Годоскоп сцинтилляционных счетчиков для экспериментов по исследованию структуры легких ядер на Нуклотроне-М

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2011. Вып. 3. С. 151-159 ФизикА

УДК 539.1.074.6: 539.1.074.3

Годоскоп сцинтилляционных счетчиков для экспериментов по исследованию структуры легких ядер на Нуклотроне-М

И. Е. Внуков, В. П. Ладыгин, С. М. Пиядин, С. Г. Резников,

А. А. Терехин, А. Н. Хренов

Аннотация. Приведены результаты тестирования 8-канального годоскопа сцинтилляционных счетчиков для время-пролетной системы DSS-проекта, предназначенного для экспериментов по изучению структуры легких ядер на выведенных пучках Нуклотрона-М (ОИЯИ).

Ключевые слова : время-пролетная система, сцинтилляционный счетчик,годоскоп.

Введение

Одной из задач проекта Deuteron Spin Structure (DSS) [1] является проведение эксперимента по измерению дифференциального сечения, тензорной анализирующей способности T20 и коэффициента спиновой корреляции Суу реакции 3He(d,p)4He с использованием поляризованного дейтронного пучка Нуклотрона-М и поляризованной 3He мишени [2], разработанной в CNS (Япония). Выполненные ранее в RIKEN эксперименты при энергиях 140, 200 и 270 МэВ, показали, что коэффициент корреляции С// для реакции 3He(d,p)4He является уникальным способом изучения поведения D-состояния в дейтроне [3]. Цель эксперимента на Нуклотроне-М состоит в том, чтобы получить данные по C// в области энергий дейтрона T = 1.0 — 2.0 ГэВ, где вклад от D-состояния дейтрона достигает максимума. Эти данные помогут понять спиновую структуру дейтрона на малых относительных расстояниях между составляющими его нуклонами, а также вклад ненуклонных степеней свободы.

Неотъемлемой частью в реализации данного эксперимента является надежная идентификация вторичных частиц, для чего будет использована техника измерения времени пролета. Процесс идентификации вторичных частиц заключается в восстановлении массы детектируемых частиц по известным значениям импульса и времени пролета. Импульс детектируемых частиц будет в диапазоне 1.5-2.5 ГэВ/c, поэтому для надежного разделения

протонов и дейтронов для базы пролета 8-10 м требуется временное разрешение время-пролетной системы не хуже 0.5 нсек.

В рамках БВБ-проекта для время-пролетной системы ускорителя Нуклотрон-М (ОИЯИ) изготовлен и протестирован годоскоп, состоящий из восьми сцинтилляционных счетчиков на базе ФЭУ-85. В качестве предварительного этапа в изготовлении годоскопа был изготовлен и протестирован прототип элемента годоскопа [4,5]. Были получены амплитудные, временные и координатные характеристики используемого сцинтиллятора.

1. Сцинтилляционный годоскоп

Детектирующая система (рис. 1) установки по изучению структуры легких ядер на выведенном пучке ускорителя Нуклотрон-М (ОИЯИ) будет включать в себя отклоняющий магнит 2СП40, набор триггерных счетчиков - Яэ, дрейфовых камер БС и годоскопов сцинтилляционных счетчиков Н. Идентификация частиц будет осуществляться путем измерения их времени пролета. Пролетная база 10 метров при временном разрешении 0.5 нсек достаточна для разделения протонов и дейтронов с импульсами 2 ГэВ/с.

Рис. 1. Экспериментальная установка для детектирования вторичных частиц. М — магнит 2СП40, Бх — Бэ — триггерные сцинтилляционные счетчики, БС — дрейфовые камеры, Н — сцинтилляционные годоскопы

Импульс частиц определяется измерением угла отклонения в анализирующем магните. Набор дрейфовых камер будет использоваться в качестве трековых детекторов. Для сбора данных будет использоваться УМЕ (УегеаМоёи1е Еигосагё) система.

Годоскоп сцинтилляционных счетчиков (рис. 2) состоит из восьми отдельных счетчиков с размерами сцинтиллятора 400х40х4 мм3, размещенных в металлическом корпусе. Каждый сцинтиллятор плотно обернут слоем металлизированного майлара и черной светонепроницаемой бумагой для исключения попадания света, которое может привести к

появлению фоновых событий. Каждый сцинтиллятор просматривается с обеих торцов фотоумножителями ФЭУ-85, высоковольтное питание на которые подается через цифровые высоковольтные ячейки, управляемые источником HVS SM 512 (High Voltage System system module) [6]. Элементы годоскопа расположены с перекрытием в 1 мм для уменьшения геометрической неэффективности детектора. Сигнальные кабели от ФЭУ годоскопа заведены на входы 16-ти канального модуля время-цифровых преобразователей с амплитудной коррекцией и триггерной логикой (TQDC-16) [7].

Рис. 2. Схематический вид сцинтилляционного годоскопа. Слева — расположение сцинтилляционных пластин. Справа — размещение элементов годоскопа в металлическом корпусе. С — сцинтилляционная пластина, ФЭУ — фотоумножители, ВП — ячейки высоковольтного

питания

Проведение измерений

Предварительным этапом измерений являлся начальный подбор высоковольтного напряжения всех ФЭУ. Напряжение подбиралось таким образом, чтобы амплитуды импульсов с каждого ФЭУ от радиоактивного источника (106Ки) на экране осциллографа были примерно одинаковыми.

Амплитудный спектр одного из ФЭУ без радиоактивного источника показан на рис. 3. Он представляет собой в основном шумы ФЭУ и сигналы от космических частиц. Наиболее вероятная амплитуда шумового сигнала находится в районе 100 канала.

О

Рис. 3

Амплитудный спектр сигнала с одного из ФЭУ-85 в отсутствии радиоактивного источника

Амплитудный спектр сигнала с одного из ФЭУ-85, полученный при облучении радиоактивным источником 106Ки, помещенного над центром сцинтиллятора, представлен на рис. 4.

На рис. 5 показана корреляция амплитуд сигналов с левого и правого ФЭУ для одного из восьми элементов годоскопа. Радиоактивный источник располагался в центре пластического сцинтиллятора, т.е. в 20 см как от левого, так и правого ФЭУ.

На рис. 6 показано число событий в зависимости от номера элемента годоскопа. Радиоактивный источник располагался в центре элемента №5. Основная масса событий, зарегистрированных системой сбора данных, соответствует срабатыванию элемента №5. Тем не менее, как видно из рис.

6, иногда срабатывали соседние элементы №4 и №6, что связано с тем, что расстояние между годоскопом и находящимся над ним источником составляло 3-4 см, поэтому регистрировалось и попадание частиц на соседние элементы.

Использование модуля TQDC-16 позволяет получить также и временные характеристики сигналов. Разница времен прихода сигналов от левого и правого ФЭУ для отдельного элемента годоскопа представлена на рис. 7. Линия — результат аппроксимации функцией Гаусса. Из ширины распределения получены предварительные значения временного разрешения. Для отдельного ФЭУ-85 оно оценено как 417 псек.

Зависимость разницы времен прихода сигналов от левого и правого ФЭУ для отдельного элемента годоскопа от расположения радиоактивного

Число событий

Рис. 4. Амплитудный спектр сигнала с одного из ФЭУ-85 от радиоактивного источника 106Кц

Рис. 5. Корреляция амплитуд сигналов с ФЭУ-85, просматривающих сцинтиллятор одного из элементов годоскопа с обоих торцов

Число событий

х103

300 ш 250 о 200

О

О

§ 150

О

Н 100 50

0

1 2 3 4 5 6 7 8

Элементы годоскопа

Рис. 6. Распределение числа событий в зависимости от номера элемента

годоскопа

Рис. 7. Разница времен прихода сигналов от левого и правого ФЭУ для отдельного элемента годоскопа. Линия — результат аппроксимации

функцией Гаусса

источника вдоль сцинтиллятора представлена на рис. 8. Отметка в 20 см соответствует центру сцинтиллятора. Видно, что полученные данные описываются линейной зависимостью, показанной сплошной линией. Это говорит о хороших временных свойствах годоскопа.

50 г----------------------------------------------------------

а = 1.566 + 0.111 40 —

со

ге

а

«

Í 20

А

О

Я

10 о

4 Л С I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I L

10 15 20 25 30

см

Рис. 8. Разница времен прихода сигналов от левого и правого ФЭУ для отдельного элемента годоскопа в зависимости от позиции радиоактивного источника вдоль сцинтиллятора. Линия — результат аппроксимации данных функцией вида f (x) = ax + b

Из параметра наклона линии можно получить эффективную скорость распространения сигнала в сцинтилляторе: veff = 6.66 ± 0.47 см/нсек.

Заключение

Разработан и изготовлен 8-канальный годоскоп сцинтилляционных счетчиков, предназначенный для экспериментов на выведенном пучке Нуклотрона-М.

Исследования, выполненные с радиоактивным источником, показали, что характеристики годоскопа удовлетворяют требованиям, предъявляемым к время-пролетной системе проекта DSS.

Список литературы

1. Ladygin V.P. Relativistic Nuclear Physics and Quantum Chromodynamics: Proc. of the XIX Intern. Baldin Seminar on High Energy Physics Problems - Dubna: JINR, 2008. V.2, XII. P.67-72.

2. Uesaka T. Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. 1998. A402. P. 212.

3. Uesaka T. Phys. Lett. 2002. B533. P. 1.

4. Терехин А.А., Внуков И.Е. Развитие время-пролетной системы для экспериментов по исследованию структуры легких ядер на Нуклотроне-М // Научные ведомости БелГУ. Сер. физико-математическая. 2009. Вып.1. С.124-131.

5. Терехин А.А. Время-пролетная система для экспериментов по исследованию структуры легких ядер на Нуклотроне-М // XIV конференция молодых ученых и специалистов, Дубна, ОИЯИ, (Февраль, 1-6, 2010). 2010. С.159-162.

6. http://sunhe.jinr.ru/struct/trd/hv.html

7. http://ccpc4.jinr.ru/tqdc-16/, http://afi.jinr.ru/TQDC-16

Внуков Игорь Евгеньевич (Vnukov@bsu.edu.ru), д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой, кафедра общей и прикладной физики, Белгородский государственный университет.

Ладыгин Владимир Петрович (vladygin@jinr.ru), д.ф.-м.н. начальник сектора, лаборатория физики высоких энергий, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.

Пиядин Семен Михайлович (piyadin@jinr.ru), научный сотрудник, лаборатория физики высоких энергий, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.

Резников Сергей Григорьевич (reznikov@moonhe.jinr.ru), старший научный сотрудник, лаборатория физики высоких энергий, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.

Терехин Аркадий Аркадьевич (taa@uc.jinr.ru), аспирант, кафедра общей и прикладной физики, Белгородский государственный университет; инженер, лаборатория физики высоких энергий, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.

Хренов Анатолий Николаевич, ведущий инженер, лаборатория физики высоких энергий, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.

Scintillation hodoscope for the experiments on the study of the light nuclei structure at Nuclotron-M

I. E. Vnukov, V. P. Ladygin, S. M. Piyadin, S. G. Reznikov, A. A. Terekhin,

A. N. Khrenov

Abstract. The results of the tests of the 8-channel scintillation hodoscope are presented. This hodoscope is designed for time-of-flight system of DSS project,

the goal of which is the light nuclei structure studies at the extracted beams at the accelerator Nuclotron-M (JINR).

Keywords : time-of-flight system, scintillation meter, hodoscope.

Vnukov Igor (Vnukov@bsu.edu.ru), doctor of physical and mathematical sciences, professor, head of department, department of general and applied physic, Belgorod State University.

Ladygin Vladimir (vladygin@jinr.ru), doctor of physical and mathematical sciences, head of sector, laboratory of high energy physics, Joint institute for nuclear researches, Dubna.

Piyadin Semyon (piyadin@jinr.ru), research assistant, laboratory of high energy physics, Joint institute for nuclear researches, Dubna.

Reznikov Sergey (reznikov@moonhe.jinr.ru), senior research assistant, laboratory of high energy physics, Joint institute for nuclear researches, Dubna.

Terekhin Arkadiy (taa@uc.jinr.ru), postgraduate student, department of general and applied physic, Belgorod State University; engineer, laboratory of high energy physics, Joint institute for nuclear researches, Dubna.

Khrenov Anatoliy, leading engineer, laboratory of high energy physics, Joint institute for nuclear researches, Dubna.

Поступила 20.12.2010