УДК 539

УДК 539.1.074.88
ПРОТОТИП СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА С АPD
ФОТОПРИЕМНИКАМИ
Дзюбенко Г.Б.1, Жигарева Н.М. 1,2, Михайлов К.Р. 1, Романов Д.В. 1,
Ставинский А.В. 1, Cтолин В.Л. 1, Полозов П.А. 1, Прокудин М.С. 1,
Шарков Г.Б. 1
1
2
ГНЦ РФ “Институт теоретической и экспериментальной физики”
Россия, 117218, Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25
Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ” Россия,
115409, Москва, Каширское ш., 31
E-mail: zhigareva@itep.ru
Поступила в редакцию
Аннотация
В настоящей работе обсуждается прототип нового сцинтилляционного детектора с АPD
фотоприемниками. Конструкция прототипа состоит из пластического сцинтиллятора с размерами
96х96х128 мм. На боковых гранях сцинтиллятора сделаны канавки, в которые уложено светосмещающее
волокно. На конце каждого светосмещающего волокна расположен фотодиод, снабженный специальным
усилителем. В данной работе представлены результаты испытаний прототипа детектора на пучке
протонов. Показано, что амплитуда сигнала в прототипе детектора существенно (в 3-5 раз) меняется по
мере изменения координаты прохождения частицы внутри прототипа. Таким образом, предложенная
конструкция обладает позиционной чувствительностью. Также была рассчитана эффективность
регистрации нейтронов c помощью пакета GEANT3.
In this paper we discuss a prototype of a new scintillation detector with APD photodetectors. The design of the
prototype consists of a plastic scintillator with dimensions 96x96x128 mm. On lateral faces of the scintillator
made grooves into which the fiber is laid Wavelength Shifting Fiber (WSF). At the end of each fiber is
photodiode equipped with a special amplifier. This paper presents the results of tests of a prototype detector in a
beam of protons. It is shown that the amplitude of the signal in the prototype detector significantly (3-5 times)
varies with changes in the coordinates of a particle inside the prototype. Thus, the proposed design has a
positional sensitivity. Efficiency of neutron detection was calculated using the GEANT3 package as well.
Ключевые слова: прототип сцинтилляционного детектора, регистрация нейтронов высокой энергии,
флуктон-флуктонные взаимодействия
PACS: 29.30.Hs, 29.40.Mc
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время, наряду с исследованием горячей ядерной материи на
ускорителях RHIC и LHC, наблюдается возрождение интереса к исследованию ионионного взаимодействия при более низких энергиях. До недавнего времени получение
1
холодной сверхплотной материи в лабораторных условиях считалось проблематичным.
Решение этой задачи было предложено в программе ФЛИНТ [1,2], которая
осуществляется на ускорительно-накопительном комплексе ТВН в ИТЭФ. Для
исследования ядерной материи в эксперименте ФЛИНТ был предложен специальный
триггер для отбора крайне редких событий. Предполагается, что создать такой триггер
можно с помощью кумулятивного эффекта. При умеренных и низких температурах
материя насыщена барионами, в первую очередь нейтронами и протонами. Нуклоны
являются
важной
составляющей
набора
частиц,
образующихся
в
процессах
взаимодействия релятивистских ядер, что обусловлено, в основном, структурой самих
ядер. Регистрация протонов не представляет особых трудностей, в то время как в
большинстве
современных
экспериментов
по
столкновению
тяжелых
ионов
возможность регистрировать нейтроны весьма ограничена. Регистрация нейтронов
сама по себе существенно расширяет возможности обнаружения новых явлений, так
как отсутствие электрического заряда в ряде случаев упрощает анализ. В качестве
примера можно назвать недавно возникшее предложение по изучению вихревых
эффектов [3]. Сравнение наблюдаемых закономерностей образования нейтронов и
протонов дает возможность изучать изотопические эффекты, причем в ряде случаев
протоны и нейтроны дают более прямую информацию, чем, например, пионы.
Изотопические эффекты, в частности, играют важную роль в кумулятивных процессах
[4]. В корреляционных опытах, в частности для фемтоскопии, np пары могут давать
информацию, принципиально отсутствующую как в pp, так и в nn парах, так как np
пара состоит из нетождественных частиц и содержит вклад с нулевым полным
изоспином. Кроме того, нейтроны необходимо регистрировать для идентификации
некоторых
странных
барионов,
например
Σ-
гиперона,
практически
всегда
распадающегося на нейтрон и пион. Таким образом, существует необходимость
идентификации нейтронов. В качестве успешного примера регистрации антинейтронов
с помощью калориметра можно упомянуть коллаборацию PHENIX [5].
Трудность регистрации нейтронов состоит в том, что нейтронный детектор
принципиально не может быть маленьким. Во-первых, нейтрон регистрируется только
по заряженным продуктам его взаимодействия с веществом детектора, поэтому
вещества должно быть достаточно много. Во-вторых, заряженные продукты
взаимодействия в детекторе должны быть зарегистрированы, а использование ФЭУ в
качестве приемников света также значительно увеличивает размеры детектора. В
результате детектор оказывается достаточно громоздким, трудно сопрягаемым с
2
другими
детекторами
в
крупных
установках.
Позиционная
чувствительность
специализированного нейтронного детектора, как правило, сопоставима с размерами
самого детектора [6,7,8,9].
Обсуждаемый в данной работе прототип сцинтилляционного детектора с АPD
фотоприемниками является одной из возможных реализаций компактной системы
детектирования протонов и нейтронов в современных экспериментах по изучению
столкновения ионов при высоких энергиях, в частности в эксперименте ФЛИНТ и
проектируемом комплексе MPD-NICA [10].
РЕГИСТРАЦИЯ НЕЙТРОНОВ В СЦИТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРАХ
Широко известно, что органические жидкие и твердые сцинтилляторы являются
наиболее эффективными детекторами нейтронов при высоких энергиях [11].
Эффективность регистрации нейтронов в пластических сцинтилляторах в основном
определяется эффективностью регистрации заряженных частиц (a= p, d, t, α и т.д.),
рожденных в реакции
C(n,a) и в упругом n-p рассеянии. Для нейтронов с энергией
12
менее 8 МэВ наибольший вклад в эффективность регистрации дает упругое n-p
рассеяние, в то время как для нейтронов с энергией более 8 МэВ важную роль в
эффективности регистрации играют легкие фрагменты [12]. Реакции
12
C(n,d)11B,
12
C(n,α)9Be,
12
12
C(n,p)12B,
C(n,n’3α) и упругое n-p рассеяние являются основными в
регистрации нейтронов с использованием жидкого органического сцинтиллятора
NE213 [12]. В работе [8] было показано, что эффективность регистрации нейтронов
детектором DEMON (Detectour Modulaire de Neutron) в области энергий от 8 МэВ до 21
МэВ составила около 50%. Эффективность регистрации нейтронов в области энергий
от 60 МэВ до 250 МэВ была исследована с помощью программы MENATE [13]. Было
показано, что эффективность регистрации нейтронов детектором DEMON в этой
области энергий плавно падает с увеличением энергии, а её величина составляет 2030%.
Кроме того, относительно недавно была исследована возможность регистрации
нейтронов вплоть до энергии 1 ГэВ с использованием жидкого органического
сцинтиллятора
BC501A
[14,15].
Эффективность
регистрации
нейтронов
была
исследована в широком диапазоне энергий нейтронов (от 150 МэВ до 1 ГэВ) и
составила около 10% при толщине детектора 127 мм.
3
ОПИСАНИЕ ПРОТОТИПА ДЕТЕКТОРА
В данной работе мы предлагаем прототип сцинтилляционного детектора с APD
(avalanche photodiode) фотоприемниками для регистрации протонов и нейтронов с
высокой энергией (в диапазоне энергий 30-1000 МэВ), обладающий пространственным
разрешением.
На рисунке 1 схематично представлен прототип сцинтилляционного детектора.
Радиатор прототипа сделан из пластического сцинтиллятора и представляет собой
параллелепипед с размерами 96х96х128 мм. По углам вдоль оси детектора
выфрезерованны канавки, в которые на оптическом геле вклеены светосмещающие
оптоволокна (тип KYRARAY, Y-11) [16] диаметром 1.1 мм. На конце каждого
светосмещающего волокна прикреплен лавинный фотодиод [17], который является
детектором фотонов. Сигнал с каждого фотодиода через усилитель подавался на
амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП). Для улучшения качества светосбора
конструкции
поверхности
прототипа
детектора
были
обернуты
черной
светопоглощающей бумагой, за исключением тонких полосок белой диффузно
отражающей бумаги около светосмещающих волокон.
ИСПЫТАНИЕ НА ПУЧКЕ ПРОТОНОВ
Первые
испытания
прототипа
сцинтилляционного
детектора
с
АPD
фотоприемниками проводились в ИТЭФ на ускорительно-накопительном комплексе в
октябре 2010 года. Основной целью данных исследований было изучение амплитудной
зависимости сигнала от координаты попадания частицы в детектор. Для этого был
использован пучок вторичных протонов с импульсом 2.4 ГэВ/c. Вторичные протоны
образовывались на внутренней мишени ускорителя, изготовленной из тонкой
бериллиевой фольги под действием первичных протонов с импульсом 3.2 ГэВ/c.
Вторичные протоны, вылетающие под углом 3 градуса, проводились через магнитный
тракт вторичного пучка 211, который состоит из двух поворотных магнитов и четырех
квадрупольных линз. Данный пучок обеспечивает разрешение по импульсу Δp/p ~ 1%.
Схема
экспериментальной
установки
для
испытаний
прототипа
сцинтилляционного детектора представлена на рисунке 2. Буквой D схематично
показан
прототип
детектора.
Пучок
протонов
проходил
через
систему
сцинтилляционных детекторов S1 (размер 10х100х100 мм) и S2 (размер 10х200х200
мм). Координаты протонов контролировались с помощью двух пропорциональных
камер, обозначенных на рисунке как C1 и C2. Точность измерения координаты X и Y
4
системой пропорциональных камер составляла 0.1 мм. Триггером являлось совпадение
по времени сигнала с детекторов S1, S2 и еще двух сцинтилляционных детекторов (не
показаны на рис.2), которые находились раньше по пучку на расстоянии 10 метров.
Система сбора экспериментальной информации представляла собой каркас
CAMAC контроллером [18], который управлялся персональным компьютером с
системой сбора информации MES [19,20,21]. Сигналы с каждого из четырех лавинных
фотодиодов обрабатывались в АЦП и считывались в компьютер. В работе
использовались 12-ти канальный АЦП LeCroy 2249A [22]. Также считывалась в
компьютер полученная с помощью пропорциональных камер информация о
координатах частиц, проходивших через прототип детектора.
На рисунке 3 представлен типичный амплитудный спектр с одного из диодов.
Распределение по форме подобно распределению Пуассона. Хорошо видны пики от
отдельных фотоэлектронов, их более 20. Максимум распределения для разных диодов
соответствовал восьми или девяти фотоэлектронам. Это означает, что в данной
конструкции прототипа удалось собрать не слишком много света, что подтверждается и
шириной амплитудных распределений около 50%.
На рисунке 4 представлена зависимость амплитуды каждого из четырех диодов от
положения частицы в прототипе детектора. Координаты X и Y соответствуют
координатам в пропорциональных камерах. Видно, что при приближении к месту
расположения светосмещающего волокна амплитуда возрастает в несколько раз. Таким
образом, проявляется чувствительность данного прототипа детектора к координатам
прохождения частицы через детектор.
Пространственное разрешение прототипа детектора было измерено для протонов.
Для этого были построены отношения амплитуд диодов в зависимости от
диагональных координат, расположенных в противоположных углах (A1/A3 на левой
части рисунка 5 Рис. 5и A2/A4 на правой части рисункаРис. 5). Ошибки на Рис. 5
указаны только статистические, которые были менее одного процента (меньше размера
символа). На рисункеРис. 5 представлена аппроксимация экспериментальных точек
экспоненциальной функцией:
R

exp(
u
S
C
),
(1)
где R отношение ампитуд (A1/A3 или A2/A4), u (или v) – координата вдоль диагонали, S
обратный наклон и C – константа. Из Рис. 5 рисунка 5 видно, что экспериментальное
поведение отношения амлитуд в зависимости от диагональных координат с
достаточной точностью следует экспоненциальной функции.
5
Характер зависимости амплитуды сигнала от координаты точки попадания частицы и
ширина амплитудного распределения определяют разрешение прототипа детектора.
Для количественной оценки пространственного разрешения в отдельном событии была
построена разность координат частиц, полученных с помощью отношения амплитуд, и
координат в пропорциональных камерах. Для этого диагональные координаты u и v,
вычисленные по формуле 1 с учетом параметров аппроксимации, пересчитывались в
систему координат пропорциональных камер x и y. Результаты представлены на
рисунке
6.
Распределение
разности
сцинтилляционного
детектора
Среднеквадратичные
ширины
по
на
координат
форме
пропорциональной
подобны
полувысоте
камеры
распределению
распределения
и
Гаусса.
составляют
для
координаты x ~2.6 см и для координаты y ~2.2 см. Разница этих значений связана с
индивидуальными особенностями используемых в прототипе диодов. Таким образом,
для индивидуального события в данном прототипе получено пространственное
разрешение
масштаба
2.5
см
на
пучке
протонов.
Для
нейтронов
разрешение ожидается несколько хуже, но не намного. Оценка может быть сделана
так: допустим есть нейтрон с типичным импульсом 500МэВ/с. Пусть в результате np
рассеяния протон отдачи имеет импульс 250МэВ/с и угол к начальному направлению
нейтрона 45º. Его пробег будет около 1см. Умножив на косинус 45 градусов, получим
оценку размазки разрешения около 0.7 см, что не сильно портит 2.5 см.
Для улучшения пространственного разрешения требуется усовершенствовать
систему сбора света. Например, увеличить диаметр светосмещающего волокна и
увеличить площадь фотоприемника на основе лавинного диода. Другим вариантом
может
служить
детектор
шестигранной
формы
со
светосбором
по
углам
шестиугольника. Такие работы ведутся в настоящее время нашей группой.
ВОЗМОЖНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДЕТЕКТОРА
Для
выяснения
принципиальной
возможности
использования
детектора
предложенного типа в современных экспериментах в качестве составной части
компактной системы детектирования протонов и нейтронов в широком диапазоне
энергии (от 30 МэВ до 1 ГэВ) были проведены предварительные оценки с помощью
моделирования, в которое закладывались как результаты проведенных испытаний на
пучке протонов, так и ожидаемые, но пока экспериментально не подтвержденные
параметры
для
детектирования
нейтронов.
Например,
одним
из
возможных
применений детектора (в дополнении к эксперименту ФЛИНТ [1,2]) может служить
6
проект
NICA MPD
[10]. В данном случае, можно разместить кольцо из
сцинтилляционных детекторов внутри магнита установки MPD, которое позволит
регистрировать нейтроны в центральной области быстрот. Моделирование отклика
детектора MPD [23] (в рамках пакета NICA ROOT [24]) показало реалистичность
регистрации Σ+→nπ+ и Σ-→nπ- в столкновении ядер золота при энергии 4 ГэВ на нуклон
в системе центра масс при условии, что будет достигнуто временное разрешение
детектора порядка 500 псек, что близко к достигнутому на существующем прототипе
значению и представляется достижимым при последующей оптимизации конструкции
детектора и увеличении количества собираемого света. При этом в качестве детектора
нейтронов в моделировании использовался данный прототип с пространственным
разрешением в 2.5 см и временным разрешением в 300 псек.
Предварительные оценки эффективности регистрации нейтронов с помощью
предложенного прототипа сцинтилляционного детектора с АPD фотоприемниками с
использованием GEANT3 показали, что эффективность составляет около 13% (для
детектора с толщиной 128 мм). На рисунке 7 изображено поведение эффективности
регистрации нейтронов в зависимости от их кинетической энергии. Результаты
приведены для разных порогов энергии, оставленной нейтронами в детекторе (0.5, 1.0 и
2.0 МэВ). Видно, что в области энергий нейтронов от 100 МэВ до 1 ГэВ (где
основными являются реакции C(n,np), C(n,p) и H(n,n)) эффективность остается
практически постоянной. С уменьшением энергии ниже 100 МэВ эффективность
регистрации растет. Зависимость эффективности (с учетом разницы в толщине)
данного детектора от энергии нейтронов подобна зависимости для детектора DEMON
[8]. При этом известно, что GEANT3 не слишком хорошо описывает процессы
взаимодействия нейтронов с веществом в области энергий ниже 100 МэВ.
Кроме того, применение нейтронного детектора сделает доступным изучение
изотопических эффектов методами фемтоскопии (nn, np, pp, nΣ, pΣ). При изучении
корреляций одним из основных фоновых эффектов является эффект «кросс-ток» [25].
Предложенная конструкция детектора благодаря своим компактным геометрическим
размерам (10х10 см) и внутреннему пространственному разрешению (масштаба 2.5 см)
позволит эффективно бороться с этим эффектом и практически исключить ошибку в
импульсе из-за неопределенности угла вылета. Для этого предполагается использовать
ограничение по координате зарегистрированной частицы внутри детектора.
7
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе описана конструкция и представлены первые результаты
испытаний прототипа сцинтилляционного детектора с АPD фотоприемниками,
предназначенного, в частности, для эксперимента ФЛИНТ [1,2]. Из экспериментальных
данных, полученных в ходе тестов на пучке протонов, отчетливо видно, что амплитуда
сигнала в прототипе детектора существенно (в 3-5 раз) меняется по мере изменения
координаты прохождения частицы внутри прототипа. Таким образом, предложенная
конструкция обладает позиционной чувствительностью.
Несмотря на небольшое количество света (8-9 фотоэлектронов в максимуме
амплитудного распределения), собираемое системой из свето-смещающего волокна и
лавинного фотодиода, удалось получить пространственное разрешение масштаба 2.5 см
(для протонов) при поперечном размере детектора 10х10 см. Тем самым подтверждено
предположение о возможности создания компактного позиционно-чувствительного
детектора по предложенной технологии. Обладая позиционной чувствительностью,
детектор, выполненный на основе предложенного прототипа, позволит уменьшать
эффект кросс-токов, что очень важно для нейтронной фемтоскопии. В настоящее время
разработаны и реализуются предложения по улучшению свойств прототипа.
Авторы выражают искреннюю благодарность всему персоналу ускорителя ИТЭФ
за обеспечение проведения испытаний нейтронного детектора на вторичном пучке
ускорителя и стабильную работу ускорителя в ходе испытаний. Авторы очень
признательны инженеру ИТЭФ О. Чернышеву за помощь в сборке прототипа
нейтронного детектора.
Данная работа частично поддержана грантами РФФИ 10-02-93111-НЦНИЛ_а, 1002-0340-а, 11-02-00644-а
РИСУНКИ
8
Рис. 1. Схема прототипа сцинтилляционного детектора с APD фотоприемниками
9
Рис. 2. Схема
экспериментальной
установки
для
испытаний
прототипа
детектора
Рис. 3. Амплитудный спектр для одного из диодов (черный цвет). Серым цветом
показан пьедестал.
10
Рис. 4. Зависимость амплитуды диода от положения частицы в детекторе
Рис. 5. Отношение амплитуд диодов в зависимости от расстояния внутри прототипа
детектора.
Рис. 6. Распределение разности координат пропорциональной камеры и прототипа
сцинтилляционного детектора
11
Рис. 7. Эффективность регистрации нейтронов для разных значений потерь энергии
нейтронов в предложенном прототипе детектора. Сплошная линия соответствует
порогу 0.5 МэВ, пунктирная – 1 МэВ и штрихпунктирная 2 МэВ.
12
ПОДПИСИ К РИСУНКАМ
Рис. 1. Схема прототипа сцинтилляционного детектора с APD фотоприемниками
Рис. 2. Схема экспериментальной установки для испытаний прототипа детектора
Рис. 3. Амплитудный спектр для одного из диодов (черный цвет). Серым цветом
показан пьедестал.
Рис. 4. Зависимость амплитуды диода от положения частицы в детекторе.
Рис. 5. Отношение амплитуд диодов в зависимости от расстояния внутри прототипа
детектора.
Рис. 6. Распределение разности координат пропорциональной камеры и прототипа
сцинтилляционного детектора
Рис. 7. Эффективность регистрации нейтронов для разных значений потерь энергии
нейтронов в предложенном прототипе детектора. Сплошная линия соответствует
порогу 0.5 МэВ, пунктирная – 1 МэВ и штрихпунктирная 2 МэВ
13
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев И.Г., и др., ЯФ 71, 2008, с. 1-12
2. Алексеев И.Г., и др., ПТЭ, 2008, № 4, с.5-12.
3. Rogachevsky O., Sorin A. and Teryaev O., Phys.Rev. C82, 054910 (2010).
4. Воробьев Л.С., Лексин Г.А., Ставинский А.В., ЯФ том59, №4 (1996), с.694-700
5. Pinkenburg C. (for PHENIX Collaboration), J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 30 (2004)
S1201–S1205
6. Батурин В.Н. и др., Препринт ЛИЯФ №594, 1980.
7. Баюков Ю.Д. и др., Препринт ИТЭФ-159, 1980.
8. Tilquin I. et al., Nucl. Instrum. Methods A365, 1995, p.446.
9. Blaich Th. et. al. (LAND collaboration). Nucl. Instrum. Methods A314 (1992) pp. 136154.
10.Abraamyan Kh.U. et. al., Nucl. Instrum. Methods A628 (2011) 99-102;
http://nica.jinr.ru/files/Wh_Paper_db9-3.pdf
11.Mouatassim S., Costa G. J., Guillaume G., Heusch B., Huck A. and MoszyImage M.,
Nucl. Instrum. Methods A 359, 1995, p.530.
12.Moszynski M. et al., Nucl. Instrum. Methods A 343, 1994, p.563.
13.Desesquelles P. et al., Nucl. Instrum. Methods A 307, 1991, p.366.
14.Satoh D., Sato T., Endo A., Yamaguchi Y., Takada M. and Ishibashi K., J. Nucl. Sci.
Technol., 43, 2006, pp.714-719.
15.Satoh D., Kurosawa T., Sato T., Endo A., Takada M., Iwase H., Nakamura T., Niita K..
Nucl. Instr. and Meth. A583, 507-515 (2007).
16.Kuraray
America
Inc.,
200
Park
Ave.,
NY
10166,
USA.
http://particulas.cnea.gov.ar/workshops/icfa/wiki/images/a/a7/Kuraray-PSF-Y11.pdf
17.http://www.cpta-apd.ru/RUdocAPD/CPTA%20MRSAPD%20avalanche%20photodiode%20ru143-30.html
18.CAMAC. A Modular Instrumentation System for Data Handling. EUROATOM Report,
EUR-4100E, 1969.
19.Горбунов Н.В. и др. Препринт ОИЯИ Р10-85-954, 1985.
20.Горбунов Н.В. и др. Препринт ОИЯИ Р10-85-955, 1985.
21.Горбунов Н.В. и др. Препринт ОИЯИ Р10-85-956, 1985.
22.http://www.lecroy.com/lrs/dsheets/2249.htm
14
23.http://nica.jinr.ru/files/CDR_MPD/MPD_CDR_en.pdf
24.http://mpd.jinr.ru
25.J.Pluta et al.,NIM A411, 417, (1998).
15