Цифровой калориметр

Изобретение относится к ускорительной технике и может применяться при работе с частицами в сильных магнитных полях. Технический результат - улучшение энергетического разрешения, увеличение радиационной стойкости и быстродействия, улучшение однородности отклика в зависимости от угла влета частиц относительно оси спектрометра и устранение влияния магнитного поля. В электромагнитном калориметре между слоями поглотителя, расположенными параллельно пучку частиц, установлены детекторы, выполненные на основе алмазных пленок, выходы которых соединены со входами сумматоров. 1 ил.

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в ядерной физике и астрофизике.

Известно устройство (V.Ammosov, Nuclear Instruments and Methods A494 (2002) 355) для измерения энергии частиц высоких энергий, состоящее из слоев поглотителя, установленных перпендикулярно пучку падающих частиц, между которыми расположены газовые детекторы. Быстродействие газовых детекторов (резистивных плоскопараллельных камер) в среднем равно 100 частиц/см², что не соответствует требованиям планируемых экспериментов, загрузки в которых ожидаются как минимум на порядок величины выше. Другой тип предлагаемых в работе детекторов - дрейфовых трубок ячеистой структуры - является сложной технической проблемой, решение которой пока не существует. Кроме того, в детекторах такого типа используются, как правило, горючие газы, что очень усложняет эксплуатацию детекторов.

С другой стороны, предложено устройство (A.Dyshkant. D.Beznosko, G.Blazey et al. FERMILAB-Pub-04/015 February 2004) для измерения энергии элементарных частиц, состоящее из слоев поглотителя, между которыми расположены пластины сцинтиллятора восьмигранной формы, а светосбор осуществляется переизлучающими волокнами, соединенными с фотодетектором.

У такого устройства имеются следующие недостатки:

1) для оптимального измерения топологии адронного ливня поперечные и продольные размеры сцинтиллятора должны быть одинаковы с поперечным сечением порядка 1 см², что невозможно для данной конструкции;

2) число регистрирующих каналов равно числу сцинтиллирующих элементов, т.е. при числе сцинтилляторов 10⁷ такое же количество требуется и фотодетекторов, и электроники.

Задача, решаемая изобретением - возможность изготовления сцинтиллятора любого размера, резкое сокращение числа регистрирующих каналов.

На фигуре изображено заявляемое устройство. Оно включает поглотитель 1, в котором расположены детекторы-сцинтилляторы 2 в форме шара с переизлучающими волокнами 3, проходящими через шары, и фотодетекторами 4, контактирующими с одними концами волокон, а противоположные концы волокон покрыты алюминием.

При прохождении высокоэнергетичных частиц (с энергией >100 МэВ) через устройство развивается ливень и в сцинтилляторах 2 под воздействием ионизирующих частиц возникают сцинтилляции синего света, которые попадают на оптические переизлучающие волокна 3 и трансформируются в зеленый свет, распространяющийся по волокнам в обоих направлениях. Один конец волокна покрыт алюминием, свет от него отражается и двигается в противоположном направлении, где на торце волокна установлены фотодетекторы 4, регистрирующие световую вспышку. Электрический сигнал с фотодетектора поступает на пороговое устройство (триггер), который устанавливается в положение "1", если уровень сигнала превосходит порог. Таким образом, три плоскости фотодетекторов образуют трехмерную координатную сетку. Прохождение частицы через какой-то i-тый сцинтиллятор приведет к появлению сигнала в х_i, у_i, z_i. Расстояния между сцинтилляторами и их размеры определяются требованиями эксперимента (например, расстоянием, на котором необходимо идентифицировать ливни от двух адронов). На фигуре приведен калориметр с числом сцинтилляторов 10³ (по каждой оси имеется N=10 сцинтилляторов). В предлагаемой конструкции калориметра число регистрирующих каналов равно 300. В прототипе число каналов равно 10³. Отношение числа каналов для старого и нового методов равно

R=N³/(3N²)=N/3,

где N - число сцинтилляторов по оси (для кубической структуры). Таким образом, даже для очень скромных размеров калориметра с N=100 выигрыш будет равен R=33.

Конструктивно калориметр может представлять слои поглотителя с отлитыми полусферами, которые образуют сферы при сложении, и с каналами для оптического волокна. При сборке слоев поглотителя в него помещаются шарики сцинтиллятора (или заливается жидкий сцинтиллятор) и вставляются волокна.

Цифровой калориметр для измерения энергии частиц, представляющий собой поглотитель с расположенными внутри сцинтилляторами и переизлучающими волокнами, отличающийся тем, что сцинтилляторы, образующие трехмерную решетку, имеют форму шара, через каждый из которых проходят три переизлучающих волокна, один конец которых выходит за пределы поглотителя и контактирует с фотодетектором, а противоположные концы покрыты алюминием.