ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО
PHOTODETECTOR

Изобретение относится к фотоприемным устройствам для черенковских РИЧ-детекторов (RICH-Ring Imaging Cherenkov), регистрирующих кольцевое черенковское излучение, и может быть использовано в экспериментах в области физики элементарных частиц высоких энергий (ионов, каонов и протонов) для определения их зарядов и скоростей в широком диапазоне их импульсов для их идентификации.
В большинстве РИЧ-детекторов регистрацию фотонов осуществляют с помощью фотоприемных устройств на основе многопроволочных пропорциональных камер, обеспечивающих наибольшую площадь фотоприемников и способных работать в довольно сильных магнитных полях. Однако применение многопроволочных пропорциональных камер связано с целым рядом трудностей. По этой причине все большее применение в фотоприемных устройствах для РИЧ-детекторов находят фотоэлектронные умножители (ФЭУ) [Ю.К. Акимов. Фотонные методы регистрации излучения. Дубна, ОИЯИ, 2006. - 281 с.].
Известно фотоприемное устройство для черенковского РИЧ-детектора, включающее в себя ФЭУ [Т. Matsumoto, S. Korpav, I. Adachi et. al // Nucl. Instr. Meth. A. 2004. V.518. P.582; Ю.К. Акимов. Фотонные методы регистрации излучения. Дубна, ОИЯИ, 2006. - 281 с.]. Однако несмотря на то что в известном фотоприемнике использован многоканальный ФЭУ типа R 5900-М 16, отношение фоточувствительной площади ко всей площади, перекрываемой фотоприемником, невелико и составляет всего 36%. При использовании многоканального ФЭУ панельного типа, 64 анодный Hamamatsu Н 8500 (S=5×5 см), отношение фоточувствительной площади ко всей площади, перекрываемой фотоприемником, хотя и возрастает до 84%, однако остается недостаточно высоким. Основным недостатком фотоприемников для черенковских детекторов, использующих ФЭУ, является то, что они не могут работать в сильном магнитном поле (>1,4 Тл).
Известно применение в черепковском РИЧ-детекторе в качестве фотоприемного устройства матрицы из ФЭУ [I.Adam, R.Aleksan, D.Aston et. al. // Nucl. Instr. Meth. A. 1999. V.433. P.121]. Недостатком такого фотопримника является невысокое отношение фоточувствительной площади ко всей площади, перекрываемой фотоприемником, а также невозможность его работы в сильных магнитных полях.
2
Известно фотоприемное устройство для черенковского РИЧ-детектора, представляющего собой матрицу из ФЭУ площадью 1 м, собранной из более чем 1100 ФЭУ (матрица из 33×32=1056 штук ФЭУ) с диаметром фотокатода 25 мм и внешним диаметром 32 мм. Входные окна ФЭУ изготовлены из стекол, которые поглощают значительную долю УФ-света, пропуская свет лишь в диапазоне 300-600 нм, что приводит к уменьшению числа фотонов, регистрируемым РИЧ-детектором [Н.И. Старков. / Анализ изображений RICH-детектора с помощью нейронной сети. // Препринт. Физический институт им. П.Н.Лебедева. РАН. М., 2003. 14 с., К.В.Александров и др. / Моделирование RICH-детектора AMS и реконструкция кинематических параметров регистрируемых частиц // Математическое моделирование. 1997. т.9, №11, с.33-45]. Кроме того, для известного фотоприемника в виде матрицы из ФЭУ отношение фоточувствительной площади ко всей площади, перекрываемой фотоприемником, не превышает 65-70%. Дополнительным недостатком известного фотоприемника является то, что он не может работать в сильных магнитных полях, нарушающих функционирование ФЭУ.
Наиболее близким к заявленному фотоприемному устройству для черенковского детектора является известное фотоприемное устройство, применяемое для сбора информации в лабораториях ускорительной техники, содержащее, кроме блока фотоэлектронных умножителей и блока обработки информации, сцинтилляционные волокна, включенные в свинцовую матрицу (D. Acostaetal, Lateral Shower Profiles in a Lead Sciufillating-Fibep Calorimeter, NIM A. 316 (1992). P.184; Клаус Группен. Детекторы элементарных частиц. Справочное издание. Сибирский хронограф. Новосибирск. 1999. 408 с.). В этом случае считывание информации сильно упрощается, так как волокна могут быть сильно изогнуты без потерь света и обеспечивать высокое пространственное разрешение. Однако такое фотоприемное устройство, пригодное для регистрации проникающего излучения, непригодно для эффективного детектирования черенковского светового излучения. Кроме того, оно излишне усложнено и дорого, поскольку в нем используются не простые дешевые волоконные световоды, а сцинтилляционные волокна, да еще включенные в свинцовую матрицу, непрозрачную для черенковского светового излучения.
Задачей настоящего изобретения является создание фотоприемного устройства для детектирования кольцевого черенковского излучения, пригодного для работы в сильных магнитных полях и обладающего высоким пространственным разрешением.
2
Заявляемое устройство, изображенное на чертеже, содержит в качестве главного сенсора блок волоконных световодов (1), а также блок фотоэлектронных умножителей (2) и блок обработки информации (3). Блок волоконных световодов состоит из десятков-сотен стекловолокон (или кристалловолокон), закрепленных на близком расстоянии друг относительно друга или прижатых друг к другу на площади в несколько сотен-тысяч см, причем концы каждого из волокон выведены за пределы и мишенной камеры, и за пределы магнитного поля ускорителя. В конечном счете оба конца световода оказываются подключенными к одному и тому же ФЭУ из блока фотоэлектронных умножителей. Блок электронной обработки информации содержит схему пространственной селекции для определения радиуса кольца черенковского излучения.
Сущность изобретения заключается в том, что фотоприемное устройство для детектирования кольцевого черенковского излучения, включающее блок фотоэлектронных умножителей ФЭУ и блок обработки информации, дополнительно содержит на своем входе блок волоконных световодов, располагаемых до блока ФЭУ в плоскости регистрации черепковского излучения в виде полуколец, концы которых для каждого полукольца волоконного световода выведены из мишенной зоны ускорителя за пределы действия сильных магнитных полей и сочетаются через оптический контакт с блоком фотоэлектронных умножителей, сигналы с которых поступают на блок обработки информации.
Устройство работает следующим образом. Кольцевое черенковское излучение регистрируется блоком волоконных световодов (1), состоящим из расположенных близко друг к другу оптоволокон диаметром 0,2-1 мм (в зависимости от требуемого пространственного разрешения), изогнутых в форме полуколец и занимающих площадь, необходимую для захвата полукольца черенковского излучения. Волоконные световоды, сформированные за пределами мишенного пространства в виде достаточно длинного оптоволоконного кабеля, передают оптические сигналы, сформированные черенковским излучением, на блок фотоэлектронных умножителей (2), состоящих из обычных или многоканальных ФЭУ. С блока ФЭУ сигналы поступают на блок обработки информации (3), который с помощью схемы пространственной селекции позволяет определить радиус кольца черенковского излучения и в конечном счете обеспечивает идентификацию элементарных частиц, определение их зарядов и скоростей с высоким пространственным разрешением.