CC BY
5
УДК 539.1.074.3
СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ФТОРИДНЫЕ СТЕКЛА ДЛЯ ГОМОГЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И АДРОННЫХ КАЛОРИМЕТРОВ
М. В. Белов, М.В. Завертяев, В. А. Козлов, Н.В. Пестовский, С. Ю. Савинов
Исследованы оптические и люминесцентные характеристики образца (модуля) фторидного сцинтилляционно-го стекла на основе фторида гафния с целью его использования в гомогенных электромагнитных и адрон-ных калориметрах. Световыход модуля составил 290 фо-тонов/МэВ и время высвечивания 21 нсек. Расчетное энергетическое разрешение прототипа электромагнитного калориметра на основе фторидных стекол составило 0.4% для энергии 100 ГэВ. Показана возможность регистрации черенковского и сцинтилляционного света с противоположных торцов стеклянного модуля, что позволяет улучшить энергетическое разрешение адронного калориметра.
Ключевые слова: фторидные стекла, фторид гафния, гомогенные электромагнитные калориметры, сцинтилляционные кристаллы.
В современных экспериментах в области физики высоких энергий гомогенные электромагнитные калориметры (ECAL) на основе сцинтилляционных кристаллов обеспечивают высокое разрешение при измерении энергии электронов и фотонов [1]. В качестве радиаторов современных электромагнитных калориметров используются сцинтилляционные кристаллы с высокой плотностью, такие как PbWO4 и LYSO.
Основная задача адронной калориметрии в настоящее время - это улучшение энергетического разрешения для выделения W и Z векторных бозонов по их адронным модам распада в экспериментах на линейных коллайдерах [2]. Современные адронные калориметры имеют слоистую структуру, когда активные слои чередуются со слоями
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: kozlovva@lebedev.ru.
поглотителя. Такая структура сильно ухудшает разрешение адронных калориметров за счет флуктуаций в слоях поглотителя. Кроме того, вклад электромагнитной компоненты от распадов нейтральных пионов в адронном ливне сильно флуктуирует от события к событию, ухудшая энергетическое разрешение калориметра. Использование однородных прозрачных сред в качестве радиаторов адронных калориметров полного поглощения позволяет существенно улучшить их энергетическое разрешение [1, 2]. Кроме того, прозрачные кристаллические радиаторы позволяют раздельное считывание с противоположных торцов черенковского и сцинтилляционного света с помощью оптических фильтров. Используя коррекцию сигнала калориметра от ливня к ливню за счет раздельных измерений черенковского и сцинтилляционного света, можно улучшить энергетическое разрешение гомогенного адронного калориметра (HHCAL).
Одним из перспективных направлений в этой области является разработка и исследование сцинтиллирующих стекол, производство которых более производительно по сравнению с выращиванием кристаллов. В конце 1991 г. в Физическом институте РАН были впервые исследованы сцинтиллирующие фторидные стекла на основе фторида гафния (HFG), имеющие плотность 6 г/см3 и радиационную длину 1.6 см, изготовленные в Институте общей физики РАН [3]. В дальнейшем исследования характеристик тонких образцов фторидных стекол различных составов были продолжены с целью повышения световыхода [4, 5]. Данная статья посвящена исследованию характеристик образца (модуля) фторидного стекла размером 20x25x55 мм3 с составом 54HfF4-20BaF2-5CeF3-2.5Al3-18NaF-0.5InF3 с целью использования в гомогенных адронных и электромагнитных калориметрах. Указанный состав фторидного стекла был выбран как наиболее оптимальный с точки зрения получения прозрачных отливок большого размера.
Для изучения спектров импульсной катодолюминесценции (ИКЛ) фторидных стекол использовалась установка на основе ускорителя электронов РАДАН-ЭКСПЕРТ, генерирующего импульсы электронов со средней энергией 150 кэВ, а также спектрографа OCEAN FLAME-S-XR1-ES с диапазоном длин волн 200^ 1025 нм. Измерение оптического пропускания модуля проводилось на спектрофотометре Kruess Optronic VIS6500. Измеренные спектры оптического пропускания и ИКЛ, а также расчетный спектр черенковского излучения для сцинтилляционного модуля фторидного стекла представлены на рис. 1.
Световыход модуля фторидного стекла определялся по спектру полного поглощения (фотопику) Y-квантов с энергией 662 кэВ на установке, описание которой приведено в
100
90
80
00 transmission
| #1 л*-* cathodoluminescence, I f 1 arb. units
'•If '32 Cherenkov radiation.
If 1 arb. units
"..............3
§00 300
400 500 600 700 800
Wavelength, nm
Рис. 1: Оптическое пропускание (1), спектры катодолюминесценции (2) и черенков-ского излучения (3) для модуля сцинтилляционного фторидного стекла размером 20x25x55 мм3.
нашей работе [6]. В качестве материала обертки модуля использовался эффективный диффузный отражатель Ьиш1ггог с коэффициентом отражения 0.98 для получения максимального выхода света из модуля. На рис. 2(а) приведен фотопик для фторидного стекла от источника 137Ся.
Световыход фторидного стекла в терминах фотонов/МэВ определялся путем сравнения положения его фотопика с аналогичным распределением от хорошо известного сцинтиллятора СеЕ3 [7]. Предполагая, что чувствительность фотоумножителя к высвечиванию СеЕ3 и фторидного стекла одинакова из-за близко лежащих их эмиссионных спектров, получаем световыход фторидного стекла 290 фотонов/МэВ.
Время высвечивания сцинтиллирующих фторидных стекол исследовалось на установке с использованием метода "задержанных совпадений" [6]. На рис. 2(Ь) представлена зависимость интенсивности высвечивания от времени для фторидного стекла. При фитировании временного спектра функцией с одной экспонентой получаем время высвечивания 21.1±0.2 нсек.
Для расчетов энергетического разрешения электромагнитного калориметра на основе фторидных стекол было проведено моделирование с помощью программы ОЕАКТ4 матрицы из 9 модулей 3x3 с размерами каждого модуля 22x22x320 мм3. Для рас-
Рис. 2: Амплитудное распределение образца сцинтилляционного фторидного стекла, облученного 7-квантами от источника 137 Ов (й) и зависимость интенсивности высвечивания от времени (Ь).
четов использовались квантовая эффективность фотоумножителей R4125Q, а также спектры оптического поглощения и катодолюминесценции фторидных стекол. Результатом расчетов были распределения Гаусса числа фотоэлектронов, образовавшихся на фотокатоде ФЭУ. Энергетическое разрешение вычислялось как ое/Е, где ое и Е были параметрами распределения Гаусса. Зависимость энергетического разрешения от энергии электронов (рис. 3) фитировалась функцией вида:
ое _ Ь
тт — ^ Ф с, Е у/Е
где Е - энергия электрона в ГэВ, ф - знак квадратичного суммирования. Были получены следующие параметры фитирования: Ь — (3.42 ± 0.6)%, с — (0.20 ± 0.05)%.
Также изучался отклик модуля фторидного стекла от релятивистских мюонов космических лучей, которые возбуждают в модуле сцинтилляции и испускают черенков-ский свет. Мюоны проходили через модуль фторидного стекла, который находился между двумя сцинтилляционными счетчиками, включенными на совпадение для формирования триггера. Измерения сигналов от сцинтилляций и черенковского света проводились с помощью автоматизированного цифрового запоминающего осциллографа ЬА-п4иББ.
0.8 0.7 hi 0.6 0.5 0.4
о4-
о
- Scintillating fluoride glass
— л fit parameters for the matrix 3x3
\ b = 3.42±0.6
\ c = 0.20±0.05
- X2/NDF = 0.42
: , 1 , , . 1 , , , i , , , i , , , i , , , i .
20
40
60 80
Е, GeV
100
120
Рис. 3: Энергетическое разрешение электромагнитного калориметра на основе сцин-тилляционных фторидных стекол в зависимости от энергии электронного пучка.
0 -0.2
сл
> -0.4 аГ -а
f-0.6 Е
03
1 -0.8
с/5
-1 -1.2
/1
J 2 — Cherenkov Л/ .........Scintillation
/ & Cherenkov
-100 -50 0 50 100 150 200 250 Time, ns
Рис. 4: Сигналы черенковского (1) и сцинтилляционного (2) света от модуля фторид-ного стекла, облучаемого мюонами космических лучей.
Для измерений сцинтилляционного и черенковского сигналов использовались светофильтры, которые помещались между фотоумножителем и блоком фторидного стекла. Из рис. 1 видно, что при использовании на торце модуля фторидного стекла оптического фильтра ЖС-10 (А > 400 нм) регистрируется только черенковский свет. С другой
стороны, оптический фильтр УФС-5 (250 нм < Л <400 нм) будет пропускать сцинтилля-ционный свет от фторидного стекла и часть черенковского света, вклад которого можно вычесть, используя измерения для фильтра ЖС-10 и расчетный спектр черенковского излучения.
На рис. 4 представлены импульсы от релятивистских мюонов космических лучей, которые возбуждают в модуле фторидного стекла сцинтилляции, а также испускают черенковский свет.
В результате проведённых исследований показано, что энергетическое разрешение прототипа электромагнитного калориметра на основе фторидных стекол составляет 0.4% для энергии электронов 100 ГэВ и, таким образом, фторидные стёкла могут использоваться в экспериментах физики высоких энергий наравне со сцинтилляционны-ми кристаллами [8]. Также показана принципиальная возможность раздельной регистрации сцинтилляционного и черенковского света с противоположных торцов модуля фторидного стекла, что позволяет корректировать сигнал адронного калориметра от события к событию, и таким образом улучшать энергетическое разрешение адронного калориметра.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Rihua Mao, Liyuan Zhang, Ren-Yuan Zhu, IEEE Trans. Nucl. Sc. 59, 2229 (2012). DOI: 10.1109./TNS.2012.2192290.
[2] A. Driutti, A. Para, G. Pauletta, et al., Journal Phys. Conf. Ser. 293, 012034 (2011). DOI: 10.1088/1742-6596/293/1/012034.
[3] E. G. Devitsin, L. N. Dmitruk, V. A. Kozlov, et al., Heavy scintillating fluoride glasses as promising materials for electromagnetic calorimetry in high energy physics. Proceedings of "Crystal 2000" Inter. Workshop on Heavy Scintillators for Scientific and Industrial Application, Sept. 22-26, 1992, Chamonix, France, ed. by F. De Notaristefani, P. Lecoq, M. Schneegans, Edition Frontieres, Gif-sur-Yvette Cedex, France, 1993, 401-406. ISBN 2-86332-128-5.
[4] L. Dmitruk, N. Vinogradova, V. Kozlov, et al., J. Non-Cryst. Solids 213&214, 311
(1997). DOI: 10.1016/S0022 3093(97)00042 2.
[5] E. G. Devitsin, N. Yu. Kirikova, V. A. Kozlov, et al., Nucl. Instr. Meth. A 405, 418
(1998). DOI: 10.1016/S0168-9002(97)01045-0.
[6] М. В. Белов, Ю. Д. Заварцев, М. В. Завертяев и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 46(8), 29 (2019). DOI: 10.3103/S1068335619080050.
[7] A. J. Wojtovicz, M. Balcerzyk, E. Berman, A. Lempicki, Optical spectroscopy and scintillation mechanisms of CexLai_xF3. DOI: 10.1103/PhysRevB.49.14880.
[8] Marcella Diemoz, Nucl. Instr. Meth. A 581, 380 (2007). DOI: 10.1016/j.nima.2007.08.008.
Поступила в редакцию 4 августа 2020 г. После доработки 23 сентября 2021 г. Принята к публикации 24 сентября 2021 г.
