрешение составляет 89-10%, соответственно.
Ключевые слова: калибровка, черенковский спектрометр полного поглощения, электронный пучок, энергетическое разрешение.
В настоящее время электронный синхротрон С-25Р ("Пахра") Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) является единственным в России постоянно работающим ускорителем, генерирующим пучки фотонов, электронов и позитронов с энергиями до 850 МэВ. На тормозном пучке фотонов данного ускорителя создан калибровочный канал квазимонохроматических вторичных электронов с энергиями от 6 до 300 МэВ и интенсивностью ~100 электрон/сек [1-3].
Энергетические характеристики калибровочного электронного пучка, помимо других методов, определялись также с помощью черенковского спектрометра полного поглощения (ЧСПП) на основе свинцового стекла ТФ-1 толщиной 14.8 радиационных длин X0(X0 = 2.5 см, р = 3.86 г/см3) [3-5].
Выбор ЧСПП определялся тем, что с помощью черенковских спектрометров возможно регистрировать фотоны, электроны (позитроны) и определять их энергию в широком диапазоне энергий от нескольких МэВ до десятков ГэВ [4, 5]:
1. Порог излучения фотонов электронами в тяжелых средах около сотен кэВ.
2. Энергетическое разрешение достаточно высокое (порядка 25% - 5%) в широком интервале энергий 0.1-100 ГэВ, соответственно.
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: baskov@x4u.lebedev.ru.
2 ОИЯИ, 141980 Россия, Дубна.
3. Зависимость между энергией регистрируемой частицы и амплитудой сигнала, получаемого на выходе спектрометра, линейна.
4. С ростом энергии электронов и фотонов толщина радиатора, обеспечивающая полное поглощение энергии, увеличивается пропорционально логарифму энергии и в области до 0.5 ГэВ составляет около 15Х0.
5. Особенность черенковского излучения позволяет получать на выходе фотоприемников импульсы наносекундной длительности, что дает возможность использовать сигналы со спектрометра в схемах быстрой электроники.
Для определения энергетических характеристик калибровочного пучка был использован ЧСПП, хорошо зарекомендовавший себя в работах на вторичном электронном пучке протонного ускорителя Института физики высоких энергий (ИФВЭ) в Протвино [3-5].
ЧСПП представляет собой шестигранный радиатор из свинцового стекла ТФ-1 с диаметром вписанной окружности 18 см и длиной 37 см (рис. 1). Со всех сторон, кроме площади, занимаемой фотокатодом ФЭУ, радиатор обернут алюминированным лавсаном. В ЧСПП использовался ФЭУ-49 со стандартным делителем.
1 2 3 4
Рис. 1: Схема черенковского спектрометра полного поглощения (ЧСПП): 1 - радиатор, 2 - ФЭУ-49, 3 - делитель, 4 - корпус.
Предварительная калибровка ЧСПП была выполнена на космических мюонах по методу "напролет", представленному на вставке рис. 2 [3]. Триггером при калибровке являлся сигнал от совпадения сигналов двух сцинтилляционных счетчиков Б\ и Б2 с
Рис. 2: Калибровочный спектр космических мюонов, измеренный ЧСПП. На вставке: Б\ и Б2 - сцинтилляционные счетчики.
Рис. 3: Схема калибровки ЧСПП на квазимонохроматическом электронном пучке: 1 -свинцовые коллиматоры; 2 - очищающий магнит СП-3; 3 - конвертор; 4 - магнит, СП-57; 5 - поглотитель фотонного пучка ("могильник"); 6 - коллиматор (010 мм); 7 - сцинтилляционный счетчик "вето" А; 8 - сцинтилляционный счетчик Б\; 9 -сцинтилляционный счетчик Б2; 10 - сцинтилляционный счетчик Б3; 11 - ЧСПП.
размерами сцинтилляторов 70 х 70 х 5 мм3. Среднее энерговыделение мюонов в радиаторе ЧСПП составило «285 МэВ, что соответствовало 275 каналу в амплитудном спектре (см. рис. 2) при напряжении на делителе питания ФЭУ-49 и = 1600 В. Коэффициент пропорциональности, связывающий среднюю энергию, оставленную космическим мю-оном в ЧСПП, и среднюю амплитуду в спектре (Е = к • А), за вычетом пьедестала, составил к ~ 1.04 МэВ/канал.
Основная калибровка ЧСПП проходила на пучке квазимонохроматических электронов ускорителя "Пахра" одновременно с исследованием его энергетических характеристик [3]. Энергия электронов первичного пучка в камере ускорителя составляла 500 МэВ. Схема калибровки представлена на рис. 3. Электроны, являющиеся результатом взаимодействия тормозного фотонного пучка с конвертером (3) перед входом пучка в магнит СП-57 (4), отклонялись магнитным полем от основной траектории фотонного пучка. Электроны, двигающиеся под углом 36°, попадали в свинцовый коллиматор с диаметром отверстия 10 мм и толщиной 70 мм, находящийся на расстоянии 3 м от полюсов магнита СП-57 (6). Триггер формировался совпадением сигналов телескопа сцинтилляционных счетчиков (7 - 10) Т = ($1 • $2 • $3) • А (А - счетчик "вето" размером 60 х 90 х 10 мм3, $1-$3 - триггерные счетчики размером 15 х 15 х 1 мм3).
50 100 150 200 250 300 Е, МэВ
Рис. 4: Зависимость амплитуды сигнала ЧСПП (А) от энергии квазимонохроматического электронного пучка (Е).
На рис. 4 представлена зависимость средних амплитуд сигналов с ЧСПП в номерах каналов зарядо-цифрового преобразователя (ЗЦП) от энергий электронного пучка,
определенных методом построения топографий магнитных полей, соответствующих заданным значениям тока обмоток магнита СП-57 с последующим расчетом прохождения электронов от конвертора до коллиматора. Видно, что во всем диапазоне исследованных энергий электронов зависимость линейная.
Рис. 5: Зависимость энергетического разрешения ЧСПП (АЕ/Е, где АЕ и Е - полная ширина на половине высоты энергетического спектра и средняя энергия электронов, соответственно) от энергии квазимонохроматического электронного пучка (Е).
Зависимость энергетического разрешения ЧСПП от энергии электронов за вычетом энергетического разрешения электронного пучка [3] представлена на рис. 5. Было определено, что разрешение ЧСПП в диапазоне энергий электронов 30-300 МэВ описывается как:
АЕ/Е = 0.015+ 0.05/^Ё, (1)
где АЕ и Е - ширина на половине высоты энергетического спектра и средняя энергия электронов в МэВ, соответственно.
В области низких энергий электронов 6-30 МэВ энергетическое разрешение ЧСПП хорошо описывается зависимостью:
АЕ/Е = 0.015+ 0.068/^Ё. (2)
Можно предположить, что ухудшение разрешения ЧСПП в этой области энергий связано с увеличением флуктуаций фотоэлектронов на фотокатоде ФЭУ, которые в
свою очередь связаны с недостаточным количеством черенковского света из-за уменьшения количества ливневых треков при низких энергиях электронов.
Ранее проведённая калибровка такого ЧСПП на пучках электронов с энергиями в десятки ГэВ определила энергетическое разрешение (без учета энергетического разрешения электронного пучка, которое при среднем импульсе электронов 31 ГэВ/с составляла \/~D~e = 0.72 ГэВ/с, где De - дисперсия по энергии электронов в первичном пучке) как [4, 5]:
AE/E = 0.015+ 0.125/VE. (3)
При энергиях электронов 30-300 МэВ формула (3) даже с учетом энергетического разрешения электронного пучка даёт значения разрешения спектрометра, превышающие экспериментальные в ~2.5 раза. Можно предположить, что это связано с тем, что в объеме спектрометра при 100% эффективности регистрации электронов их энергия полностью остается внутри детектора. Это хорошо видно из предварительной калибровки ЧСПП, при которой полное энерговыделение мюонов в ЧСПП составляет 285 МэВ [3]. При увеличении энергии электронов до нескольких ГэВ и выше из-за увеличения геометрических размеров электромагнитных ливней, развивающихся в спектрометре, они не будут укладываться в объеме спектрометра и часть энергии ливней будет уходить через боковые стороны и заднюю часть спектрометра, что должно сказываться на относительном энергетическом разрешении прибора.
Таким образом, черенковский спектрометр полного поглощения имеет хорошее энергетическое разрешение не только при энергиях электронов в десятки ГэВ, но и в диапазоне энергий ~300 МэВ, что даёт возможность использовать спектрометр в исследованиях энергетических характеристик калибровочных электронных пучков. Хорошие временные характеристики черенковкого излучения при предполагаемой замене "медленного" ФЭУ-49 на "быстродействующие", например, ФЭУ-63 или XP2040 даст возможность использовать ЧСПП в исследованиях энергетических характеристик интенсивного (104-106 электрон/сек) электронного пучка, выведенного из ускорителя "Пахра".
Работа выполнена при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований (NICA - РФФИ) № 18-02-40061 и № 18-02-40079.
ЛИТЕРАТУРА
[1] http://sites.lebedev.ru/ru/OFVE/735.html.
[2] Е. Г. Бессонов, Е. И. Малиновский, Г. Г. Субботин, Препринт ФИАН № 28 (ФИАН, Москва, 2006).
[3] В. И. Алексеев, В. А Басков, В. А. Дронов и др., ПТЭ, № 2 (2019) (в печати).
[4] В. А. Басков, А. С. Белоусов, В. В. Ким и др., ПТЭ, № 5, 66 (2011).
[5] А. С. Белоусов, Я. А. Ваздик, Е. И. Малиновский и др., Препринт ФИАН № 100 (ФИАН, Москва, 1973).
Поступила в редакцию 5 апреля 2019 г. После доработки 10 сентября 2019 г. Принята к публикации 11 сентября 2019 г.
